1、上海民航职业技术学院毕业论文飞机复合材料蜂窝结构的损伤检测及维修专 业： 飞机结构维修 班 级： 学 号： 姓 名： 完成日期： 指导教师: 上海民航职业技术学院毕业设计(论文)I摘要复合材料中的蜂窝芯结构由于其良好的结构性能与力学性能，以及其减少材料和减轻重量的特点，已经被广泛地运用于航空领域。虽然蜂窝芯结构是一种特殊的结构用复合材料, 但由于人为因素或者其他各种突发事件和自然因素，会对蜂窝结构造成不同程度和形式的损伤，而含损伤的复合材料结构会大大降低其剩余强度。那么针对其不同的损伤加以检测并且判断损伤程度，从而进行维修就显得尤为重要。本文介绍了蜂窝结构的应用，结构和性能优点，并集中阐述了其
2、不同的损伤形式，以及相对应的不同维修方法。而在检测和维修过程中会用到的各种不同类型的工具仪器，也在本文中进行介绍。关键词: 蜂窝芯结构，结构性能优点，损伤，维修，检测修理工具上海民航职业技术学院毕业设计(论文)IIABSTRACTComposite honeycomb core structure, with good structure and mechanical properties, as well as the characteristics of their material and weight reduction, has been widely used in the avi
3、ation sector. Although the honeycomb core structure is a special structure made of composite material , but due to human factors or other emergencies and natural factors on honeycomb structure to varying degrees and forms of injury, but the injury will greatly reduce its residual strength of composi
4、te laminates. According to their different test and determine extent of damage and repair is particularly important. This paper introduces the application of honeycomb structure, structure and performance advantages, and focuses on the different forms of injury, and different methods. Inspection and
5、 maintenance process using a variety of different types of tools and instruments, are introduced in this article. Key words: Honeycomb core structure, structural advantages, injury, repair, inspection repair tools上海民航职业技术学院毕业设计(论文)III目录 绪论 1第一章蜂窝结构在飞机上的应用与特点 21.1 蜂窝结构的应用 21.2 蜂窝结构的特点 2第二章 蜂窝夹层结构的损伤形
