現(xiàn)代民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)MSG—3分析研究

劉素娟　鐘仁參　晏震乾

摘要：目前世界上先進客機的復(fù)合材料用量約為50%，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修的重要性因此凸顯出來。MSG-3的結(jié)構(gòu)分析程序是目前最常用的維修任務(wù)分析工作。文章在此基本上研究了民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修大綱任務(wù)，改進了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修分析流程圖和維修要求流程圖，確定了專門適用于民用飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修流程圖，同時設(shè)計出了相應(yīng)的MRBR流程。

關(guān)鍵詞：民用飛機；MSG-3；復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；維修大綱；結(jié)構(gòu)分析程序 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：V214 文章編號：1009-2374（2016）09-0007-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.004

復(fù)合材料在現(xiàn)在民機上的運用，可使飛機結(jié)構(gòu)減重25%左右，結(jié)構(gòu)設(shè)計成本減少22.5%左右，所以復(fù)合材料用量高的民機的生產(chǎn)技術(shù)成本以及飛行運行時的燃油損耗都會大幅度降低，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代民機中的應(yīng)用越來越廣泛。同時，復(fù)合材料因其特殊的強度、剛度、穩(wěn)定性等性質(zhì)，在飛機停場或者運行的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)不同程度的損傷，為了提高飛機的安全性和持續(xù)適航性，就需要制定高效、準(zhǔn)確、經(jīng)濟的維修任務(wù)。

MSG-3是現(xiàn)有制定飛機維修大綱的指導(dǎo)思想，它的核心是以可靠性為中心的維修性（RCM）分析方法來制定維修大綱，已經(jīng)普遍應(yīng)用于現(xiàn)代民用飛機的維修上。本文在MSG-3邏輯分析方法制定的結(jié)構(gòu)預(yù)定維修/檢查要求基礎(chǔ)上，引入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)項目，通過邏輯推理和信息整合，改進了現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)預(yù)定維修/檢查要求流程圖，從而建立了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修流程圖，為現(xiàn)代民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修大綱的制定打下基礎(chǔ)。

1 基于MSG-3復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修分析流程

1.1 MSG-3介紹

MSG-3是制定民用飛機維修大綱的參考性和指導(dǎo)性文件。根據(jù)局方的要求，應(yīng)將最新MSG邏輯流程應(yīng)用于民用飛機的維修大綱制定中。例如制定一份維修審查委員會報告，MSG-3的主要目的是便于制定初始狀態(tài)的預(yù)定性維修大綱。根據(jù)航空器審定運行能力的范圍和要求，需要在分析流程里確定全部預(yù)定性維修工作和間隔。

用最少的實際費來保證部件安全運作是MSG-3的主要目的，同時在確定目標(biāo)的過程中，要弄清飛機的安全性和可靠性水平的缺陷是維修大綱不能改變的。維修大綱在正常狀態(tài)下的實施只能預(yù)防這些固有特性的惡化，加入飛機的這些固有特性出現(xiàn)異常，一定要采用工程方面的行動進行改進。

2009年修訂的MSG-3是現(xiàn)有的最新版本，利用該版本的基本核心原理制定的維修大綱主要包含系統(tǒng)/動力裝置、飛機結(jié)構(gòu)、區(qū)域檢查、閃電/高強度輻射場這四個部分。相應(yīng)的MSG-3分析的基本方法也分為這四個部分的內(nèi)容。每個部分都包含各自的邏輯決斷圖或程序以及相應(yīng)的解釋性內(nèi)容。

用最新修訂的MSG-3原理制定的維修大綱包括四個主要部分，即系統(tǒng)/動力裝置部分（包括部件、附件和輔助動力裝置）、飛機結(jié)構(gòu)部分、區(qū)域檢查、閃電/高強度輻射場部分。與之相對應(yīng)，MSG-3的分析方法也分成這四個部分。每一部分都包含有各自的解釋性內(nèi)容和相應(yīng)的邏輯決斷圖或程序，可以相互獨立使用。其中，關(guān)于飛機結(jié)構(gòu)部分的MSG-3分析流程如圖1所示：

