民用飞机复合材料副翼结构损伤威胁评估研究

张冠彪 张利猛 刘衰财

（中国商飞复合材料中心，中国 上海 201324）

0 引言

复合材料在民用飞机结构中的应用逐年攀升，使用比例已成为衡量飞机先进性的重要指标之一[1-2]。民用飞机复合材料结构在制造和服役过程中产生的缺陷和损伤都会对复合材料结构产生巨大威胁。因此，在复合材料结构设计、分析及验证过程中必须充分考虑各类制造缺陷和服役损伤的影响。

咨询通告AC 20-107B要求民机复合材料结构疲劳和损伤容限验证中首先要开展损伤威胁评估，根据损伤威胁评估的结果确定飞机结构所受损伤的损伤源、损伤位置、种类和大小[3-4]。本文针对民用飞机复合材料副翼结构开展制造缺陷和运营损伤评估研究，确定副翼验证试验中需考虑的缺陷和损伤类型，并研究确定各类损伤的模拟形式。

1 复合材料副翼结构

民用飞机副翼安装在机翼后缘靠近翼梢处，通过悬挂接头和作动器与机翼盒段后梁连接，主要功能是控制飞机的滚转运动。民用飞机副翼一般是由复合材料和铝合金材料制成的楔形结构，复合材料结构通常包括蒙皮、梁、肋。接头一般为铝合金结构。

复合材料结构的结构形式与制造缺陷和损伤密切相关。蒙皮一般为蜂窝夹芯结构，梁和肋一般为“C”形或“工”形层压板结构，蜂窝夹芯结构和层压板结构在制造中可能会出现蜂窝脱粘、分层、夹杂等制造缺陷，在运营中会受到冲击、划伤等损伤。

2 损伤分类与损伤容限要求

根据咨询通告，复合材料结构上遇到的所有损伤都可以归为下面5类损伤之一。五种不同类别损伤的损伤容限要求见图1。

第一类损伤：包括允许制造缺陷和BVID损伤，为周期检测或有指导的外场检测可能漏检的允许损伤或允许的制造缺陷。第二类损伤：包括VID损伤、深的沟槽或大的划伤，在规定的检查间隔期间进行定期的或者有指导的外场检测能可靠检测出的损伤。第三类损伤：包括LVID损伤或其他易见损伤，可由无复合材料检测专业技能的机组或外场维护人员在其出现后几次飞行期间能可靠检出的损伤，这样的损伤必须有某个清晰目视迹象的明显可见部位。第四类损伤：是由已知偶发事件引起的离散源损伤，包括发动机转子爆破、鸟撞（按规章规定）、轮胎爆裂和飞行中严重的冰雹。第五类损伤：设计准则或结构验证程序未包括的意外损伤，要求一旦出现必须立即修理。

图1 损伤类型与损伤容限要求

3 副翼制造缺陷

复合材料结构在制造过程中允许存在一些可接受的制造缺陷，允许制造缺陷大小由制造验收文件控制。制造验收文件中一般包括外观制造缺陷质量控制要求和内部制造缺陷质量控制要求，外观制造缺陷类型包括：凹陷、凸起、树脂堆积、贫胶、刻痕、凿伤、划伤、裂纹等，内部缺陷一般按结构分区进行质量控制，内部缺陷类型包括：分层、夹杂、孔隙率、纤维褶皱、纤维体积含量变化等。

型号研制阶段需对不同结构类型易发生缺陷的位置及缺陷大小进行统计分析，确定易发生分层、脱粘等损伤的位置，结合内力解完成全尺寸验证试验中预制损伤的布置。

4 副翼运营损伤

运营过程中产生的损伤主要体现为冲击损伤。冲击引起的损伤按其形态可分为两类：一类是高能量冲击，往往也是高速冲击，如非包容发动机碎片、鸟撞等外来物的冲击造成的损伤；另一类损伤是低能冲击，多数情况是低速冲击，包括生产或维护用工具的掉落、起飞或着落时跑道上卷起的石子、冰雹的撞击等。低能冲击损伤往往从冲击表面很难察觉，但在结构内部很可能已经产生了大范围的损伤，因此往往会带来更大的危险性。