6、式与检测方法 42.1 损伤形式 42.1.1 表面侧层板损伤 .42.1.2 脱胶损伤 .42.1.3 内部蜂窝损伤 .42.1.4 内部积水 .52.2 检测方法 52.2.1 通常的检测方法 .52.2.2 特殊的检测方法 .6第三章 蜂窝结构维修方法 83.1 维修方法的选用 83.2 维修方法的介绍 83.2.1 脱胶损伤的维修 .83.2.2 穿透性的表面及内部损伤的维修 .93.3 积水的排除 9第四章 蜂窝结构损伤检测与维修时工具仪器 .114.1 检测工具 .114.1.1 目视检测工具 114.1.2 敲击检测工具 114.1.3 无损检测工具 114.2 维修工具 .11
7、第五章 总结和展望 .13参考文献 .15致谢 .16上海民航职业技术学院毕业设计(论文)1绪论1“采得百花成蜜后，为谁辛苦为谁甜？”辛勤劳作的蜜蜂是大自然的精灵，而它们用集体的智慧构筑的蜂窝更是大自然鬼斧神工的代表作。蜂窝的结构引起了科学家们的极大兴趣。经过对蜂窝的深入研究，科学家们惊奇地发现开发出了具有蜂窝结构的材料，在飞机结构的应用中大显身手 1。蜂窝结构复合材料发展于 50 年代末，其拥有轻质、高强、各向异性等特点。 2蜂窝夹层结构的密度小,可以明显的减轻结构重量，它的导热系数低，可以作为绝热和保温构件使用，它的比强度和比刚度高，可根据特殊的要求进行各向异性设计与制造 2。但它也是较容
8、易出现损伤的构件，常见的有：表面侧层板损伤；脱胶损伤；内部蜂窝损伤；内部积水等。通过对其不同损伤的检测后，再选用合适的维修方式，例如：贴补法；挖补法；积水排除等手段，对其进行损伤维修。上海民航职业技术学院毕业设计(论文)2第一章 蜂窝结构在飞机上的应用与特点1.1 蜂窝结构的应用与实心材料相比蜂窝结构复合材料使用的有效材料仅为被代替材料的 1-5%，它显然是一种用料省，耗能小的极具潜力的轻质材料。在现实生活的许多应用中，蜂窝芯复合板材几乎可以完全替代各类实心板材的使用。由于飞机飞行的环境条件比较苛刻,因此具有：高强度，抗冲击性和刚度，良好的耐疲劳性，阻燃性，减重及抗腐蚀等许多独特性能的蜂窝结构
9、复合材料，便成为了诸多材料的中首选的翘楚。因此在如今的航空领域，蜂窝结构复合材料已经大量地应用于飞机的各个关键或次要部位。3目前全世界主要的飞机制造公司生产的飞机地板、尾翼等构件有很多都是采用全复合材料夹芯结构的;B 一 58 轰炸机应用蜂窝夹芯材料的面积占整个飞机外形面积的 85%以上:F 一 In 型战斗机采用蜂窝夹芯材料的面积占整个飞机外形面积的 90%以上。波音 747 客机上的蜂窝夹芯结构用量多达 4000 扩,而且它采用了一种更加新颖的蜂窝夹芯材料做地板,飞机由此减轻的重量足以增加 7位乘客 3。1.2 蜂窝结构的特点蜂窝是由一个一个排列得整整齐齐的等边六角形组成的，特殊的结构赋予
10、了它特殊的物理性能。根据应用目的的不同，对蜂窝物理性能要求不要同，与其结构所对应的参数也是截然不同。 而其夹芯板，是由两块高强度的面板和中间夹着一层质轻，但由其特殊结构所带来的高强度的夹芯层所组成。通常用粘接剂将上、下两块面板与芯子胶接成为整体结构。面板通常采用复合材料层压板、金属板、胶合板和硬塑料板等,蜂窝芯子由各种纤维如玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酞胺纤维、纸、棉布等浸渍上树脂而制成 与传统材料相比,蜂窝夹层结构复合材料的主要特点如下:(l)发挥复合效应的优越性。蜂窝夹层结构复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的,但它并不是由几种材料简单的复合,而是按复合效应形成新的性能,这种复合效应是夹层
