787复合材料修理浅议

xlan1976 · 发表于 2013-1-14 02:43:36

本帖最后由 xlan1976 于 2013-1-14 03:08 编辑

昨日上爱坛，正好看见@大地窝铺兄一篇关于787的日志，看来就像大地兄这样搞了一辈子结构修理的老金工都对787那一身的复合材料怵头啊。。。。。。

小弟不才，恰好去年早些时候跑到新加坡去上了一个787复合材料修理检验员的课程，正好拿来跟大家分享一下，帮大地兄稍解心头之惑吧，嘻嘻

话说偶与复合材料也算稍有那么一点缘分，想当年在下大四作毕设的时候，正赶上系里一位老师作轻型机，于是系里就划拉了半班的同学去帮忙，实际上人家已经把大样做好了，我们就是去给做个计算画画图，把细节确定下来。大家东分分，西分分，小弟我分到了个前整流罩和座舱盖。那位老师也不知咋地一拍脑门，要追赶世界潮流，要我用复合材料作这个前整流罩和座舱盖，当然是玻璃纤维，要是跟787一样用碳纤维的，估计那位老师就是把脑门拍肿了也划拉不来那么多经费啊。。。。。。

玩笑而已。那个时候小弟对复材根本一窍不通，大学讲得都是线弹性体，这么个跟塑料似的东西那会啊，只好愁眉苦脸的找材料系的老师指导，最后总算凑合交差，材料系的老师一脸鄙夷的说，你们这玩意儿就是个纸糊的。。。

好了，闲篇扯完，下面说正经的。
首先声明，本人非专业复合材料修理人员，对于复合材料结构也就是个一知半解，一塌糊涂，一瓶子不满半瓶子咣当。。。。。。

总之，如有复合材料的大拿，欢迎拍砖，我好敛回去盖房。。。。。。

先说一下787的结构特点：

上图是787结构中复合材料比例和各部分使用的材料图示，由图可知，787不仅大量使用了复合材料，而且大部分区域使用了层压板结构（Laminate），之所以并不是我们所熟悉的玻璃纤维复合材料（GFRP）那种SANDWICH结构，是因为碳纤维复合材料（CFRP）不仅强度指标了得，就是刚度指标也不遑多让，所以不需要利用蜂窝结构来提高整体刚度。下面是787所使用的CFRP纤维与之前波音飞机使用的纤维机械性能对比：

注意这里指的是纤维，而不是最后成型的CFRP。
由于CFRP出色的机械性能，因此787上大量采用的是层压板结构（Laminate），而不必象GFRP那样，为了保证结构的刚度而采用SANDWICH形式，特别是蜂窝结构。因此，下面所讨论的，主要是CFRP层压板结构的修理，而SANDWICH结构的修理跟传统的GFRP材料是一样的。
先说一下飞机结构修理的大致程序。

上图是我自己画的，用来给航线的弟兄讲787结构检查和修理课程的。波音给了一个类似的图，比这个要详细，不过看着有点不太方便，而且还有个版权问题不是，所以大家将就看我这个土产的吧。。。

总之首先要检查发现，就是要确定是否有损伤，损伤的尺寸以及位置。
这些跟传统的金属结构区别不大，这里波音特别强调了高能钝器撞击（High Energy Blunt Impact）的检查。这是因为，在此类外物撞击下，在CFRP表面可能不会有太大损伤，甚至可能没有目视可见损伤，但在背面或内部可能已经出现纤维断裂或分层等问题。所谓高能钝器撞击波音也没有给出明确的文字定义。。。。。。（坑爹啊

）但在AMM05章，波音给出了几种典型的高能钝器撞击的情况和几种可以明显不认为是高能钝器撞击的情况。
典型的高能钝器撞击：
(a) An airport jetway that hits the fuselage at more than normal operational speeds or angles
(b) Ground Support Equipment that hits the structure at more than 2 mph (3 km/h) or violently shakes the airplane
(c) Impact by a blunt, high mass object at low speed
典型的一般外物冲击：
(a) Tool drops
(b) Hail strikes
(c) Bird strikes
所以至少目前来看，冰雹之类的对于787来说就是毛毛雨啦，大窝兄要郁闷了。。。。。。

对于高能钝器撞击，必须使用规定的NDI方式确认撞击区域和邻近结构有无内部损伤，其它情况，基本目视检查就可以了。
波音给出了两种航线可用的NDI方法。
一个是RDC方式，就是一个便携式的超声波探测仪，当然因为便携，所以功能很简单，见下图，不需专业的NDI人员，也不需专门培训，拿着说明书就可以用了。

