波音 737水平安定面 NASA航線飛行使用評估、空中客車 A320垂直尾翼、特別是波音 777水平安定面的設計使用經驗。復合材料機翼結構設計重點考慮了機翼 2機身連接、發動機懸掛固定接頭、油箱和電接地、上蒙皮壁板的沖擊損傷容限等問題 ,以及低成本成形工藝技術的適用性、帶加筋桁條大型翼面壁板固化成形技術、檢測和修理技術等 [2]。
波音 787復合材料機翼長 30 m,總體結構布局為典型的雙梁多肋結構型式 ,見圖 3。這種結構型式設計簡單便于制造裝配 ,技術成熟。前大梁為 C剖面槽型整體層合板 CFRP大梁 ;蒙皮為
圖 3 波音 787復合材料機翼結構型式示意圖 Fig13 Boeing 787 composite wing structures
帶 I型加筋條的整體 CFRP壁板 ,采用氣彈剪裁優化設計 ;后梁和 37個肋為鋁合金件 ;機翼 2機身連接鈦合金主接頭、整體鋁合金發動機掛架和傳動裝置支架均為常用結構型式。雷電防護系統銅網在 CFRP翼面壁板成形時固化在壁板上。
A380機翼與機身連接的中央翼盒采用了大型復合材料壁板組裝的盒形件結構 (圖 4)。機翼外翼蒙皮和翼肋采用復合材料結構、內翼采用金屬蒙皮 ,從而避免了根部復合材料翼面受外來物
5 復合材料機身
復合材料機身是 NASA的 ACT計劃的重要研究內容。波音 787飛機采用全復合材料機身說明該項技術已取得了突破性進展。
全復合材料機身典型結構 (段)按照結構受力特點可劃分為上部壁板、左/右側 (大開口 )壁板和地板 /龍骨結構三大區域 ,如圖 5所示 ,不同區域設計和工藝關鍵技術問題是不同的 ,見表 4。
沖擊引起的損傷容限難題。大型復合材料中央翼
盒成為 A380復合材料應用的典范。
圖 5 大型客機機身段分區示意圖 Fig15 Sub regions of large commercial aircraft fuselage
表 4 復合材料機身結構不同區域設計和工藝關鍵技術問題 [ 2 ,15216] Table 4 Key design and manufacture technology issues of different regions on composite fuselage[2,15216]
上部壁板 左/右側 (大開口 )壁板 地板 /龍骨結構
結構型式 桁條加筋層合曲板、隔框半硬殼式壁板 桁梁加筋層合曲板和隔框構成的門窗大開口壁板 (帶有健康檢測系統元件 ) 地板梁和龍骨梁構成的結構 ,外包加筋層合板蒙皮
載荷 /應力 軸向拉伸和環向拉伸的雙軸載荷為主 剪切和彎曲載荷為主 (壁板壓剪穩定性問題 ) ;大開口區載荷重新分布和應力集中 軸向壓縮載荷和地板 /龍骨梁載荷 (含抗墜吸能 ) ;蒙皮承受軸壓和環向拉伸載荷
沖擊損傷 冰雹沖擊損傷 地面維護裝備等沖擊損傷 跑道碎石等沖擊損傷
上部壁板、左/右側壁板、地板 /龍骨結構構成機身段的對接連接
連接各機身段之間對接連接
機翼 2機身連接
蒙皮鋪層纖維自動鋪放 ;桁條、隔框、地板梁、龍骨等 RFI ,RTM低成本制造技術 ;健康檢測系統元件與桁梁加筋層合板共固化成形技術 ;直徑 51 8m、長 10 m復合材料機身段熱壓罐固化成形技術 ;隔框與桁條加筋層合曲板裝配制造工藝技術、地板梁、龍骨梁和加筋板蒙皮裝配技術 ;損傷檢測與修理技術 ;先進制造技術采用的先進鋪帶機、機身固化用超大型熱壓罐 (直徑 911m、長 231 2 m)、高壓水切割機、先進超聲探傷設備以及大型工藝模具等。
波音 787全復合材料機身縱向桁條為帽形閉一起 ,形成帶有整體剪切帶的半硬殼式 ( Mono2 剖面桁條 ,采用共固化或二次膠接與蒙皮形成機coque with Integral Shear Ties ,MIST)壁板見圖 身加筋層合曲板 ;隔框為 C剖面框 ,與桁條交叉6[5]。剪切連接件是將機身座艙內壓作用下桁條處開有切口 ,允許桁條穿過 ;采用剪切連接件 加筋層合曲板與隔框之間連接的螺栓拉伸載荷轉(Shear Tie)將隔框與桁條加筋層合曲板螺接在化為螺栓剪切載荷傳遞給隔框構件。
圖 6 波音 787復合材料機身壁板結構示意圖 Fig1 6 Boeing 787 composite fuselage panel structure左/右側 (大開口 )壁板 (圖 7) ,大開口區域載荷重新分布和應力集中的設計技術和地面維護裝備等沖擊損傷的損傷容限設計技術是波音 787復合材料機身的重要設計亮點。
圖 7 波音 787大開口窗戶 (483 mm ×279 mm)示意圖 Fig17 Boeing 787 large hatch windows (483 mm ×279 mm)
為了確保安全 ,全復合材料機身首次采用了結構健康監控技術 (Structure Health Monito2 ring ,SHM) [526]。
A380機身蒙皮壁板采用了 GLA RE板制造 (圖 8) ,共用 27塊板 ,最長的一塊為 11m ,總面積達 470 m2 [4 ,17219 ]。GL ARE板 (圖 9)是由鋁合金薄板 (0 ,25 mm厚的 2024或 7075鋁箔 )和玻璃纖維增強環氧聚合物復合材料鋪層交替排列構成的一種纖維 2金屬層合板 (fiber2metal lami2 nates)。GL ARE層板除密度略大外 ,拉2壓疲勞性能顯著提高、對缺口和沖擊的敏感性大大下降 ,其力學性能同樣與增強纖維方向有關 ,具有可設計性。 GLARE板成形工藝性可以借鑒鋁合金板的加工工藝。采用 GLARE板可以較好解決機身外來物沖擊損傷容限難題。補充說明 ,波音 787飛機上使用了少量 Ti Gr板 (由 Ti2Al24V箔、 IM6/ PEEK層相間壓制而成 )。
A380機身后壓力艙蓋采用加筋條縫合預制體/ RFI成形 ,見圖 10。
圖 10 A380機身后壓力艙蓋制造工藝示意圖 Fig1 10 A380 fuselage pressure hatch manufacturing process
[8] 唐納德 ·保羅
.美國軍用飛機結構技術的演變 [R].朱璐 ,大型客機沖擊損傷容限、大開口區應力重新分配譯.飛機設計參考資料 ,1997.
和應力集中、龍骨梁集中載荷的分散 ,以及層合板S. military aircraft struc2 tures technology[R]. Zhu Lu,translate,AIAA296 15712
屈曲問題等。