11、结构复合材料仅有的。例如当夹芯板承受弯曲载荷时,上蒙皮被拉伸,下蒙皮被压缩,芯子传递剪切力。从力学角度分析,它与工字梁很上海民航职业技术学院毕业设计(论文)3相似,面板相当于工字梁的翼缘,芯材相当于工字梁的腹板。不同的是芯材与面板不是同一材料,芯材是分散的,而不是集中在狭腹板上。由于轻质夹芯的高度比面板高出几倍,剖面的惯性距随之四次方增大,且面板有夹芯支持不易失稳。(2)材料性能对复合工艺的依赖性。蜂窝夹层结构复合材料在形成的过程中存在着材料的物理和化学变化,过程非常复杂,因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性大,同时也由于在成型过程中很难准确的控制工艺参数。(3)可设计性。可用
12、作蜂窝夹芯结构的材料很多,设计时可以根据夹层结构的力学性、功能性要求而定。如撞击、保温、隔音、吸振、防弹、隐身等。蜂窝芯有高剪切性能,轻木芯有高压缩性能,而泡沫芯有好的绝热性能。而且可以得到光滑或平整的表面,气动性能良好。(4)重量轻,刚性大。蜂窝夹层结构面板很薄,与实心相比要轻得多且刚性大,减重效果极为明显,是一种高效结构材料。上海民航职业技术学院毕业设计(论文)4第二章 蜂窝夹层结构的损伤形式与检测方法2.1 损伤形式4目前的蜂窝夹层结构复合材料主要分为铝蜂窝夹层结构复合材料、Nomex纸蜂窝夹层结构复合材料、玻璃钢夹层结构复合材料、棉布蜂窝夹层结构复合材料等,其中玻璃钢夹层结构复合材料已
13、得到广泛的研究和应用。蜂窝夹层结构复合材料的性能主要由蒙皮和蜂窝芯材料的性能所决定,这些性能主要包括蒙皮的厚度与材质,蜂窝芯材的高度、材质、密度、孔格大小以及形状等 4。但是复合材料蜂窝结构在生产制造和使用过程中会不可避免地存在某些缺陷或遭受损伤，而这些损伤，常常会破坏蜂窝板的性能，从而对飞机的正常飞行产生威胁。常见的类型大致有：表面损伤，脱胶损伤，内部蜂窝结构损伤，内部积水等。2.1.1 表面侧层板损伤这类损伤包括表面擦伤、划伤、局部轻微腐蚀、表面蒙皮裂纹、表面小凹坑和局部轻微压陷等。空气动力、工具坠落、自然因素和生产制造工艺缺陷，如：板件厚度不够，面板太薄，强度不够等原因会使飞机蜂窝结构产
14、生这类损伤，但一般对结构强度不产生明显的削弱。2.1.2 脱胶损伤面板与面板之间或面板与夹芯之间的脱粘缺陷。这类损伤一般是由于积水，结冰，制作缺陷和温度等因素变化导致蜂窝结构发生膨胀板，夹芯与蒙皮等容易开脱。外观不会产生太大变化，这种损伤不易被发现缺陷，在反复使用过程中缺陷将有所扩展。脱粘面积过大会使夹层结构的力学性能大幅度下降，这种损伤应及时发现并予以修理。2.1.3 内部蜂窝损伤内部蜂窝损伤常见的有：蜂窝芯局部塌陷，蜂窝芯压扁，蜂窝芯剪切皱折，蜂窝芯破坏。造成内部蜂窝损伤的原因有板件自身原因或外界原因。蜂窝芯预固化不完全，固化压力过大会将蜂窝芯压扁。局部压力偏大,部分蜂窝会失稳甚至是塌陷。
15、剪切模量过小,压缩强度太小，胶粘剂强度过低,会使上海民航职业技术学院毕业设计(论文)5蜂窝芯剪切皱折。单侧面板局部压陷、破裂或穿洞，会使面板和蜂窝芯都受到损伤，对气动性能和结构强度影响较大。蜂窝部件穿透损伤，面板和蜂窝芯较大范围的残缺损伤，这类损伤对结构性能和强度有严重的影响。2.1.4 内部积水由于蜂窝结构边缘及对接缝处密封不严或密封遗漏。或在长期使用过程中 由于雨水渗漏或水汽冷热交替造成蜂窝夹芯有积水存在。一般情况蜂窝内部积水不会造成严重影响，但在冬季气温变化时，由于结冰膨胀会造成局部面积脱粘；另外在水的长期浸泡下会使胶接强度降低。所以，这种损伤也不得忽视。2.2 检测方法对于出现的缺陷和
