现代民机复合材料结构MSG—3分析研究

  复合材料在现在民机上的运用,可使飞机结构减重25%左右,结构设计成本减少22.5%左右,所以复合材料用量高的民机的生产技术成本以及飞行运行时的燃油损耗都会大幅度降低,复合材料结构在现代民机中的应用越来越广泛。同时,复合材料因其特殊的强度、刚度、稳定性等性质,在飞机停场或者运行的过程中经常会出现不同程度的损伤,为了高飞机的安全性和持续适航性,就需制定高效、准确、经济的维修任务。 
  MSG-3是现有制定飞机维修大纲的指导思想,它的核心是以可靠性为中心的维修性(RCM)分析方法来制定维修大纲,已经普遍应用于现代民用飞机的维修上。本文在MSG-3逻辑分析方法制定的结构预定维修/检查求基础上,引入复合材料结构项目,通过逻辑推理和信息整合,改进了现有的结构预定维修/检查求流程图,从而建立了复合材料结构维修流程图,为现代民机复合材料结构维修大纲的制定打下基础。 
  1 基于MSG-3复合材料结构维修分析流程 
  1.1 MSG-3介绍 
  MSG-3是制定民用飞机维修大纲的参考性和指导性文件。根据局方的求,应将最新MSG逻辑流程应用于民用飞机的维修大纲制定中。例如制定一份维修审查委员会报告,MSG-3的主目的是便于制定初始状态的预定性维修大纲。根据航空器审定运行能力的范围和求,需在分析流程里确定全部预定性维修工作和间隔。 
  用最少的实际费来保证部件安全运作是MSG-3的主目的,同时在确定目标的过程中,弄清飞机的安全性和可靠性水平的缺陷是维修大纲不能改变的。维修大纲在正常状态下的实施只能预防这些固有特性的恶化,加入飞机的这些固有特性出现异常,一定采用工程方面的行动进行改进。 
  29年修订的MSG-3是现有的最新版本,利用该版本的基本核心原理制定的维修大纲主包含系统/动力装置、飞机结构、区域检查、闪电/高强度辐射场这四个部分。相应的MSG-3分析的基本方法也分为这四个部分的内容。每个部分都包含各自的逻辑决断图或程序以及相应的解释性内容。 
  用最新修订的MSG-3原理制定的维修大纲包括四个主部分,即系统/动力装置部分(包括部件、附件和辅助动力装置)、飞机结构部分、区域检查、闪电/高强度辐射场部分。与之相对应,MSG-3的分析方法也分成这四个部分。每一部分都包含有各自的解释性内容和相应的逻辑决断图或程序,可以相互独立使用。其中,关于飞机结构部分的MSG-3分析流程如图1所示 
  图1 MSG-3结构逻辑流程 
  目前,MSG-3已经快速成为民用航空维修领域任务分析的支柱,它强调的是以可靠性为核心的维修/维护,然而很多民用飞机的制造商、飞机营运人以及修理厂家对此还是保持反对态度,他们认为在定期维修时对部件进行更换,比定期检测以及只在必须时才考虑更换部件的方式更为安全有效。 
  1.2 维修求确定 
  因为复合材料结构本身的特性,结构维修大纲里复合材料结构的评估流程与金属材料结构的评估流程是不同的。在MRB结构工作组流程中,在对复合材料结构进行MSG-3分析的同时制定维修求时,依据“损伤无扩展”的设计理念,来验证对应的复合材料结构件,与疲劳损伤(FD)有关的分析是不求的,但需对复合材料结构展开环境损伤(ED)和偶然损伤(AD)的分析研究。 
  偶然损伤(AD)评级根据三个方面损伤的及时探测性、偶然损伤敏感性和损伤后剩余强度。环境损伤(ED)依照损伤敏感性和及时探测性来评估其等级。 
  将上述评断出的环境损伤(ED)和偶然损伤(AD)的等级,再与复合材料结构等级相结合,然后将这三组信息进行整合分析并计算,这个计算结果就是折算后的环境损伤等级,从而最终得到了检查工作内容和检查间隔,因此也确定了最终的检查求,如图2所示 
  图2 确定复合材料维修求简化流程 
