某型直升机蜂窝夹芯结构挖补修理工艺稳定性试验验证与分析

张金奎 鲁国富

摘要：针对某型直升机蜂窝夹芯半穿透损伤结构开展维修工艺及其稳定性研究。利用夹芯损伤修理工艺实施了预制损伤试验件修理及试验验证工作，提出一种工艺稳定性分析方法。试验及其数据分析表明：不同批次损伤修理结构破坏载荷数据符合来自同一母体的假设，数据分散性小，且修理后蜂窝夹芯结构达到未损伤结构的91.9%，验证了其修理工艺的有效性和稳定性，为复合材料结构损伤修理工艺验证提供了方法和经验。

关键词：直升机；蜂窝结构；挖补

Keywords：helicopter；honeycomb structure；scarf repair

复合材料蜂窝夹芯结构的特点是重量轻、刚度大、力学性能优异、可设计性强，因此现代直升机结构大量采用这种蜂窝夹芯结构，以达到减重、优化结构的目的。通过对直升机服役过程出现的损伤进行调研，结合多年的维修保障实践，发现直升机复合材料蜂窝夹芯结构常会出现较大的半穿透性损伤，严重威胁直升机结构的安全。本文针对某型直升机复合材料蜂窝夹芯结构半穿透性损伤维修工艺进行研究[1，2]，结合典型结构损伤维修样件及力学性能测试，利用数理统计方法开展工艺稳定性分析，验证工艺的可靠性，为直升机复合材料结构的维修实施提供支撑。

1 复合材料蜂窝夹芯结构半穿透性损伤及维修工艺

图1所示为直升机复合材料蜂窝夹芯结构半穿透性损伤，其一侧面板破断，蜂窝与面板脱粘。这类损伤结构损伤面积较大，损伤后结构承载能力严重降低，根据其损伤性质需采用挖补方法开展修理。

修理工艺如图2所示。

1）对损伤部位蜂窝及面板损伤进行清理；

2）制作一个比蜂窝芯直径小4mm的圆形蜂窝块；

3）在圆形蜂窝侧面用发泡胶膜铺贴；

4）在蜂窝芯上下表面喷涂底胶并用胶膜胶接于损伤区域中心位置；

5）根据胶粘剂技术要求进行固化；

6）根据修理区域大小裁剪所需的预浸料铺层，铺层材料、角度、层数应与该零件原使用材料保持一致，并按铺层顺序做好相应的标识；

7）将预浸料按标识逐层铺贴在修理区域，按其相应工序的固化条件进行固化。

2 蜂窝夹芯结构维修工艺验证试验

2.1 损伤结构模拟件生产及维修工艺实施

为验证直升机复合材料蜂窝结构半穿透损伤维修工艺，利用生产工艺制作典型预制损伤试验件，并依据损伤修复工艺开展损伤修复。试验件面板为玻璃纤维，蜂窝为芳纶纸蜂窝，其材料、铺层均与直升机原结构一致。

2.2 蜂窝夹芯结构芯子剪切试验

依据ASTMC393《Standard test method for core shear properties of sandwich constructions by beam flexure》开展力学剪切试验，验证穿透损伤结构修复效果，试验如图3、图4所示。试验分为蜂窝夹芯结构未损伤力学试验、夹芯结构挖补结构力学两类。考虑不同批次的工艺稳定性，每种试验均制作两批，试验情况见表1。试验件破坏形式如图5所示，试验数据如圖6所示。

通过试验可知，无损伤试验件、损伤修复后试验件破坏过程均使加载部位蜂窝、面板出现较大变形，随后蜂窝屈曲，最终蜂窝及面板破坏，两种试验件损伤过程及损伤模式一致。无损伤试验件、损伤修复后试验件破坏载荷均在1.4kN左右，但修复后试验件破坏载荷的分散性比无损伤试验件大，主要是因为包含了生产和修理两个过程的工艺分散性。

3 蜂窝夹芯结构修理工艺稳定性分析

3.1 数据分析方法

对试验数据开展最大赋范残差MNR分析，剔除异常试验数据，并针对各批次试验数据进行拟合优度检验[3]，分析其试验数据分布规律。利用K样本Anderson-Darling检验方法[3]检验两组数据是否来自同一母体，验证两个批次试验数据能否融合。数据处理流程如图7所示。

3.2 数据分析结果

通过最大赋范残差MNR分析，四组试验数据均无异常；对无损伤试验数据进行分析，其两组数据均满足正态分布；利用Anderson-Darling检验方法检验两组数据均通过了来自同一母体的检验，故无损伤两批试验数据满足同一母体，且符合正态分布，其B基准值为1.321kN，分布规律如图8a）所示。其次，对损伤修复试验数据进行分析，满足正态分布，两组数据通过了来自同一母体的检验，分布规律如图8b）所示；其B基准值为1.214kN，达到了未损伤强度值的91.9%，离散系数为0.063，分散性较小。数据分析结果见表2。

根据制定的维修工艺实施维修，维修后蜂窝结构力学性能分散性小，剪切强度达到了未损伤结构的91.9%，其维修工艺稳定好，力学性能满足技术要求，可采用此工艺及验证的工艺过程实施该型直升机蜂窝夹芯结构修理。

4 结束语

针对某型直升机蜂窝夹芯结构典型半穿透性损伤，制定了维修工艺。结合维修工艺及维修技术要求，开展了多批次的工艺验证试验。利用数理统计方法，对试验结果进行了分析，分析表明某型直升机蜂窝夹芯结构半穿透性损伤修理工艺稳定，修理后结构强度满足技术要求。此次工艺及稳定性分析研究，为后续直升机复合材料结构损伤修理提供了支撑。

参考文献

[1]李璇. 先进复合材料的维修日益复杂[J].航空维修与工程，2018，330（12）：17-19.

[2]曹景斌. 航空复合材料的损伤与维修[J].科技创新导报，2019，16（12）：14-15.

[3]汪海，等.复合材料手册（第一册）[M]. 上海：上海交通大学出版社，2015.

作者简介

张金奎，高级工程师，主要从事直升机机械/结构修理。

鲁国富，高级工程师，主要从事直升机机械/结构修理。

*基金项目湖南省飞机维修工程技术研究中心开放基金资助，项目编号为FJWX202002。