16、损伤在确定修理之前,我们必须对其进行检查评估。对于表面损伤可采用目视检查。对于分层、脱胶等内部缺陷和损伤可目视检查初步确定损伤面积和位置,然后用无损检测方法精确确定损伤区域。只有通过检测，清楚地了解了损伤的程度和区域之后，才能选用合适的维修方法进行维修。2.2.1 通常的检测方法通常使用的是目视检测法和手锤敲击法。目视检查法是使用最广泛、最直接的无损检测方法。主要借助放大镜和内窥镜观测结构表面和内部可达区域的表面，观察明显的结构变形、变色、断裂、螺钉松动等结构异常。它可以检查表面划伤、裂纹、起泡、起皱、凹痕等缺陷；尤其对透光的玻璃钢产品，可用透射光检查出内部的某些缺陷和定位，如夹杂、气泡、搭接
17、的部位和宽度、蜂窝芯的位置和状态、镶嵌件的位置等。手锤敲击法，用于单层蒙皮蜂窝结构。用手锤敲击蜂窝结构的蒙皮，根据不同的声响来判断蜂窝结构是否脱胶。敲击时，注意锤头与蒙皮垂直，力度适当，以能判断故障不损坏蒙皮表面为宜。为使判断准确，可先在试件上试验。敲击回声清脆是良好，沉闷是脱粘。如图2.1。上海民航职业技术学院毕业设计(论文)6图 2.1 敲击检测法示意图2.2.2 特殊的检测方法外场在位检测的便携式相控阵超声波C扫描检测系统。如图2.2图2.2 复合材料便携式相控超声波探伤随着便携式相控阵超声波探伤仪技术的发展，超声C扫描复合材料外场在位检测已经可以实现；它具有很高的检测分辨率，可以定位损
18、伤所处的纤维层；且无需耦合，可用于平面、曲面及装配后结构件的检测。只需针对不同的材料和结构形式，按要求调整回波间隔方式和回波幅度方式便可成像，能更直接快速的NDT检测蜂窝结构分层和内部脱胶损伤情况。特殊的检测方法可以做到深度全面而又直观的检测，能够精确确定损伤区上海民航职业技术学院毕业设计(论文)7域。主要针对蜂窝内部的，无法用肉眼看到或者物理方法进行判断的损伤。不仅直观精确地显示了损伤的部位和形式，并且在检测过程中不会对被测件加重或者造成损伤，直观便捷。上海民航职业技术学院毕业设计(论文)8第三章 蜂窝结构维修方法3.1 维修方法的选用复合材料蜂窝结构的损伤会大大降低结构的强度。而飞机在其飞
19、行过程中,各种突发事件和环境等因素等,都会不可避免地给它带来各种损伤。对于受损结构,为增强其安全性、可靠性,保证其在寿命期内的正常使用,恢复其使用功能和完整性,对它进行维修是十分必要和重要的。5但由于现代飞机设计、制造成本昂贵,而飞机蜂窝结构的损伤绝大多数具有局部性和多发性的特点,对于那些不很严重的损伤,更换损伤结构,非但不必要,而且将花费大量的人力、物力和财力,延长飞机的停飞事件,造成浪费。这时,最经济、最有效的方法就是对结构的受损部位进行修理。由此可见,使用合适的方法修理受损的蜂窝芯结构材料是非常必要而且重要的 5。蜂窝夹芯结构的主要损伤包括蒙皮和蜂窝芯的损伤、分层及脱胶。根据蜂窝夹芯结构
20、的损伤程度,主要的修理方法包括注射修理脱胶，以及挖补、贴补修理比较严重的损伤。面板损伤一般可采用填平修补及补片修补;蜂窝芯子的损伤一般可采用换芯修补和灌注修补;当出现混合损伤时要采用混合修补。在本文，主要针对脱胶损伤，穿透性的表面及内部损伤和内部积水的维修方法进行介绍。3.2 维修方法的介绍3.2.1 脱胶损伤的维修蜂窝夹芯结构的面板和芯子的脱胶损伤,对于这一类的损伤修理，脱胶区域不大的轻微脱胶损伤,如果没有内部蜂窝的损伤,可以用注射胶粘剂的方法修理。对于脱胶区域较大的损伤,则可采用挖补、贴补法修理。注射胶粘剂的修理方法，将检查的脱粘范围标在蒙皮上。按配比条件配制胶，用注射器往脱粘的缺陷里注胶
