大型飛機復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)的設(shè)計與發(fā)展

近幾年，國外對低成本、高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在大型飛機上的工程應(yīng)用進行了廣泛深入研究，取得了大量有工程應(yīng)用價值的研究成果，具體體現(xiàn)在新設(shè)計飛機主要承力部件大量應(yīng)用先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如A380復(fù)合材料中央機翼、A400M復(fù)材翼面與機身、波音787復(fù)合材料機翼等。

復(fù)材結(jié)構(gòu)在A380上的應(yīng)用


A400M的復(fù)合材料機翼結(jié)構(gòu)

A380飛機已經(jīng)交付數(shù)家用戶，其優(yōu)良性能和舒適性被廣為稱道。復(fù)材用于該機的部件有中央翼盒結(jié)構(gòu)，尾翼結(jié)構(gòu)，襟翼、副翼結(jié)構(gòu)，擾流板結(jié)構(gòu)，機身上壁板、機身地板梁（跨度6m）、機身后體球框（6.2m×5.5m，樹脂膜溶塑成型工藝RFI）、整流罩結(jié)構(gòu)等。
A380的復(fù)材用量約占結(jié)構(gòu)重量25%，其最大設(shè)計特點就是首次將復(fù)材用于中央翼盒，并達到減重1.5t的效果。另外它的碳纖維復(fù)材水平尾翼整體油箱的結(jié)構(gòu)半展長達到19m，超過了A320 的機翼半展長，號稱是世界上正在飛行的最大復(fù)材整體油箱。機身上使用的Glare層板達到470m2，與傳統(tǒng)鋁合金相比，減重25%以上，疲勞壽命提高10~15倍。垂尾前緣更是使用長達14m的Glare層板結(jié)構(gòu)，大型整體結(jié)構(gòu)的使用可見一斑。 copyright 123456

復(fù)材結(jié)構(gòu)在波音787上的應(yīng)用波音787飛機已經(jīng)首飛成功，正在鑒定試飛中，交付用戶指日可待。該機的主要結(jié)構(gòu)均為復(fù)材結(jié)構(gòu)，其復(fù)材用量占全機重量50%，最有里程牌意義的是使用了復(fù)材機翼、機身結(jié)構(gòu)，并在結(jié)構(gòu)維護上做出了實質(zhì)性進展，其目標(biāo)是做到比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的波音767降低使用維護成本30%。同時，TiGr層板（碳纖維增強的鈦板）、耐高溫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)也在機翼前緣、發(fā)動機吊艙上獲得應(yīng)用。

復(fù)材結(jié)構(gòu)在大型飛機上用量迅速上升分析

（1）表明復(fù)材的基礎(chǔ)研究取得了實質(zhì)進展，安全性已經(jīng)不再阻礙其擴大應(yīng)用

AC20-107A、B(FAA 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性要求) 要求的內(nèi)容都得到了貫徹與驗證，包括積木式試驗驗證，尤其是在結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計技術(shù)研究，材料應(yīng)用規(guī)范（如波音BMS 8-276）、制造工藝、試驗驗證等方面（如美國的ACT計劃和歐洲的TANGO計劃）。正是從這些預(yù)研中探索并實踐了設(shè)計、制造、試驗驗證流程，汲取了經(jīng)驗，才有了在飛機上工程化應(yīng)用的底氣。其主線是大型整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，將結(jié)構(gòu)的強度、剛度和損傷容限結(jié)合在一起通盤考慮。這樣設(shè)計的結(jié)構(gòu)，減少了結(jié)構(gòu)連接，提高了使用壽命，也便于成型裝配，更易于保養(yǎng)維護。

A350的復(fù)合材料機翼蒙皮

（2）表明結(jié)構(gòu)設(shè)計手段與驗證技術(shù)的進步

如A380中央翼盒結(jié)構(gòu)層板厚度達到50mm 以上，對接區(qū)更是有100mm以上的整體結(jié)構(gòu)，這都是一般分析方法和制造工藝難以企及和驗證的。未經(jīng)詳細分析試驗比對，是不可能應(yīng)用的。還有比如A380的平尾整體復(fù)合材料油箱，也是需要大量試驗驗證其密封和防雷擊設(shè)計。波音787的發(fā)動機吊艙結(jié)構(gòu)長期工作在高溫、高噪音的振動環(huán)境，細節(jié)分析與驗證也必不可少，尤其是要弄清楚材料的設(shè)計許用值與構(gòu)件設(shè)計許用值、連接區(qū)損傷與應(yīng)變控制關(guān)系等。