另一个是金属敲击法，拿个硬币就可以搞掂，这个大窝兄肯定是高手，我就不废话了。。。。。。

其它的NDI方法嘛，根据手册要求采用，见下表，估计这个大窝兄比我懂得多，我就不班门弄斧了。。。。。。

其实就算是上面所列的高能钝器撞击，对787的CFRP外壳来说，也不会有太大的损伤面积。我在新加坡上课时，波音教员给我们演示，用金属锤猛烈敲击CFRP蒙皮结构表面，如果是在铝合金结构上，这一下肯定就是一个大坑了，但在787的CFRP蒙皮结构表面，造成的损伤必须在很近的距离才能目视可见，当然在背面确有一些纤维断裂，但面积很小，即便用RDC探伤，内部分层面积也不大于1cmX1cm，CFRP的机械性能就强悍如此。
确定损伤位置，这个是又一个787比较头疼的地方，因为复合材料是一次成型的，也就是说787的各机身段包括后面的绗条都是一起成型的，外露的联接件很少。。。不过好在隔框跟机身是使用螺栓连接的，所以可以通过它们找到绗条的位置，确定绗条安装边就可以确定损伤的具体位置了。见下图

上图的损伤在两根绗条之间，而且没有影响到安装边，应该比较好处理。
确认了损伤后，就要查SRM，确认是不是在ADL（Allowable Damage Limits）范围之内，如果在标准范围内，那就好办了，通常可以放行或是简单的用金属胶带封严一下就可以了，可以办理一个保留，也可以采取其它形式的记录，放到大级别定检中一并修复。
如果超出ADL范围，就要看SRM里是否给出修理反感，如果有现成的修理方案，就得大窝兄这样的高级人士闪亮登场了，航线或定检的维修人员是做不了的。。。。。。

但787比较特殊，因为大量使用复合材料波音也是头一回，所以很多损伤SRM都没给修理方案，这个时候就需要结构工程师出马，对于超手册修理，最省事的方法是跟厂家要个维修方案找局方批一下就完了，但这个通常要花钱。。。也可以自己设计，但这种方案局方批的时候需要厂家意见，通常这个结构工程师如果不是够牛的话，很可能厂家不认可。。。。。。

（废话，挡了人家财路）当然，如果你的工程部门有DMDOR资格就简单了，直接找适航/维修委任代表（通常就是另一个结构工程师。。。

）批一下就可以了。不过787比较特殊，估计开始的时候除了波音自己，没谁敢不通过波音自己搞个方案就批了。。。。。。

xlan1976 · 发表于 2013-10-27 16:23:23

库布其发表于 2013-10-27 15:37
3 x) d$ _, `* d0 d k3 x" J$ Y居然只有那么点点铝了。。。。+ Q9 k: u( I: s5 Y# \
5 M& t; Z4 I `4 p3 ^3 U
很好奇为什么钛的用量也上去了？是因为和复合材料的结合性能好么？ ...

两个原因。
先说主要的，碳纤维的电化学性能使得它与铝质材料接触时会加剧铝制材料的电偶腐蚀，所以在工程上不允许将碳纤维材料和铝质材料接触使用。
第二个原因，由于上面第一个原因，大部分情况下与碳纤维材料配合使用的是不锈钢材料和钛合金材料，因为这两种材料与碳纤维材料的机械性能相近，并且没有铝质材料的电偶腐蚀问题。而不锈钢材料的比重太大，大量使用会显著增加飞机的结构重量，这是绝对不能允许的

，所以钛合金材料的使用也就增多了

库布其 · 发表于 2013-10-27 15:37:35

居然只有那么点点铝了。。。。

很好奇为什么钛的用量也上去了？是因为和复合材料的结合性能好么？

五月 · 发表于 2013-10-27 12:55:21

PenPen 发表于 2013-1-14 11:48 $ a! r1 F0 S2 F
外面再罩一层防弹材料，凯夫拉一类的东东？! @& W8 X- G4 |5 \/ U
4 d7 S# S3 _- ^$ X% l i D: }" Z
要是没有快速维修办法，这些全复材的飞机就杯具了。在机场外 ...

阿富汗同学们应该开发一种霰弹狙击枪。咣一发霰弹过去，立马几十个地方需要修补。开维修单吧

xlan1976 · 发表于 2013-10-27 10:38:43

cyberpig 发表于 2013-10-27 05:50 1 o4 `. C* s3 E' ?( T
波音开始修复埃塞俄比亚航空在伦敦希斯罗机场着火的787.* n/ k# V7 @+ T: o4 b: m T
http://seattletimes.com/html/businesstechnology ...