21、，直至有胶溢出为止。注胶时应使脱胶面倒置，以保证胶液停留在脱粘区蜂窝夹芯的根部。当胶水溢出时停止注胶，置部件于室温 24 小时固化，清理表面剩余的胶水。修补后用无损检测仪器检查修补质量。外形应光滑平整。各蜂窝结构的缺口变形等缺陷的修补方法雷同，可先上海民航职业技术学院毕业设计(论文)9将缺陷修光，然后用修补胶胶接一块能包复整个缺陷两侧的补片即可。3.2.2 穿透性的表面及内部损伤的维修挖补法：通过打磨受损表面，直至蜂窝芯内部，找出损伤的蜂窝加以修理，再使用铺层对其表面进行修理，使整块蜂窝板的损伤和力学性能得以修复。如图 3.1 和 3.2 便是挖补法中，挖去受损蜂窝，然后使用蜂窝或发泡胶进行修
22、理。再对表面进行铺层的维修方法。图 3.1 挖补法替换受损蜂窝示意图 图 3.2 挖补法表面铺层示意图具体维修步骤如下：找出损伤区域；打磨、割除损伤；抽真空干燥待修部件；清洁维修区域；填补损伤蜂窝；用胶膜、发泡胶修理蜂窝；制作铺层；进行铺层；真空热补仪固化维修；维修质量检测并打磨恢复漆层。3.3 积水的排除6对检查出的积水区按需要在下翼面钻不大于直径为 2 毫米的小孔排水；上海民航职业技术学院毕业设计(论文)10用 120 摄氏度的电热器烘干，确认无积水后经排水孔注入胶，再经过加温固化，最后用声阻仪检查确认无脱粘后交付使用。对进行排水处理的蜂窝要认真检查密封情况，并对排水区用胶认真密封孔洞 6
23、。上海民航职业技术学院毕业设计(论文)11第四章 蜂窝结构损伤检测与维修时工具仪器4.1 检测工具4.1.1 目视检测工具目视检查一般用于观察外部区域，寻找明显的损伤。所以基本不需要工具，但在检查细小的损伤时，需借助工具的辅助来进行观察，如手电、放大镜、折射镜等辅助工具。必要时，可以用内窥镜等特殊设备来观察蜂窝内部损伤。4.1.2 敲击检测工具敲击检测是通过手锤敲击产生的声音的差别来判断损伤的。随着技术的进步，逐渐有了许多工具代替了手锤的作用，它们不仅省力，更是细化了敲击的力度、范围，使得敲击检测更加地可靠。可控的力度，使板件在检测过程中不会受到损伤；精确的敲击范围，可以更方便直观地知道损伤区
24、域。甚至有些敲击工具可以自己检测损伤发出提示声音，从而不需要检测人员的经验和主观判断了。4.1.3 无损检测工具6声阻仪，国产 SZY-型声阻探伤仪是用于飞机薄蒙皮蜂窝结构外场检验的仪器。可以检验蜂窝胶接结构的胶层脱粘和胶层疏松情况 所检测的金属胶接结构板胶接在一起的总厚度应小于 1.5mm。它不适于检测蜂窝格子边长大于 5 mm 和蒙皮厚度小于 0.3mm 的蜂窝胶接结构。X 射线探伤机 ，TS1605-2 型携带式 X 射线探伤机适用于外场检验，一般可用作 12mm 以下厚度钢板的内部探伤，也可用作探测蜂窝结构内部的夹芯开裂、积水等事故 6。热成像仪，采用红外热像仪实时监视表面温场，通过计
25、算机完成图像采集，针对不同试件材料特点采用不同的图像处理方法进行处理。4.2 维修工具7在复合材料蜂窝结构的热修理固化过程中，需要对修理部位进行加温，上海民航职业技术学院毕业设计(论文)12在冷修理过程中，有时为加速固化过程，也需要对修理部位进行加温。常用的加温设备有烘箱和加热毯，有时也可以选择使用热压罐。要注意的是，使用烘箱和热压罐时，它们的容积必须能容纳所修理的部件。使用加热毯的尺寸必须至少超过修理补片。当然在修理的固化过程中，除了加热还需要采用抽真空的办法对修理部位施加压力。所用的抽真空设备必须能保持 22in 汞柱的最低压力。 7如图 4.1，就是在维修中经常用到的真空包和热补仪。图
