蔡長海 劉文新 許朋 劉學凱 苗廣原

0引言

先進樹脂基復合材料以其優(yōu)異的設(shè)計性能和減重性能已經(jīng)成為航空領(lǐng)域最重要的結(jié)構(gòu)材料之一，在新型飛機上的用量也正大幅提高。在使用和維護過程中不可避免地會發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷或發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，復合材料部件的維修任務(wù)量呈逐年上升趨勢，因此，對先進維修技術(shù)的需求也日益迫切。

與早期的金屬飛機剛剛開展維修工作的情形相似，新材料的應(yīng)用會給相應(yīng)的維修領(lǐng)域帶來技術(shù)變革。由于關(guān)鍵維修技術(shù)的封鎖，目前國內(nèi)飛機部件維修大多依靠維修手冊及其中的二維圖，無法真實、準確地獲取部件內(nèi)部尺寸、鋪層方向和材質(zhì)等信息，阻礙了維修技術(shù)的進步。目前，制造業(yè)已應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)生產(chǎn)各類部件，為突破關(guān)鍵維修技術(shù)的封鎖，現(xiàn)考慮將數(shù)字化技術(shù)引入復合材料維修中。

1 航空復合材料維修數(shù)字化技術(shù)的含義

數(shù)字化技術(shù)是以數(shù)字電子計算機硬軟件、周邊設(shè)備、協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的信息離散化表述、定量、感知、傳遞、存儲、處理、控制、聯(lián)網(wǎng)的集成技術(shù)。其用于制造業(yè)可包括數(shù)字化制造技術(shù)與數(shù)字化產(chǎn)品兩部分。數(shù)字化制造技術(shù)是將數(shù)字化技術(shù)用于支持部件全生命周期的制造活動和企業(yè)的全局優(yōu)化運作，數(shù)字化產(chǎn)品是將數(shù)字化技術(shù)注入到工業(yè)產(chǎn)品中。

數(shù)字化技術(shù)還原了實際維修各個環(huán)節(jié)的本質(zhì)過程，在復合材料部件開展維修工作之前，就能全面分析復合材料部件維修過程的合理性，做出前瞻性的決策與優(yōu)化實施方案。此外，通過數(shù)字化技術(shù)可以進行維修操作過程仿真，有效降低維修費用，提高維修的準確性與效率。

1.1 航空復合材料維修數(shù)字化技術(shù)在國際維修領(lǐng)域的應(yīng)用

國外一些知名的飛機維修企業(yè)，在基于對產(chǎn)品數(shù)模、裝配技術(shù)保密以及適航要求的前提下使用維修手冊，而在研究發(fā)展方面實施全數(shù)字化設(shè)計維修技術(shù)、運用數(shù)字化技術(shù)對修理方案的結(jié)構(gòu)性能進行力學分析、對維修過程產(chǎn)品航材的準確定位以及航材訂購的管控，以保證修理的可靠性和維修過程管控性，而對于國內(nèi)維修企業(yè)，這些數(shù)字化技術(shù)被牢牢控制在OEM手中。

1.2 航空復合材料維修數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

我國航空復合材料部件維修是對實物測量標定缺陷位置及尺寸，參考對應(yīng)維修手冊中的二維圖紙確定修補位置及修補航材，而實際中由于其維修過程的復雜和無法直觀獲取維修數(shù)據(jù)，導致修理周期較長。且在不具備數(shù)字化平臺的情況下，大多維修環(huán)節(jié)過分地依賴人，存在一定人為因素風險隱患，不利于航空安全的維修行為。采用航空復合材料維修數(shù)字化技術(shù)，其優(yōu)勢表現(xiàn)為：

（1）建立三維電子數(shù)模，直觀地體現(xiàn)復合材料部件與維修手冊相符的所有信息，如型面尺寸、厚度、緊固件尺寸位置材質(zhì)信息、鋪層信息等。在維修過程中，參考相關(guān)基準面，通過實際測量缺陷位置信息，直觀地獲得缺陷位置材料體系、緊固件品名材質(zhì)、上下級部件的裝配關(guān)系等，用以指導工程師設(shè)計更合理的維修方案。在維修操作過程中，操作者可依照維修手冊并參考三維數(shù)模，提高維修效率；