民用飞机副翼结构潜在的冲击损伤源有：工具掉落、冰雹、轮胎碎片、跑道碎石、闪电、转子爆破碎、鸟撞等常规冲击，以及勤务车辆等与飞机的严重碰撞、异常的飞行超载、非正常硬着落等非常规冲击。非常规冲击损伤是严重损伤，在结构损伤容限设计准则和证实程序中未包括，该损伤目视显而易见，要求一旦出现必须修理，本文未作详细研究。

常规冲击损伤包括：

（1）工具掉落：在复合材料零件的制造和维护过程中，工具掉落可能会在制件上造成损伤。副翼结构在制造和维护过程中会用到风钻、铰刀、螺栓安装枪、弹簧销等工具，需对所有工具的质量进行统计，结合使用场景确定工具潜在坠落高度，按最大高度坠落计算得到最大可能冲击能量，进而确定工具掉落引起的冲击损伤能量截止值，根据冲击能量和可检性门槛值，确定出损伤类别。副翼结构区域工具掉落造成的损伤一般属于第一类损伤。

（2）冰雹：美国国家海洋和大气管理局收集了1955—2006年间美国冰雹分布，统计了冰雹尺寸、冲击动能、以及累计发生概率，结果显示26J能量可覆盖95.0%的冰雹冲击[5]。副翼上蒙皮是地面冰雹的影响区，地面冰雹可归为第一类、第二类和第三类损伤。飞行冰雹影响飞机前缘、挡风玻璃以及朝向前方的机身结构，副翼不在飞行冰雹影响区，无需考虑飞行冰雹。

（3）轮胎碎片：依据各型号飞机轮胎爆破中轮胎碎片模式、甩胎模式、爆胎空气喷流压力效应模式的影响范围确定轮胎碎片对副翼结构的影响。副翼一般处于轮缘碎片影响范围内，轮胎碎片造成的损伤严重情况可归为第四类离散源损伤。

（4）跑道碎石：飞机轮胎卷起的跑道碎石对飞机的冲击较为严重。主起落架卷起的跑道碎石对飞机结构的影响集中在机翼和机身下壁板，对副翼基本无影响，副翼损伤威胁评估中可不用考虑跑道碎石冲击。

（5）闪电：副翼靠近机翼翼梢处，副翼梢部外侧位于初始闪电附着区和附着驻留区。一般在民用飞机闪电直接防护审定计划中规划副翼结构的闪电直接防护试验，验证其直接防护符合性，根据试验得到的损伤情况，开展损伤容限评定工作。

（6）转子爆破：主要考虑发动机、APU和RAT三类转子失效引起的转子爆破威胁，转子爆破碎片冲击能量非常大，为高能高速冲击，通常归为第四类离散源损伤。副翼位于发动机影响区，具体需根据各型号飞机发动机转子爆破碎片的扫略情况确定对副翼的影响，转子爆破对副翼结构损伤特征一般为冲击穿透。

（7）鸟撞：鸟撞损伤为离散源损伤，属于第四类损伤，严重时可能造成副翼蒙皮、梁损伤。

综上，副翼需考虑运营损伤包括工具掉落、冰雹、轮胎碎片、闪电、转子爆破、鸟撞等。民用飞机主要结构元件 （PSE）受到第四类损伤后须满足返航载荷要求，副翼复合材料结构通常为非PSE，第四类损伤的引入与验证根据实际结构设计和具体要求确定。

5 副翼损伤模拟方案

副翼需考虑的损伤源有：制造缺陷、工具掉落、冰雹、轮胎碎片、闪电、鸟撞、转子爆破碎片等。同时还需考虑运营过程中结构表面的划痕，划痕属于第二类损伤。为保证副翼复合材料结构在飞机服役期的安全性，满足适航规章和复合材料结构积木式试验验证要求，必须在全尺寸试验件中人为引入这些损伤，各类损伤模拟形式见表1。

表1 副翼全尺寸试验件损伤模拟形式

6 结语

本文对民用飞机复合材料副翼结构制造缺陷、冲击损伤进行了研究，给出了复合材料副翼结构的损伤威胁评估内容，确定了副翼需考虑的损伤源和损伤类型，给出了副翼损伤源的模拟形式，用于各阶段试验前引入相应损伤，以满足咨询通告对复合材料结构损伤容限的要求，完成复合材料结构的符合性验证。