26、4.1 真空包和热补仪上海民航职业技术学院毕业设计(论文)13第五章 总结和展望本文对复合材料的应用，特点，损伤形式维修方法作了介绍，有如下结论：（1）复合材料蜂窝结构，有着优越的结构与力学性能。蜂窝板凭借其强大的物理性能，及节省材料的特点，几乎可以完胜其他所有的实心板材。因此在航空领域得以广泛地使用。（2）恶劣的环境，人为因素和自身生产质量等多种原因都有可能对蜂窝结构材料造成损伤。不同的原因，会造成不同的损伤，但是结果都是会影响飞机的安全。（3）蜂窝结构材料，由于其使用面积大，损伤区域分布广，损伤面积普遍小和损伤程度多样化等特点，使得整体更换材料成本远远大于维修。但蜂窝板的损伤无论大小，都或
27、多或少的会对蜂窝材料的力学性能产生影响甚至破坏，因此，蜂窝结构的维修必须重视。（4）想要维修损伤，就先要检测、判断损伤区域与损伤程度，这样才能应对损伤进行维修。不同的损伤，不同的检测方式有着不同的方法和效果，合理选择，检测结果才可靠。对于不同的损伤，也有着不同的维修方法，正确选择，才能更好完成维修工作。（5）无论检测还是维修都离不开大量的工具和仪器，了解各种工具仪器，并合理使用，才能完成工作。在 2009 年 12 月 15 日，波音公司的革命性作品，被称为“梦想飞机”的波音 787 成功完成首飞。波音公司在研制波音 787 客机的过程中, 大胆地采用了两大高技术措施:全球数字 化协同制造和机
28、体主要结构大规模采用 复合材料其复合材料采用高达 50%，革命性的在主要结构件也采用的复合材料，其材料分布见下图 5.1.上海民航职业技术学院毕业设计(论文)14图 5.1 波音 787 主要材料分布图不难看出复合材料这种新型材料有着广阔的前景，随着制造工艺的完善将逐渐取代传统金属材料，而复合材料的检测和维修技术也随着科技的不断进步，将更快更准的发现和解决问题。上海民航职业技术学院毕业设计(论文)15参考文献1乔宋杰，航空制造网，蜂窝结构这种源自于蜜蜂的智慧到底有何奇妙之处？ 2016.03.252行业新闻，浅谈蜂窝夹层结构复合材料在航空工业中的应用3张广平、戴干策,复合材料蜂窝夹芯板及其应用
29、,纤维复合材料,20024刘杰，郝巍，北京航空材料研究院,孟江燕，南昌航空大学材料科学与工程学院,蜂窝夹层结构复合材料应用研究进展5孙晓波，复合材料蜂窝夹芯结构脱胶修补研究与软件开发，2003.36曾军，赵元勤，潘振林飞机夹层结构复合材料零部件的损伤形式及修理方法J航空维修与工程，20057STR02 非金属结构与复合材料修理，民用航空器部件修理项目培训教材编写组编写上海民航职业技术学院毕业设计(论文)16致谢时光荏苒，岁月如梭。经过这几个月的忙碌，毕业论文也已进入收尾工作，意味着三年的大学生活已步入尾声，而这论文也即将画上一个圆满的句号。在此要衷心感谢我的论文指导老师徐峥老师，还有那些给与我
30、帮助的同学们。在构思和设计这篇论文过程中，使我认清了自己在这几年学习生活中还有着许多的不足之处。理论知识的不扎实和缺乏实际经验，一度使我的论文设计非常苍白；没有足够的论据，使我的论文毫无力度。在我因此陷入困境时，徐峥老师给与了我鼓励与帮助，帮我一起收集资料，为论文提供足够的论据。并为我论文不足的地方提出意见，使我原本苍白的论文更加丰满。在遇到我知识的盲区时，老师会悉心指导我，并为我提供解决方案，帮助我更好地完成论文。在设计论文时，发现了论文格式统一的重要性。而在这方面正是我的短板，有时候为了一个格式要耗费比其他同学更多的时间去寻找。多亏有同学和老师的帮助，我才能克服这些，完成论文的设计。在论文的设计期间，还发生了一个小插曲。因为我的个人原因，导致存储论文和资料的电脑损坏。幸好细心老师有为我们备份论文和资料，才没有对论文的完成造成很大的影响。再次，我还是要再次感谢我的论文导师徐峥老师，以及在我设计论文时给予我帮助的同学们。没有他们的指导和帮助，我无法如此顺利地完成这次论文，也无法给我三年的大学生活画上这样一个圆满的句号！