（2）依據(jù)三維電子數(shù)模，制作復合材料部件維修工裝。航空復合材料部件大部分存在一定的曲率，型面較為復雜。復合材料部件的修理大多采用熱粘接的方式，型面復雜的部件在熱成型過程中需要相應(yīng)的維修工裝提供與之相符的理論型面。目前一些特定復合材料部件型面過于復雜（如格柵類部件等），加之缺乏三維電子數(shù)模而無法制作與之相匹配的維修工裝，使得很多維修工作無法開展，喪失了積累寶貴維修經(jīng)驗的機會；

（3）數(shù)字化技術(shù)有助于開發(fā)新的維修方案的能力，通過三維電子數(shù)模對修理方案進行仿真模擬，是開發(fā)新的維修方案的必備條件。通過三維電子數(shù)模，采用模擬仿真軟件，對設(shè)計方案的安全性、可靠性進行模擬仿真，確保超規(guī)范修理能夠達到飛機結(jié)構(gòu)的安全要求。新的損傷維修方案的開發(fā)過程中，三維電子數(shù)模提供的原部件的制造信息、材料信息、復合材料鋪層角度信息、熱膨脹系數(shù)信息等都是最根本的必要條件。

2 國內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展思路

2.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)復合材料維修的主要難點在于維修方案的設(shè)計，現(xiàn)階段復合材料修理標準方法僅止步于次要表面的修復。大多航空公司只能利用EASA DOA（歐洲航空安全局設(shè)計機構(gòu)批準書）給出的方案進行施工。大型維修企業(yè)根據(jù)多年的維修經(jīng)驗以及OEM維修手冊進行維修工作，但超過手冊限度的方案仍受到OEM的制約，OEM嚴格控制著飛機部件的三維電子數(shù)模。相關(guān)維修手冊雖然規(guī)定了維修標準和工作細則，但不具有完備的數(shù)字化信息庫平臺，無法獲得復合材料部件材料信息、鋪層信息、裝配信息，我國的復合材料部件維修無法實現(xiàn)突破式的飛躍。

2.2 發(fā)展思路

（1）利用維修工作的便利條件，采用逆向工程制作相關(guān)維修部件的三維電子數(shù)模。通過多個批次的部件進行試驗、測繪和分析，提取出逆向建模的關(guān)鍵條件。其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、精度等多方面的逆向，建立高還原度的三維電子數(shù)模，并對復合材料部件的材料信息、外形輪廓、連接件等信息進行詳細的標注。

（2）在已建立完備三維電子數(shù)模的基礎(chǔ)上，將SRM、CMM維修手冊的相關(guān)標準、施工程序按照部件劃分至相應(yīng)的三維電子數(shù)模NOTE文件中作為參考數(shù)據(jù)，形成直觀的技術(shù)文件，并配備若干移動客戶端，便于工程師和工作者維修現(xiàn)場的參考使用，從而減少人為因素的潛在風險。

（3）由于建立三維電子數(shù)模只能作為參考使用數(shù)據(jù)，所以在與維修手冊中的信息進行對接時一定要保證其數(shù)據(jù)的一致性，并及時監(jiān)控手冊的改版信息，使三維電子數(shù)模與手冊的保持一致。

（4）采用計算機輔助工藝過程設(shè)計（CAPP）結(jié)合三維電子數(shù)模，形成規(guī)范的維修工卡體系，同時對維修過程復雜繁多的維修航材進行有效管控。省去了大量的查找手冊尋找相應(yīng)航材以及替代航材時間，節(jié)省時間成本，提高效率。

（5）基于三維電子數(shù)模及材料信息，開展復合材料部件修理性能虛擬仿真，驗證修理方案的可靠性。在具備修理復合材料部件施工能力的同時，加強部件修理的設(shè)計能力，最終建成產(chǎn)研一體化的先進的復合材料維修企業(yè)。

（6）建立以部件數(shù)據(jù)庫、航材數(shù)據(jù)庫、維修工裝數(shù)據(jù)庫、維修方案數(shù)據(jù)庫等為核心的航空復合材料部件維修大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺，并進一步升級為云數(shù)據(jù)技術(shù)平臺。通過該平臺保證部件維修全流程中數(shù)據(jù)文件的唯一性，達到數(shù)據(jù)與復合材料部件維修諸多環(huán)節(jié)間的有效集成，確保數(shù)據(jù)流在復合材料部件維修全流程中的真實有效傳遞，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)與云數(shù)據(jù)技術(shù)平臺和數(shù)字化生產(chǎn)線的有效銜接，實現(xiàn)航空復合材料部件維修的數(shù)字化集成，達到縮短周期和提升產(chǎn)品維修質(zhì)量的效果。