圖1 MSG-3結(jié)構(gòu)邏輯流程

目前，MSG-3已經(jīng)快速成為民用航空維修領(lǐng)域任務(wù)分析的支柱，它強調(diào)的是以可靠性為核心的維修/維護，然而很多民用飛機的制造商、飛機營運人以及修理廠家對此還是保持反對態(tài)度，他們認(rèn)為在定期維修時對部件進行更換，要比定期檢測以及只在必須時才考慮更換部件的方式更為安全有效。

1.2 維修要求確定

因為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)本身的特性，結(jié)構(gòu)維修大綱里復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的評估流程與金屬材料結(jié)構(gòu)的評估流程是不同的。在MRB結(jié)構(gòu)工作組流程中，在對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進行MSG-3分析的同時制定維修要求時，依據(jù)“損傷無擴展”的設(shè)計理念，來驗證對應(yīng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，與疲勞損傷（FD）有關(guān)的分析是不要求的，但需要對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)展開環(huán)境損傷（ED）和偶然損傷（AD）的分析研究。

偶然損傷（AD）評級根據(jù)三個方面：損傷的及時探測性、偶然損傷敏感性和損傷后剩余強度。環(huán)境損傷（ED）依照損傷敏感性和及時探測性來評估其等級。

將上述評斷出的環(huán)境損傷（ED）和偶然損傷（AD）的等級，再與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等級相結(jié)合，然后將這三組信息進行整合分析并計算，這個計算結(jié)果就是折算后的環(huán)境損傷等級，從而最終得到了檢查工作內(nèi)容和檢查間隔，因此也確定了最終的檢查要求，如圖2所示：

圖2 確定復(fù)合材料維修要求簡化流程

圖2的檢查間隔主要包括重復(fù)檢查間隔值和檢查門檻值，根據(jù)圖2可以將這些值都計算出來。同時檢查工作分為詳細檢查、一般目視檢查和特殊詳細檢查。這些工作的具體展開也將通過圖2中的要求。

1.3 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修MSG-3分析流程

飛機制造國適航管理部門審批過的MRB以及飛機制造商制定的MPD是航空公司等運營人最終確定維修方案的依據(jù)。MRB中規(guī)定的維修要求在維修方案的初始制定過程中必須體現(xiàn)出來。

具體操作有：在確定飛機部位和區(qū)域后，接著確定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)項目，而不是傳統(tǒng)流程中籠統(tǒng)的飛機結(jié)構(gòu)項目。當(dāng)進行到按SSI分類列表這一步后，因為前面已經(jīng)確定了是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，所以這里就不存在傳統(tǒng)流程中的考慮SSI是否是損傷容限項目，從而直接到下一步進行項安全壽命分析，如圖3所示：

圖3 MSG-3復(fù)合材料結(jié)構(gòu)邏輯流程

2 檢查方式及方法的確定

2.1 檢查方式的確定

當(dāng)結(jié)束對結(jié)構(gòu)損傷部件進行全面的檢查以及對損傷程度和損傷范圍制定無誤的評定后，方可確定維修方案。GV/GVI、DI/DET和SI/SDI是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷三項主要檢查方法。根據(jù)檢查的結(jié)構(gòu)形式、損傷類型、損傷的可接近性質(zhì)等因素以及可實施性、實施的難易性來確定選取何種檢查方式。根據(jù)GV/GVI的內(nèi)容來觀察內(nèi)部或外部區(qū)域，從而發(fā)現(xiàn)不正常的跡象，尋找到明顯的故障或者損傷。此類的檢查常見應(yīng)該是在能夠身體接觸的范圍內(nèi)開展的，除非有相關(guān)內(nèi)容明確規(guī)定了。如果提供了必要的工作臺等設(shè)備，在拆卸或者打開維修口蓋、門的條件下，可能會更充分地接近檢查區(qū)域范圍。DI/DET的實施過程中可以要求利用復(fù)雜的接近手段以及在表面相對清潔的情況下開展，同時還可以借助常見的檢查工具。SI/SDI的實施條件相對要復(fù)雜些，有的時候需要借助特殊的檢查設(shè)備和技術(shù)，甚至對檢查對象的接近性和清潔程度有嚴(yán)格的要求。