作為新設(shè)計飛機結(jié)構(gòu)，在權(quán)衡結(jié)構(gòu)整體性能并關(guān)注局部和細節(jié)，按部件受力形式選擇材料和成型方式，關(guān)注制造、使用維護乃至全壽命成本始終是設(shè)計追求的目標(biāo)。例如將結(jié)構(gòu)分為按強度設(shè)計的部件、按剛度設(shè)計的部件和按功能設(shè)計三大類型，其關(guān)注核心依然是強度設(shè)計件。所有的結(jié)構(gòu)問題大都出于細節(jié)設(shè)計，因而對細節(jié)設(shè)計的方法與驗證更是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的焦點，如長桁末端、開口周邊、對接搭接區(qū)、集中載荷傳遞區(qū)等。 內(nèi)容來自123456

如果還走不出大量使用±45°鋪層、在薄壁構(gòu)件上強調(diào)均衡對稱、不差別使用部件設(shè)計控制應(yīng)變的思路，也就是說設(shè)計部件的主次方向剛度差異不大，沒有凸顯復(fù)材構(gòu)件的基本特性，也就說明細節(jié)設(shè)計上還不能駕輕就熟。不大量使用自動鋪帶（絲）設(shè)備、不在主要部件上使用液體成型工藝和非熱壓罐成型工藝，就不可能實現(xiàn)復(fù)材部件的低成本制造。
實際上，相對層板結(jié)構(gòu)而言，蜂窩結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性更大，發(fā)展?jié)摿σ哺?。尤其是對涵蓋功能的結(jié)構(gòu)，如隱身、閃爍蒙皮、保形陣列天線、導(dǎo)電、隔音、降噪等，蜂窩結(jié)構(gòu)都顯示了獨特的特性，有廣闊發(fā)展前景。

最簡單的復(fù)材結(jié)構(gòu)設(shè)計的判據(jù)是，與同樣的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)減重20%以上相比，全壽命綜合使用（維護）成本相當(dāng)。之所以將減重指標(biāo)定在了20%以上，是考慮了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的制造生產(chǎn)過程，需要重新進行設(shè)備、工裝投資，還有復(fù)材結(jié)構(gòu)的不可再生循環(huán)（熱塑性復(fù)合材料除外）、對環(huán)境的非友好等因素都是進行遠期收益作風(fēng)險決策的主要參考因素。但復(fù)材結(jié)構(gòu)在抗疲勞、耐腐蝕、阻止裂紋擴展、隔音降噪、吸波透波等方面的功能是不可替代的，未來發(fā)展趨勢是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與復(fù)材結(jié)合而成的混合結(jié)構(gòu)。 內(nèi)容來自123456

（3）表明材料性能的提高和規(guī)范的完善

一代材料支持一代飛機的理念，在近代飛機結(jié)構(gòu)中得到再次驗證。沒有T800S/2900-2，沒有IM6系列材料，就沒有高效率的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。也正是有了BMS 8-276諸如此類的企業(yè)材料選用規(guī)范，才有了波音787大量使用復(fù)材結(jié)構(gòu)之結(jié)果。其中成系列地詳盡規(guī)范了材料的規(guī)格與性能要求，涵蓋了熱塑性復(fù)材和熱固性復(fù)合材料（包括各種纖維、樹脂、預(yù)浸織物、膠膜、加速劑、脫模劑及其輔助材料等）。有了規(guī)格齊全的材料及其配套性能參數(shù)資源，產(chǎn)品設(shè)計才能多樣化，按功能設(shè)計做到物盡其用。Toray（東麗）、Toho( 東邦) 等公司高品質(zhì)碳纖維（第三代纖維）及其與之配套的新型樹脂體系是其延綿不斷發(fā)展進步動力之源。

國內(nèi)材料體系單一，規(guī)范不全，材料數(shù)據(jù)覆蓋面窄，與國外材料代溝加大的趨勢不容小覷。即便是針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的連接件，國內(nèi)目前都基本是全部選用有限的進口品種。 123,123