3 航空復合材料維修數(shù)字化技術(shù)的實際應(yīng)用案例

V2500發(fā)動機風扇罩主體結(jié)構(gòu)是由碳纖維和鋁蜂窩組成的三明治結(jié)構(gòu)，實際是由2～7層不等碳纖維和兩種不同密度的蜂窩組成（如圖1），由于其結(jié)構(gòu)的復雜性，主體部位一旦發(fā)生損傷，使用二維圖紙進行維修，無論是在方案設(shè)計方面和工程施工方面都將是一大挑戰(zhàn)，并且增加了人為因素風險隱患。因此，南航沈陽維修基地首次應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)設(shè)計風扇罩損傷修理方案。具體步驟為：

（1）建立損傷模型：參考相關(guān)基準面，通過實際測量缺陷位置信息，在三維數(shù)模目錄樹下標注風扇罩損傷尺寸信息、輪廓尺寸信息、連接件信息、零部件件序號信息和材料信息等，直觀地獲得缺陷位置材料體系、緊固件品名材質(zhì)、上下級部件的裝配關(guān)系等，通過逆向掃描模擬出風扇罩局部損傷的三維模型（如圖2）。

（2）建立維修模型：通過現(xiàn)場測尺、結(jié)合手冊信息和廠家維修圖紙在三維數(shù)模目錄樹下建立相關(guān)的維修信息，如材料信息（蜂窩、碳纖維層、玻璃布層、膠接層等）、各個修理的區(qū)域及尺寸信息和零部件件序號信息等，直觀地建立缺陷位置維修體系，通過逆向掃描模擬出風扇罩三維維修模型（如圖3）。

從風扇罩的三維維修模型中不難發(fā)現(xiàn)，工作者在維修過程中可實現(xiàn)直觀地查找維修信息，避免出現(xiàn)由于讀圖失誤而造成的人為差錯，可以提高維修效率。打破以往采用二維圖紙編制超規(guī)范維修方案的模式，將三維數(shù)模維修方案引入文件，形成直觀簡潔的維修方案，加快方案編制的速度和審核速度，并在維修現(xiàn)場配備個人移動終端設(shè)備，在維修過程中隨時可以接近三維電子數(shù)模，查找確認相關(guān)信息，提高維修效率，減少人為差錯。

（3）剖析三維維修模型：與二維維修模型方案相比，使用三維數(shù)模進行編制維修方案共使用4張圖標便可以進行清晰的表達。而使用二維圖紙編制的方案共需要11張圖標，在查看過程中需往復進行細致的分析對比，且易出現(xiàn)讀圖失誤造成的人為差錯。由此可見采用三維數(shù)模編制維修方案可以大幅地減少維修方案的篇幅，工程師可以清晰明了地表明自身的維修思路和設(shè)計方案，工作者可以更加輕松地實施維修方案。

（4）三維維修模型的展望：目前國內(nèi)民用航空維修領(lǐng)域之所以沒有使用三維數(shù)模進行相關(guān)生產(chǎn)維修工作，主要是受到OEM的限制，不能實時更新數(shù)模版本。南航沈陽基地在日常維修工作中，以手冊為基本依據(jù)的前提下，主要通過自我積累維修部件的三維數(shù)模，建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫和NOTE標注集。這樣便可以采取三維數(shù)模輔助快速識別部件損傷位置、航材基本信息、質(zhì)量分區(qū)基本信息、損傷容限基本信息、維修章節(jié)基本信息、特殊要求（如磅力矩等）基本信息等，完成識別后有針對性的在維修手冊中進行確認核對工作； 遇到超過手冊規(guī)定范圍的損傷，也可以通過三維數(shù)模編制維修方案，簡化方案篇幅，配合移動終端設(shè)備接近相關(guān)具體方案，直觀快速的理解并實施維修方案。

4 結(jié)束語

隨著復合材料廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，部件損傷的情況更是千差萬別，使得當下維修手冊中給出的典型修理方案已不能夠滿足日益增長的維修需要，因此迫切要求國內(nèi)主要的飛機維修企業(yè)快速提升維修方案設(shè)計能力，并通過數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用建立復合材料部件維修各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)航空復合材料部件的數(shù)字化集成維修，突破國外技術(shù)封鎖，提高航空復合材料維修的綜合能力。

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