  图2的检查间隔主包括重复检查间隔值和检查门槛值,根据图2可以将这些值都计算出来。同时检查工作分为详细检查、一般目视检查和特殊详细检查。这些工作的具体展开也将通过图2中的求。 
  1.3 复合材料结构维修MSG-3分析流程 
  飞机制造国适航管理部门审批过的MRB以及飞机制造商制定的MPD是航空公司等运营人最终确定维修方案的依据。MRB中规定的维修求在维修方案的初始制定过程中必须体现出来。 
  具体操作有在确定飞机部位和区域后,接着确定复合材料结构项目,而不是传统流程中笼统的飞机结构项目。当进行到按SSI分类列表这一步后,因为前面已经确定了是复合材料结构,所以这里就不存在传统流程中的考虑SSI是否是损伤容限项目,从而直接到下一步进行项安全寿命分析,如图3所示 
  图3 MSG-3复合材料结构逻辑流程 
  2 检查方式及方法的确定 
  2.1 检查方式的确定 
  当结束对结构损伤部件进行全面的检查以及对损伤程度和损伤范围制定无误的评定后,方可确定维修方案。GV/GVI、DI/DET和SI/SDI是复合材料结构损伤三项主检查方法。根据检查的结构形式、损伤类型、损伤的可接近性质等因素以及可实施性、实施的难易性来确定选取何种检查方式。根据GV/GVI的内容来观察内部或外部区域,从而发现不正常的迹象,寻找到明显的故障或者损伤。此类的检查常见应该是在能够身体接触的范围内开展的,除非有相关内容明确规定了。如果供了必的工作台等设备,在拆卸或者打开维修口盖、门的条件下,可能会更充分地接近检查区域范围。DI/DET的实施过程中可以求利用复杂的接近手段以及在表面相对清洁的情况下开展,同时还可以借助常见的检查工具。SI/SDI的实施条件相对复杂些,有的时候需借助特殊的检查设备和技术,甚至对检查对象的接近性和清洁程度有严格的求。
  2.2 检查方法的确定 
  选取正确的检查方式主根据以下因素被检测对象的损伤类型及范围、复合材料的几何形状以及结构形式。在现代民机复合材料结构上的损伤检查的主方式见表1 
  表1 检查方法及使用范围表 
  序号 检查方法 使用范围 
  1 目视检测法 检测损伤位置、损伤面积和损伤程度,采用目视检测法 
  2 敲击法 检测分离、脱胶、基体软化和某些裂纹采用敲击法 
  3 超声法 检测孔隙含量、分层、层间疏松、胶结剂气孔和疏松、裂纹以及夹杂等采用超声法 
  4 软X射线法 检测夹层板中蜂窝芯和胶结剂中的损伤和缺陷以及夹杂等采用软X射线法 
  5 激光全息法 检测复合材料结构近表面的纤维断裂、基本裂纹和分层采用的是激光全息法 
  6 声谐振检测法 同时,检测复合材料结构中的疏松、气孔和分层还可以用声谐振检测法 
  对复合材料结构部件损伤的处理方式的主步骤首先彻底检测损伤部件的受损程度和范围,然后根据部件的不同损伤来评估具体的处理程序,最终完成整个部件损伤的处理。 
  3 维修大纲制定 
  在MSG-3复合材料结构分析的基础上,将上述最终确定的检查方法和计算得出的检查间隔等内容进行综合分析评估,同时考虑每种检查任务的可接近性方式,最后可以得到预定检查复合材料结构件的分析内容,这些是可以作为维修大纲的重内容的,并交给工业指导委员会(ISC),然后由ISC确定维修大纲建议书(MRBRP),交给航空制造商,同时根据MOD、MRBR等,MS最终随之形成。具体流程如图4所示 
  图4 复合材料结构MRBR制定机构和流程 
  4 结语 
  维修大纲的制定涉及到方法、策略、经验、技术等方面是一个严密、细致而又复杂的过程。有针对性地制定维修方案/维修大纲,为维修工作带来了便捷,有效地高了维修人员的工作效率。 
  参考文献 
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  作者简介刘素娟(1987-),女,湖北黄冈人,供职于上海飞机客户服务有限公司,硕士。 
  (责任编辑黄银芳)