复合材料制造技术在民航维修工程领域中的引入和应用

高赛 胡诗奇 邱运朋 胡洋嘉 马晓东

1相关背景

国内复合材料深度维修技术起步于2010年前后，主要集中在民用航空领域，以发动机短舱、雷达罩、舱门、舵面为重点，一方面需要依赖欧美国家技术、工艺和人才的输入，另一方面采用了较多的逆向工程技术手段，总体上呈现出高度的依赖性和继承性，创新意识淡薄，借鉴痕迹明显，产品性能、寿命难以达到OEM水准，不能充分理解设计逻辑，未能形成稳定的战略方向和清晰的产品线规划，未能锻炼出经验丰富、储备充足的核心开发人员。相比于美欧国家复合材料制造产业与复合材料维修产业的共栖共生、互惠互利、合作共赢的良好密切关系，国内的相关产业并未能充分交流和相互合作，制造厂商对维修理念一知半解，维修厂商对制造技术知之甚少。

因此，为增进互相了解、互相支持，希望将复合材料制造技术引入到结构维修的工程领域中来，以MRO工厂厂房为实施应用主体，以生产工艺参数、连接强度计算法则、材料许用值设计、性能测试数据库、铺层设计的原则和方法、疲劳耐久性设计、损伤容限设计、环境损伤影响及其防护设计、模具技术为基础出发点，以共固化/共胶接为核心的整体成型技术、新型罐外成型技术、厚板固化及其变形控制等成熟的复合材料制造技术为共同结合点。以制造技术促进维修产业的成熟和正向发展，充分消化和理解空客、波音等先进民用飞机的复合材料制造理念，并反哺和优化国内的相关制造技术，以较低的学习成本、时间成本、物料成本获得两者的共同促进，最终保障好国内机队的良好运营，减少送修成本，给国产复合材料零部件提供良好的维修工艺场景支持和可维修设计理念支持。

2 行业现状

2.1航空器复合材料结构应用快速发展

广泛应用先进复合材料已成为大型客机和航空发动机等航空产品结构先进性的重要标志之一。以碳纤维增强树脂为代表的先进复合材料具有高比强度、高比刚度，可剪裁设计和结构整体成型等优势，可使飞机结构减重10%～40%、降低结构设计成本15%～30%，因此在新型飞机上的使用量大幅提高，应用范围也拓展到了主承力结构。

以传统民机为例，尽管本体部件很少应用复合材料，但在其短舱构造中大量采用纤维—树脂复合材料和含铝蒙皮—铝蜂窝构成的夹心结构（后者在维修领域也被视为复合材料结构的一种）。如短舱前环有消音蒙皮和铝蜂窝粘接而成的消音板，以及碳纤维层板结构的外侧蒙皮。而风扇罩主要是碳纤维层板结构的蒙皮，以及碳纤维和蜂窝粘接而成的隔框支撑等。反推部分中，C涵道固定结构主要是铝蒙皮—铝蜂窝的夹心结构，平移门外部由碳纤维层板粘接结构的外侧蒙皮和铝蜂窝隔框组成复合结构，平移门内部是有孔消音铝蒙皮和铝蜂窝粘接而成的内消音板。反推格栅是碳纤维粘接而成的层板结构。

2.2复合材料结构维修的重要性日益增强

复合材料部件在制造及航空器运营过程中不可避免地出现结构性缺陷或损伤，给飞行安全带来隐患。随着复合材料制造水平的不断提高，复合材料部件逐渐在飞机和发动机上取得普遍应用，给民航维修业带来了新的挑战。

随着以波音787和空客A350为代表的“全复合材料结构”飞机的服役，复合材料结构维修已成为制约飞机运行保障的新的环节和要素。飞机操纵面和发动机短舱等构造发生复合材料部件损伤时同样让飞机处于AOG状态，而且复合材料修理周期要远超过系统航线更换件的周期，高昂的维修和停场成本让航空公司苦不堪言。因此，复合材料结构维修能力已成为所有航空公司和MRO结构维修的核心竞争力。以获得全面自主的复合材料结构维修能力为目标，一场从科技研发到产业发展的全球竞赛正如火如荼铺开。

2.3国内复合材料结构维修能力不足

国际上以汉莎为代表的维修企业，通过与OEM及其关联研究机构的深度合作，已率先形成全面的维修能力，复合材料结构维修范围广，深度维修比例大，业务附加值高。随着国内航空维修市场的持续开放，这些国际标杆厂商纷纷在国内建厂（如深圳汉莎），借中国民航规模不断壮大的东风，快速占领市场，获得了可观的利益。