2.2 檢查方法的確定

選取正確的檢查方式主要根據(jù)以下因素：被檢測對象的損傷類型及范圍、復(fù)合材料的幾何形狀以及結(jié)構(gòu)形式。在現(xiàn)代民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的損傷檢查的主要方式見表1：

表1 檢查方法及使用范圍表

序號 檢查方法 使用范圍

1 目視檢測法 檢測損傷位置、損傷面積和損傷程度，采用目視檢測法

2 敲擊法 檢測分離、脫膠、基體軟化和某些裂紋采用敲擊法

3 超聲法 檢測孔隙含量、分層、層間疏松、膠結(jié)劑氣孔和疏松、裂紋以及夾雜等采用超聲法

4 軟X射線法 檢測夾層板中蜂窩芯和膠結(jié)劑中的損傷和缺陷以及夾雜等采用軟X射線法

5 激光全息法 檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)近表面的纖維斷裂、基本裂紋和分層采用的是激光全息法

6 聲諧振檢測法 同時，檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的疏松、氣孔和分層還可以用聲諧振檢測法

對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件損傷的處理方式的主要步驟：首先徹底檢測損傷部件的受損程度和范圍，然后根據(jù)部件的不同損傷來評估具體的處理程序，最終完成整個部件損傷的處理。

3 維修大綱制定

在MSG-3復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，將上述最終確定的檢查方法和計算得出的檢查間隔等內(nèi)容進行綜合分析評估，同時考慮每種檢查任務(wù)的可接近性方式，最后可以得到預(yù)定檢查復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的分析內(nèi)容，這些是可以作為維修大綱的重要內(nèi)容的，并提交給工業(yè)指導(dǎo)委員會（ISC），然后由ISC確定維修大綱建議書（MRBRP），提交給航空制造商，同時根據(jù)MOD、MRBR等，MS最終隨之形成。具體流程如圖4所示：

圖4 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)MRBR制定機構(gòu)和流程

4 結(jié)語

維修大綱的制定涉及到方法、策略、經(jīng)驗、技術(shù)等方面是一個嚴(yán)密、細致而又復(fù)雜的過程。有針對性地制定維修方案/維修大綱，為維修工作帶來了便捷，有效地提高了維修人員的工作效率。

參考文獻

[1] 湯洪濤.航空復(fù)合材料維修[J].航空制造技術(shù)，2007，（1）.

[2] 張聯(lián)合，等.現(xiàn)代民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)種機身設(shè)計與分析[J].民用飛機設(shè)計與研究，2013，（2）.

[3] 韓文軍.MSG-3維修理念在維修工程管理中的應(yīng)用（下）[J].航空維修與工程，2005，（4）.

[4] 呂建沖.飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理技術(shù)[J].航空工藝技術(shù)，1996，（6）.

[5] AC-121/135-67維修審查委員會和維修審查委員會報告[R].2006.

[6] AC121-22A Maintenance Review Board Procedures，F(xiàn)AA.1997.

[7] SoutisC.Fibre reinforced compositesin aircraft construction.Progressin Aerospace Sciences，2005.

[8] Soutis C.Carbon fiber reinforced plastics in aircraft construction.Materials Science and Engineering：A，2005.

作者簡介：劉素娟（1987-），女，湖北黃岡人，供職于上海飛機客戶服務(wù)有限公司，碩士。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）