应该是。这个要是能弄好，确实是很有水平。
stringer是桁条的意思，它没有梁那么强。787的机身外壳和内部的纵向桁条是一体成型的，所以补片肯定也是包含桁条的。
不知道这个8英寸的补强片是提前固化好的，然后用类似QCR的方法连接，还是到现场再铺好固化。如果是在现场作，应该会先采用DVD的方式制作补片。外表面的封胶应该也是树脂，一起固化成型，如果不是，那应该就是防腐之类作用的涂层，在全部固化工作完成后，再涂上去。
我比较感兴趣的是桁条处采用什么方法修补。之前波音给的方法是要把桁条连接处切掉，然后用钛合金补片使用盲螺栓连接。但这种方法会增加比较多的结构重量，不知波音现在有没有别的方法。

cyberpig · 发表于 2013-10-27 05:50:14

本帖最后由 cyberpig 于 2013-10-27 09:24 编辑

波音开始修复埃塞俄比亚航空在伦敦希斯罗机场着火的787.
http://seattletimes.com/html/bus ... 9_787repairxml.html

波音估计修复要花要5周，加上之后的测试埃航估计2个月后可以恢复飞行。
修理方案是打补丁而不是整个后段替换。整体替换的工作量太大成本太高。
波音先在北卡工厂造了一个后段机壳。然后裁剪下需要的补丁。（机壳的其它部分也裁成补丁可以供以后的修复用）
把火灾损害部分剪裁下来，按形状修剪补丁。然后把补丁镶嵌到机壳上，外面用密封胶粘好。
在机壳内侧沿接缝粘上8英寸宽的补强片（每边有4英寸的重叠）用加热毯真空包固化树脂。
除了机壳外还需要修复stringer（机身纵粱？）

不知道这个补丁的大小有多大。
现在大家都拭目以待看787的第一次打大补丁效果如何。
这应该是民机上碳纤维材料大面积修复的第一个案例了吧

xlan1976 · 发表于 2013-1-18 10:50:57

本帖最后由 xlan1976 于 2013-1-18 10:58 编辑

隧道发表于 2013-1-18 08:05 ' S. C, D" d6 H& y0 V5 P4 H, S( }* y
都用呗，用蜂窝结构搞两层，跟潜艇一样。给飞机穿件衣服。外面破了稍微补补。, m, z, P) @% k
大修的时候拔掉，换上新的 ...

那是不可能滴

所谓飞机设计就是为减轻每一克重量而奋斗，谁要是敢这么搞，总师得眼睛喷出火来

，然后把他拎着脖领子从窗户扔出去。。。

你猜是先啪还是先啊

玩笑一下，说正经的，对于飞机来说要想尽办法减小阻力，客机还要尽量增大内部空间，所以不能象潜艇那样奢侈，而且，那个内饰材料的机械性能不够，不能做飞机蒙皮材料。。。

隧道 · 发表于 2013-1-18 08:05:15

xlan1976 发表于 2013-1-17 02:55
" p) j) F6 X% J8 N4 v- M得有数据才行，模量值是多少？碳纤维CFRP成型后的模量值跟钢差不多，强度指标也跟高强度合金钢差不多甚至 ...

都用呗，用蜂窝结构搞两层，跟潜艇一样。给飞机穿件衣服。外面破了稍微补补。
大修的时候拔掉，换上新的。

xlan1976 · 发表于 2013-1-18 02:29:11

蓦然回首发表于 2013-1-18 01:16
6 ]7 E1 P' b/ c# W4 r1 G内饰板啊~。
3 u' @; s3 v, x- ]5 W求教比这个材料的模量高重量轻阻燃性能好价钱低的材料 ...

那我哪知道啊，问村长切

开个玩笑，我以为你是说这个材料跟CFRP怎样呢。我对内饰材料不了解。

蓦然回首 · 发表于 2013-1-18 01:16:26

xlan1976 发表于 2013-1-17 19:00
' W8 D# U/ O2 X2 w5 L0 w! X9 E那就差的远了，大约是钢的1%-1.5%，碳纤维跟钢差不多。。。

内饰板啊~。
求教比这个材料的模量高重量轻阻燃性能好价钱低的材料

xlan1976 · 发表于 2013-1-17 19:00:00

蓦然回首发表于 2013-1-17 18:49
/ q1 F$ m; N% ~% r# D0 I我查了一下，ISO527标准测试，2300Mpa

那就差的远了，大约是钢的1%-1.5%，碳纤维跟钢差不多。。。

蓦然回首 · 发表于 2013-1-17 18:49:58

xlan1976 发表于 2013-1-17 02:55
( n, s& ?* v* Y8 m# \得有数据才行，模量值是多少？碳纤维CFRP成型后的模量值跟钢差不多，强度指标也跟高强度合金钢差不多甚至 ...

我查了一下，ISO527标准测试，2300Mpa

xlan1976 · 发表于 2013-1-17 12:51:23

holycow 发表于 2013-1-17 04:55 [. x$ X' p- n+ B* M$ K8 A& `
以前去Renton工厂737总装线的时候和当班经理闲聊，据他说737机体分段从堪萨斯用火车运到Renton的途中老是被 ...

