1 航空復(fù)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(jì)算機(jī)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(chǔ)、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航空復(fù)合材料維修數(shù)字化技術(shù)的展望。
1.1 航空復(fù)合材料維修數(shù)字化技術(shù)在國(guó)際維修領(lǐng)域的應(yīng)用國(guó)外一些知名的飛機(jī)維修企業(yè),在基于對(duì)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(cè),而在研究發(fā)展方面實(shí)施全數(shù)字化設(shè)計(jì)維修技術(shù)、運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)對(duì)修理方案的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行力學(xué)分析、對(duì)維修過程產(chǎn)品航材的準(zhǔn)確定位以及航材訂購(gòu)的管控,以保證修理的可靠性和維修過程管控性,而對(duì)于國(guó)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。
2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)復(fù)合材料維修的主要難點(diǎn)在于維修方案的設(shè)計(jì),現(xiàn)階段復(fù)合材料修理標(biāo)準(zhǔn)方法僅止步于次要表面的修復(fù)。大多航空公司只能利用 EASA DOA(歐洲航空安全局設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)書)給出的方案進(jìn)行施工。大型維修企業(yè)根據(jù)多年的維修經(jīng)驗(yàn)以及 OEM 維修手冊(cè)進(jìn)行維修工作 , 但超過手冊(cè)限度的方案仍受到 OEM 的制約 ,OEM 嚴(yán)格控制著飛機(jī)部件的三維電子數(shù)模。相關(guān)維修手冊(cè)雖然規(guī)定了維修標(biāo)準(zhǔn)和工作細(xì)則,但不具有完備的數(shù)字化信息庫(kù)平臺(tái),無法獲得復(fù)合材料部件材料信息、鋪層信息、裝配信息,我國(guó)的復(fù)合材料部件維修無法實(shí)現(xiàn)突破式的飛躍。
(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(gè)批次的部件進(jìn)行試驗(yàn)、測(cè)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(duì)復(fù)合材料部件的材料信息、外形輪廓、連接件等信息進(jìn)行詳細(xì)的標(biāo)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(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、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(dòng)客戶端,便于工程師和工作者維修現(xiàn)場(chǎng)的參考使用,從而減少人為因素的潛在風(fēng)險(xiǎn)。(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(cè)中的信息進(jìn)行對(duì)接時(shí)一定要保證其數(shù)據(jù)的一致性,并及時(shí)監(jiān)控手冊(cè)的改版信息,使三維電子數(shù)模與手冊(cè)的保持一致。(4)采用計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)(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(shí)對(duì)維修過程復(fù)雜繁多的維修航材進(jìn)行有效管控。省去了大量的查找手冊(cè)尋找相應(yīng)航材以及替代航材時(shí)間,節(jié)省時(shí)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(fù)合材料部件修理性能虛擬仿真,驗(yàn)證修理方案的可靠性。在具備修理復(fù)合材料部件施工能力的同時(shí),加強(qiáng)部件修理的設(shè)計(jì)能力,最終建成產(chǎn)研一體化的先進(jìn)的復(fù)合材料維修企業(yè)。(6)建立以部件數(shù)據(jù)庫(kù)、航材數(shù)據(jù)庫(kù)、維修工裝數(shù)據(jù)庫(kù)、維修方案數(shù)據(jù)庫(kù)等為核心的航空復(fù)合材料部件維修大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái),并進(jìn)一步升級(jí)為云數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái)。通過該平臺(tái)保證部件維修全流程中數(shù)據(jù)文件的唯一性,達(dá)到數(shù)據(jù)與復(fù)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(fù)合材料部件維修全流程中的真實(shí)有效傳遞,實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)與云數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái)和數(shù)字化生產(chǎn)線的有效銜接,實(shí)現(xiàn)航空復(fù)合材料部件維修的數(shù)字化集成,達(dá)到縮短周期和提升產(chǎn)品維修質(zhì)量的效果。3 航空復(fù)合材料維修數(shù)字化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用案例V2500 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)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(shí)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(fù)雜性,主體部位一旦發(fā)生損傷,使用二維圖紙進(jìn)行維修,無論是在方案設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)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(jì)風(fēng)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(zhǔn)面,通過實(shí)際測(cè)量缺陷位置信息,在三維數(shù)模目錄樹下標(biāo)注風(fēng)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(hào)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(jí)部件的裝配關(guān)系等,通過逆向掃描模擬出風(fēng)扇罩局部損傷的三維型(如圖 2)。
(2)建立維修模型:通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)尺、結(jié)合手冊(cè)信息和廠家維修圖紙?jiān)谌S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(gè)修理的區(qū)域及尺寸信息和零部件件序號(hào)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(fēng)扇罩三維維修模型(如圖 3)。
從風(fēng)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(shí)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(cuò),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(jiǎn)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(chǎng)配備個(gè)人移動(dòng)終端設(shè)備,在維修過程中隨時(shí)可以接近三維電子數(shù)模,查找確認(rèn)相關(guān)信息,提高維修效率,減少人為差錯(cuò)。
(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(jìn)行編制維修方案共使用 4 張圖標(biāo)便可以進(jìn)行清晰的表達(dá)。而使用二維圖紙編制的方案共需要 11 張圖標(biāo),在查看過程中需往復(fù)進(jìn)行細(xì)致的分析對(duì)比,且易出現(xiàn)讀圖失誤造成的人為差錯(cuò)。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(jì)方案,工作者可以更加輕松地實(shí)施維修方案。(4) 三維維修模型的展望:目前國(guó)內(nèi)民用航空維修領(lǐng)域之所以沒有使用三維數(shù)模進(jìn)行相關(guān)生產(chǎn)維修工作,主要是受到OEM 的限制,不能實(shí)時(shí)更新數(shù)模版本。南航沈陽基地在日常維修工作中,以手冊(cè)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(kù)和 NOTE 標(biāo)注集。這樣便可以采取三維數(shù)模輔助快速識(shí)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(shí)別后有針對(duì)性的在維修手冊(cè)中進(jìn)行確認(rèn)核對(duì)工作;遇到超過手冊(cè)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(jiǎn)化方案篇幅,配合移動(dòng)終端設(shè)備接近相關(guān)具體方案,直觀快速的理解并實(shí)施維修方案。此文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)搜集整理編譯,部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的,僅供行業(yè)人士交流,引用請(qǐng)注明出處。