1 大型客機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)效益
新一代大型客機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料分配如表 1所示。大量采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是最突出特點(diǎn)之一 ,也是機(jī)體結(jié)構(gòu)減重的主要措施。機(jī)體結(jié)構(gòu)減重潛力分析 (見(jiàn)圖 1)表明只有機(jī)翼、機(jī)身主承力結(jié)構(gòu)均采用復(fù)合材料才可取得明顯的結(jié)構(gòu)明顯減重效果。
表 1 新一代大型客機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料分配 (重量百分比) [526] Table 1 Material distribution of the airframe of large commercial aircraft ( weight percentage) [526]
其他
機(jī)型復(fù)合材料鋁合金鈦合金合金鋼
材料
A380 CFRP 22
61 10 10 4
(2005204227首飛 ) GLARE 3
(正在研發(fā) )
注 : GLARE是一種鋁箔和玻璃纖維 /環(huán)氧層交替鋪層壓制的板材。 3 2007年資料數(shù)據(jù)。隨研發(fā)工作進(jìn)展 ,材料分配還有可能變化。
圖 1 大型客機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)減重潛力分析示意圖 [1] Fig1 1 Weight reduction potential of the airframe struc2 ture[1 ]
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是以設(shè)計(jì)為主導(dǎo)、材料為基礎(chǔ)、綜合制造、工藝檢測(cè)、維修諸方面成果的結(jié)晶。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)效益不僅由材料具有的高比強(qiáng)度、高比剛度帶來(lái)的減重效益 ,而且還應(yīng)包括通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料和工藝改進(jìn)帶來(lái)的結(jié)構(gòu)性能和功能、效能的改善與提高 ,以及運(yùn)營(yíng)成本下降等綜合效益。因此 ,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的效益在相當(dāng)大的程機(jī)身為 70 kg,而鋁合金機(jī)身則要 1 000 kg ,充分體現(xiàn)了復(fù)合材料性能的可設(shè)計(jì)性和優(yōu)異的疲勞性能帶來(lái)的效益。再有 ,復(fù)合材料不易腐蝕 ,允許設(shè)計(jì)人員增加客艙濕度 ,從而解決了鋁合金易腐蝕、客艙濕度不能提高的難題。復(fù)合材料優(yōu)異的疲勞性能和采用健康監(jiān)控技術(shù)使波音 787客機(jī)維護(hù)間隔延長(zhǎng)到 1 000 h,而不是目前波音 767的 500 h。
2 民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)研發(fā)歷程 [2 ,8210 ]
20世紀(jì) 60年代以硼 /環(huán)氧為代表 ,先進(jìn)復(fù)合材料問(wèn)世 ,源于軍機(jī)結(jié)構(gòu)減重需求。此后 ,碳纖維成為主要增強(qiáng)纖維。美國(guó)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)研究大致經(jīng)歷了 4個(gè)階段。民機(jī)著重研究了與安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性相關(guān)的復(fù)合材料性能和設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)。
(1)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)試用與航空工業(yè)認(rèn)可 (20世紀(jì) 60 —70年代中 )
在 F214 ,F215和 F216尾翼上試用 ,完成了航空工業(yè)對(duì)碳纖維聚合物基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用的認(rèn)可 ,并建立規(guī)范 :MIL HDB K217A聚合物基復(fù)合材料 (1971201) ,用于指導(dǎo)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材和材料性能許用值確定。
(2)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究與新型纖維 /樹(shù)脂開(kāi)發(fā) (20世紀(jì) 70年代中 — 80年代末 )
軍 機(jī)民 機(jī)
(4) “可買(mǎi)得起”復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)研究 (20世紀(jì) 90年代至今 )
軍 機(jī)民 機(jī)
F218復(fù)合材料機(jī)翼研制 (1978)和 AV28B復(fù)合材料前機(jī)身、機(jī)翼研制 (1982)用于研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性。
X229前掠翼驗(yàn)證機(jī)氣動(dòng)彈性剪裁技術(shù)研究 (1984212首飛 )。
1982年 10月— 1987年 3月空軍執(zhí)行“復(fù)合材料飛機(jī)主結(jié)構(gòu)損傷容限研究”計(jì)劃 ,解決復(fù)合材料特殊的低能量沖擊損傷問(wèn)題。
B22轟炸機(jī)大型整體壁板翼身融合體研究
(1989) NASA RP 1142 (1985)公布 MIL HDB K217B (1988202)公布 MIL A287221 (U SA F) 1985202公布
T300/環(huán)氧熱壓罐成形工藝為主。
NASA (1976 —1985年 )主持 ACEE計(jì)劃 (Aircraft Energy Efficiency ,飛機(jī)節(jié)能計(jì)劃 ),結(jié)構(gòu)減重、節(jié)省燃油、增加商載 ,突破尾翼級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用。波音 737平尾、 DC210垂尾裝機(jī)使用。
FAA AC 202107復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu) (19782 07)公布用于指導(dǎo)民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
不久 ,FAA AC 202107A (1984204)公布 1989年 T800/增韌環(huán)氧復(fù)合材料達(dá)到主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用材料標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)要求。
NASA組織實(shí)施為期 10～15年復(fù)合材料世界各地環(huán)境自然老化性能研究。結(jié)果表明 ,經(jīng)自
1996年國(guó)防部聯(lián)合 NASA ,FAA和航空工業(yè)界執(zhí)行低成本復(fù)合材料計(jì)劃 (Composite Af2 fordability Initiative ,CAI)。用大約 10年時(shí)間 ,實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料生產(chǎn)成本下降 50 %,能與鋁合金等金屬材料結(jié)構(gòu)相競(jìng)爭(zhēng)。重點(diǎn)研究 :結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) /制造一體化、結(jié)構(gòu)大型整體化、纖維鋪放 (A FP)、自動(dòng)鋪帶 (A TL)、預(yù)制體 / RFI,RTM等工藝技術(shù)和低成本修理技術(shù)。設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)一體化仿真
(Designfor Manufacturingand Reducibility Sim2 ulation ,DMAPS)以實(shí)現(xiàn) “異地設(shè)計(jì)、異地制造”。
NASA首先實(shí)施了 A TCAS計(jì)劃 (先進(jìn)技術(shù)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)劃 )
1988 —1998年 NASA主持實(shí)施了先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)計(jì)劃 (Advanced Composite Technolo2 gy ,ACT)。目的在于突破高損傷容限復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù) ,并降低成本 ,為運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身大量應(yīng)用復(fù)合材料提供技術(shù)支持。要求結(jié)構(gòu)件減重 30 %～50 %,成本降低 20 %～30 %。
研究成果已用于波音 777復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
復(fù)合材料在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上的成功應(yīng)用 ,降低成本要求提上日程 ,使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有高性?xún)r(jià)比 ,(又用得起 )。
“可買(mǎi)得起”
F235首次將“可買(mǎi)得起”列為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重要指標(biāo) ,要求最佳性能與最低成本之間作出折衷和平衡。
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