波音787的翼復(fù)合結(jié)構(gòu)

（4）表明大型整體結(jié)構(gòu)制造成本的降低及其質(zhì)量的穩(wěn)定。

低成本材料和制造工藝的使用，特別是自動鋪帶技術(shù)、非熱壓罐成型技術(shù)的應(yīng)用等提高了制造效率，降低了生產(chǎn)成本，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量。

對大型壁板類構(gòu)件，選用模塊格柵成型方法是穩(wěn)定批量質(zhì)量的有效方法之一，但這里涉及到復(fù)雜模塊設(shè)計制造技術(shù)，還有低膨脹模塊材質(zhì)的選用，其核心是用分配的模具膨脹量及其重量對周邊結(jié)構(gòu)施加壓力，從而達到穩(wěn)定固化過程溫度梯度對構(gòu)件的影響（該方法在空客德國復(fù)合材料制造廠Stade大量使用，包括A400m機翼壁板之制造），達到緩解大尺寸結(jié)構(gòu)次生應(yīng)力，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的效果。

結(jié)束語

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復(fù)合材料本身就是在與高性能輕質(zhì)鋁合金的競爭中前進的，經(jīng)常是此消彼長，難分伯仲，特別是7000系列高純度鋁合金，對其競爭之勢不可小視，如7150高強鋁合金拉伸強度達到560MPa以上，常規(guī)性能比目前采用的高強鋁合金高10％以上，而且具有優(yōu)良的綜合使用性能，在飛機上使用可帶來明顯的結(jié)構(gòu)效益。多家研究表明，7075鋁合金用于制造機翼上壁板的優(yōu)勢，是當(dāng)下高性能復(fù)合材料不能取代的，這就是說，單單對于機翼上壁板，再好的設(shè)計師，以目前的復(fù)材體系是不能夠設(shè)計出在重量上低于7000系列鋁合金材料的機翼上壁板。

縱觀波音與空客復(fù)材飛機結(jié)構(gòu)，相比之下，A380使用復(fù)材結(jié)構(gòu)更為慎重，以繼承發(fā)展為主，將全復(fù)材中央翼盒用在了高濕區(qū)與避免沖擊的飛機部位（上有機身包圍，下有機身整流罩保護）；而波音787使用復(fù)材結(jié)構(gòu)則是以全面創(chuàng)新性為主，其核心是基于高強度、中模量碳纖維與高韌性樹脂材料的結(jié)構(gòu)。設(shè)計理念較為大膽前瞻，但近代飛機發(fā)展研究的型號很多，最后經(jīng)過用戶的使用篩選留下來，形成大批量機隊的才是成功的機型。

目前，飛機主結(jié)構(gòu)使用復(fù)材結(jié)構(gòu)的問題主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）復(fù)材主結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析、驗證還需要實踐，其基本參照目標(biāo)判據(jù)是比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)節(jié)省重量20%左右，全壽命使用成本相當(dāng)。而歐洲現(xiàn)在正在執(zhí)行的面對民用飛機的SWK研究計劃的目標(biāo)是；減重30%，降低成本40%，由此也可窺見復(fù)材結(jié)構(gòu)發(fā)展端倪。

（2）材料性能有待提高，材料品種需要擴大， 特別是T800級別的纖維和增韌樹脂。

（3）制造質(zhì)量需要穩(wěn)定，研究機構(gòu)的試制質(zhì)量不等于企業(yè)化產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）使用維護要簡單可行。

（5）民機與軍機結(jié)構(gòu)的差異（設(shè)計規(guī)范、使用環(huán)境）。細節(jié)設(shè)計、連接設(shè)計、功能設(shè)計（氣密、油密、導(dǎo)電、隔噪等）、蜂窩夾心結(jié)構(gòu)剛度等代、損傷裂紋抑制設(shè)計等都是結(jié)構(gòu)設(shè)計者需要不斷進修實踐的。

可以預(yù)見，這些問題不得到根本性解決，市場化應(yīng)用復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)的實踐就走不出試制的襁褓。探索的道路還很長，還要做面向工程使用的研究與驗證，在工程發(fā)展的起始階段，為權(quán)衡結(jié)構(gòu)的先進性與安全性和經(jīng)濟性，將重點放在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)上也不失為一種戰(zhàn)略選擇。

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