反观国内对于复合材料修理技术的研究，以及标准和规范的发展，无论是与国外同领域相比，还是与制造领域相比，都严重滞后。以发动机短舱为例，其翻修技术在国内航空维修领域长期处于空白。没有自主能力，特别是缺乏超范围损伤的维修方案设计、工艺实施，以及性能评价和质量控制能力，只能依赖送修。这使国内民航企业在维修价格和维修周期上毫无话语权，不仅要支付巨额的维修费用，还需承担漫长的维修周期和庞大的备件规模带来的间接成本。

生产与维修产业的结合，有助于促进中国航空工业复合材料维修基础能力和技术体系的建立，对处于关键上升期的中国航空复合材料产业具有战略意义，更将为广泛应用复合材料结构的国产大飞机项目和大型航发项目提供充分的技术支持和经验积累。

此外，产业结合还可以通过联合开发或配套生产等方式来实现，民航维修单位与军工企业形成优势互补，深度融合，提高重大装备的保障水平和运行安全，提升效率，节约维修成本，促进军工产业升级，实现军民融合合作共赢，推动国防建设和经济建设良性互动。

3 研发建议

3.1技术路径

在维修企业中开设复合材料维修技术交流平台，在此基础上，一方面，与政府部门保持深度沟通交流，以获取政策资金支持；另一方面，与OEM或一流厂商开展深层次合作，共担风险，合作开发，适时视需地以自身市场地位换取关键维修技术转让，以实现工艺革新，提高自身的产业地位和话语权；再一方面，与商飞、军工企业、科研院所组建技术攻关团队，以军民融合战略/国产大飞机项目为切入点，紧密围绕中国航空维修业的政策法规、发展方向、管理理念和复合材料维修的先进方法、前沿技术理念、创新服务模式等展开工作。

3.2技术引入方案要点

1）创建完善的复合材料损伤机理分析理论

开展复合材料结构损伤的统计与分析、结构损伤评估方法的适用性分析与验证、结构维修技术的适用性分析、结构维修技术、维修实施工艺和维修有效性验证试验等内容研究，建立结构损伤的分类方法和分级标准，将外力载荷、环境工况、风热烧蚀、应力腐蚀、高温蠕变等损伤因素进行规范地量化和统一，从根本上完善复合材料的损伤机理，创建复合材料损伤模型数据库，为损伤去除和强度恢复提供理论依据。

2）开辟复合材料维修有限元仿真新思路

通过对不同高级复合材料部件维修结构的有限元仿真测算，探索飞机结构件在实际服役环境中所受约束条件、临界强度等参数，为更多不同的维修方案提供理论支撑，进而可继续优化维修铺层结构，建立大量维修方案模型数据库，实现损伤精确识别，维修方案快速设计的效率机制。

3）创建复合材料维修工艺标准/技术方案规范数据库

通过总结典型复合材料部件翻修/再造的经验，并深度结合损伤及维修理论，自主研发出一套针对复合材料结构部件的维修工艺，深度细化无损检测技术、损伤去除手段、粘接维修程序、模具成型技巧、热压成型工法在维修方案中的应用，建立复合材料维修工艺/维修方案数据库，并利用CATIA软件加以立体描绘，简明直观地展示出来，以实现损伤精确识别和维修方案的快速设计，以期节约工时、减少航材储备、解决实践中的技术困难，填补国内空白。

4）创建国产飞机结构维修手册

开展民机复合材料结构维修手册开发的总体规划研究，包括适航规章对结构维修方案及维修手册的要求和结构维修手册的内容完整性要求分析、结构维修手册开发的工作规划和任务分工、手册开发的支持条件分析、手册的编制方法要求和编制流程等。以民用飞机结构的安全性、经济性和持续适航为目标，建立国产民用飞机结构维修方案开发和结构维修手册编制流程與方法，提高结构维修手册的可用性，提升结构维修支持能力。

4 总结

随着复合材料在民航领域的应用持续扩大，其结构维修的重要性日益增强。本文结合我国复合材料维修能力的现状，提出了将复合材料制造技术引入到民航维修工程领域的设想以及研发建议，以期两者共同促进，对保障国内机队的良好运营、提高民航复合材料维修业的技术实力以及国际竞争力具有深远意义。