一體式復合材料油箱結構修理方法研究

熊哲　李炳伯

摘 要：本文以某無人機一體式復合材料夾層油箱結構的故障修理為實例，分析了滲油故障的原因為鑲嵌件安裝處結構損傷，給出了損傷修理方法和驗證試驗方案；通過修理后的驗證試驗表明，采用填料填補修理的方法，注油一個月后未再出現滲油現象，能夠解決油箱的滲油故障，并且采用補片式方法修理后，修理的結構能夠滿足外掛點最大掛載載荷承載能力的要求，達到了修復油箱的目標。

關鍵詞：無人機；復合材料；修理方法；一體式油箱；鑲嵌件。

1概述

復合材料重量輕，性能優異，便于大面積整體成型，近年來，復合材料已經在飛行器上得到廣泛應用，不但用于控制面和整流罩，而且也用于主承力結構，有效地減輕了飛行器的結構重量，提高了飛行器的技術性能，釆用先進復合材料的程度已成為衡量飛行器是否先進的重要標志之ー[1]。但是復合材料結構在生產過程中會存在生產缺陷，而且在使用過程中也不可避免地會遭受損傷。

為了保證飛行器的安全使用，復合材料結構需要具有良好的性能，在出現損傷時必須及時的修理以保證其處于良好的狀態。結構損傷如不及時修理就會發展成較大的損傷，導致本來外場可以修理的結構損傷必須返廠修理，甚至結構報廢。因此，及時、正確的修理可以最大限度地節省使用和維護費用[2]。

本文以某型無人機為實例，對復合材料結構損傷區域的確定、修理及驗證方法進行了研究。

2某無人機一體式油箱結構

2.1一體式油箱結構形式

某無人機機身（圖1）為高溫碳纖維預浸料固化而成，油箱集成在機身中部結構兩側，油泵裝在機身中部的前底端，同時在該位置留有空氣出口。該直升機機身采用左右側蒙皮和內部結構二次膠接而成，形成的空腔為油箱。機身中部空腔采用碳纖維復合材料結構，空腔內壁涂覆有耐油隔油材料涂層，將機身空腔與油箱一體化設計；機身中部外側有多個鑲嵌件，用于懸掛飛行任務載荷。

2.2損傷區域分析

經檢查發現，一體式油箱外部一處鑲嵌件發生滲油故障，通過內窺鏡檢查及敲擊檢查，確認該處鑲嵌件安裝在復合材料蜂窩夾層結構內，周邊由填料填充固定，如圖2所示。

為進一步了解內部損傷情況，通過超聲波掃描儀檢查，發現填料區域有局部裂紋；去除外蒙皮表面碳纖維和局部填料后，檢查填料周邊蜂窩，發現蜂窩區完好無損，蜂窩內部無油漬或浸潤痕跡。分析此鑲嵌件在預埋過程中，內部鋪布密封時對接縫沒有密封好，存在工藝質量問題；另外，存在裝拆任務載荷時易導致填料產生局部裂紋，進而使得燃油從縫隙處滲出，如圖3所示：

3損失修理方法

因一體式油箱內部為半封閉區域，難以在內部進行修理操作，只能從外至內進行修理，且外部區域。如圖4所示，將鑲嵌件外部的碳纖維打磨去除，同時打磨掉周邊的部分蜂窩區域。而后在打磨掉的蜂窩區域填入填料（EA9396常溫結構膠加玻璃微球），再鋪放與原結構相應層數的碳纖維（用EA9396常溫結構膠充分浸潤），最后在外側補加一層+45°碳纖維纖維，如圖4所示：最后，用紅外燈加熱至60℃-70℃固化，持續時間8小時。

4修理驗證試驗

4.1承載能力試驗

根據承載能力試驗設計，模擬修理區域結構形式。試驗件按照修理方案進行加工，即先加工油箱艙壁板夾層結構試驗件，然后在中心區按要求挖空，再預埋鑲嵌件后并鋪設碳纖維。將新制的試驗件進行拉伸與剪切試驗，驗證修理后的復合材料承載力。

4.1.1拉伸試驗

夾具與支持四邊固支，對螺栓施加法向拉伸載荷，如圖5所示。表2為6組試驗件進行拉伸試驗的結果。

4.1.2剪切試驗

試驗件一邊夾持，在試驗件單側施加垂直于夾持邊方向的載荷，如圖6所示。表3為6組試驗件進行剪切試驗的結果，。

4.1.3 承載能力試驗結論分析

使用載荷取第一峰值的最小值，破壞載荷取最大峰值的最小值[3]。

通過上述試驗分析，該復合材料蜂窩夾層結構鑲嵌件修理后承載能力滿足某無人機外掛點最大掛載載荷25kg的要求。

4.2注油試驗

為驗證一體式油箱滲油的故障是否解決，在完成修理后對一體式油箱重新注油，將油箱按著陸狀態放置；一個月后，檢查原鑲嵌件滲油區域未發現有滲油情況。

通過注油試驗，說明修理后的一體式油箱有效的封堵了原鑲嵌件安裝處結構的滲油點，解決了一體式油箱滲油的故障。

5結論

本文對某無人機出現的復合材料蜂窩夾層結構滲油故障進行了分析，確認了滲油故障的原因為鑲嵌件安裝處結構損傷，根據損傷情況給出了損傷修理方法，并通過承載能力模擬試驗驗證，表明通過修理后的結構滿足某無人機外掛點最大掛載載荷25kg的要求，并根據注油試驗一個月后無滲油現象，說明修理后的一體式油箱有效的封堵了原鑲嵌件安裝處結構的滲油點，解決了一體式油箱滲油的故障，達到了修理的目的。

復合材料結構在無人機上的應用越來越廣泛，但也會出現缺陷和損傷，給無人機的使用和維護帶來諸多不便。復合材料結構缺陷和損傷具有種類多、機理復雜等特點，給修理工作帶來了巨大的挑戰，需要我們在總結前人經驗的基礎上不斷探索。

參考文獻：

[1] 牛春勻.實用飛機復合材料結構設計與制造[M].北京：航空工業出版社，2010.

[2] 陳紹杰.復合材料結構修理指南[M]. 北京：航空工業出版社，2001.

[3] 中國航空研究院.復合材料結構設計手冊[M]. 北京：航空工業出版社，2001.

作者簡介：

熊哲（1986-），男，民族：漢，籍貫：江西省南昌市，當前職務：設計師，當前職稱：工程師，學歷：大學本科，研究方向：機械制造。