哇，还有这事儿，现在787的总装搬到南卡去了，莫非就是为了躲这些红脖子？

波音太不厚道了，这事儿居然不说，我在RENTON监造的时候，从来没见波音发的NRC提过类似的事情。

holycow · 发表于 2013-1-17 04:55:48

以前去Renton工厂737总装线的时候和当班经理闲聊，据他说737机体分段从堪萨斯用火车运到Renton的途中老是被中西部的红脖子用枪当靶子打，到了Renton以后第一件事就是查洞和补洞。

787的复材要是这样哪受得了，所以要用特制的大肚子蝈蝈版747空运。

xlan1976 · 发表于 2013-1-17 02:55:28

蓦然回首发表于 2013-1-17 01:50 m* P- p2 V0 p. m- ]
似乎主要讨论的是承压件。我知道内饰减重大量用到一种结构发泡材料，PEI，poly-etherimide，聚醚酰亚胺。每 ...

得有数据才行，模量值是多少？碳纤维CFRP成型后的模量值跟钢差不多，强度指标也跟高强度合金钢差不多甚至更高。PEI是多少啊？正因为CFRP的模量值跟钢差不多，所以CFRP不需要采用蜂窝结构，层压板就可以了。
还有，飞机的机身结构主要承受的内力是剪流和弯矩，不是压力。。。

蓦然回首 · 发表于 2013-1-17 01:50:01

似乎主要讨论的是承压件。我知道内饰减重大量用到一种结构发泡材料，PEI，poly-etherimide，聚醚酰亚胺。每厘米厚度每平米克重0.6公斤，刚度很好，可以替代蜂窝结构，阻燃性能非常好。

xlan1976 · 发表于 2013-1-15 13:18:45

誉行发表于 2013-1-15 12:54 0 ]8 M7 i) ?2 x- { A" k
在国内，至少在有效的资料确定之前，最合理的方式就是做成短周期检查项目，靠勤检勤查来避免可能的隐患。 ...

这个嘛，现在都讲究RCM了，凡是不能有效维持系统可靠性和预期可靠性变化的维护工作在领导眼里都是深恶痛绝的。。。至少我们这里是这样的，因为现在机务人工成本也是噌噌的。。。

。当然确保安全是绝对的。
波音给出的建议是只要外部目视检查没有问题并且没有发生高能钝器撞击，就不需要额外的检查工作。另外波音在按照MSG-3制订787的MRB时已经对复合材料结构的定期检查工作和检查间隔有过考虑，这个我记得以前在波音上MSG-3的课时他们讲过，但具体内容我不太清楚，这个要看787的MP。

誉行 · 发表于 2013-1-15 12:54:53

xlan1976 发表于 2013-1-15 11:21
/ a0 j- w! U9 a+ A- {; o这个嘛，GFRP确实存在这样的问题，所以GFRP普遍采用蜂窝结构以增强整体结构刚度和容限。CFRP这方面比GFRP ...

在国内，至少在有效的资料确定之前，最合理的方式就是做成短周期检查项目，靠勤检勤查来避免可能的隐患。

当然，苦命的一线工作就又要增加了，反正人工也不贵么。

xlan1976 · 发表于 2013-1-15 11:21:50

誉行发表于 2013-1-15 08:37 x3 ~' b& W5 U$ f! T7 U* L4 F, z
我们的一个结论是，在已经受损的情况下，复合材料的耐用性存在问题。
1 }- y: e" G c+ D2 c: U. o( s# o& ^) h" K
简单的说就是缺少轻伤不下火线的能力 ...

这个嘛，GFRP确实存在这样的问题，所以GFRP普遍采用蜂窝结构以增强整体结构刚度和容限。CFRP这方面比GFRP要强，但强到啥程度我也没经验，不过嘛，现在飞机都是损伤容限设计，波音在设计阶段就必须考虑这个问题，当然它考虑的合不合适又是一个问题。。。

从全寿命使用成本的角度考虑，虽然复合材料单次的修理成本高，但修理的频次会减少，所以整体成本应该可以接受，但需要时间的检验。

誉行 · 发表于 2013-1-15 08:37:05

我们的一个结论是，在已经受损的情况下，复合材料的耐用性存在问题。

简单的说就是缺少轻伤不下火线的能力，复合材料不容易受伤，但是受伤了就得撤下，基本就是这个感觉。

不过对大多数维护人员来说这些都不是问题，坏了就修呗，但是对航空公司来说这个成本就要考虑了。

反正我们的观点是安全第一，成本什么的让领导去操心吧。

		自动登录	找回密码
密码			注册

[工程技术] 787复合材料修理浅议

评分