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(shè)計(jì)使用經(jīng)驗(yàn)。復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮了機(jī)翼 2機(jī)身連接、發(fā)動機(jī)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(shù)的適用性、帶加筋桁條大型翼面壁板固化成形技術(shù)、檢測和修理技術(shù)等 [2]。
波音 787復(fù)合材料機(jī)翼長 30 m,總體結(jié)構(gòu)布局為典型的雙梁多肋結(jié)構(gòu)型式 ,見圖 3。這種結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)簡單便于制造裝配 ,技術(shù)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(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)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(yōu)化設(shè)計(jì) ;后梁和 37個(gè)肋為鋁合金件 ;機(jī)翼 2機(jī)身連接鈦合金主接頭、整體鋁合金發(fā)動機(jī)掛架和傳動裝置支架均為常用結(jié)構(gòu)型式。雷電防護(hù)系統(tǒng)銅網(wǎng)在 CFRP翼面壁板成形時(shí)固化在壁板上。
A380機(jī)翼與機(jī)身連接的中央翼盒采用了大型復(fù)合材料壁板組裝的盒形件結(jié)構(gòu) (圖 4)。機(jī)翼外翼蒙皮和翼肋采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、內(nèi)翼采用金屬蒙皮 ,從而避免了根部復(fù)合材料翼面受外來物
5 復(fù)合材料機(jī)身
復(fù)合材料機(jī)身是 NASA的 ACT計(jì)劃的重要研究內(nèi)容。波音 787飛機(jī)采用全復(fù)合材料機(jī)身說明該項(xiàng)技術(shù)已取得了突破性進(jìn)展。
全復(fù)合材料機(jī)身典型結(jié)構(gòu) (段)按照結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)可劃分為上部壁板、左/右側(cè) (大開口 )壁板和地板 /龍骨結(jié)構(gòu)三大區(qū)域 ,如圖 5所示 ,不同區(qū)域設(shè)計(jì)和工藝關(guān)鍵技術(shù)問題是不同的 ,見表 4。
沖擊引起的損傷容限難題。大型復(fù)合材料中央翼
盒成為 A380復(fù)合材料應(yīng)用的典范。
圖 5 大型客機(jī)機(jī)身段分區(qū)示意圖 Fig15 Sub regions of large commercial aircraft fuselage
表 4 復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)不同區(qū)域設(shè)計(jì)和工藝關(guān)鍵技術(shù)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(cè) (大開口 )壁板 地板 /龍骨結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)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(gòu)成的門窗大開口壁板 (帶有健康檢測系統(tǒng)元件 ) 地板梁和龍骨梁構(gòu)成的結(jié)構(gòu) ,外包加筋層合板蒙皮
載荷 /應(yīng)力 軸向拉伸和環(huán)向拉伸的雙軸載荷為主 剪切和彎曲載荷為主 (壁板壓剪穩(wěn)定性問題 ) ;大開口區(qū)載荷重新分布和應(yīng)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(huán)向拉伸載荷
沖擊損傷 冰雹沖擊損傷 地面維護(hù)裝備等沖擊損傷 跑道碎石等沖擊損傷
上部壁板、左/右側(cè)壁板、地板 /龍骨結(jié)構(gòu)構(gòu)成機(jī)身段的對接連接
連接各機(jī)身段之間對接連接
機(jī)翼 2機(jī)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(shù) ;健康檢測系統(tǒng)元件與桁梁加筋層合板共固化成形技術(shù) ;直徑 51 8m、長 10 m復(fù)合材料機(jī)身段熱壓罐固化成形技術(shù) ;隔框與桁條加筋層合曲板裝配制造工藝技術(shù)、地板梁、龍骨梁和加筋板蒙皮裝配技術(shù) ;損傷檢測與修理技術(shù) ;先進(jìn)制造技術(shù)采用的先進(jìn)鋪帶機(jī)、機(jī)身固化用超大型熱壓罐 (直徑 911m、長 231 2 m)、高壓水切割機(jī)、先進(jìn)超聲探傷設(shè)備以及大型工藝模具等。
波音 787全復(fù)合材料機(jī)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(jī)coque with Integral Shear Ties ,MIST)壁板見圖 身加筋層合曲板 ;隔框?yàn)?C剖面框 ,與桁條交叉6[5]。剪切連接件是將機(jī)身座艙內(nèi)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(zhuǎn)(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(gòu)件。
圖 6 波音 787復(fù)合材料機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)示意圖 Fig1 6 Boeing 787 composite fuselage panel structure左/右側(cè) (大開口 )壁板 (圖 7) ,大開口區(qū)域載荷重新分布和應(yīng)力集中的設(shè)計(jì)技術(shù)和地面維護(hù)裝備等沖擊損傷的損傷容限設(shè)計(jì)技術(shù)是波音 787復(fù)合材料機(jī)身的重要設(shè)計(jì)亮點(diǎn)。
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(fù)合材料機(jī)身首次采用了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù) (Structure Health Monito2 ring ,SHM) [526]。
A380機(jī)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(dá) 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(qiáng)環(huán)氧聚合物復(fù)合材料鋪層交替排列構(gòu)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(xué)性能同樣與增強(qiáng)纖維方向有關(guān) ,具有可設(shè)計(jì)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(jī)身外來物沖擊損傷容限難題。補(bǔ)充說明 ,波音 787飛機(jī)上使用了少量 Ti Gr板 (由 Ti2Al24V箔、 IM6/ PEEK層相間壓制而成 )。
A380機(jī)身后壓力艙蓋采用加筋條縫合預(yù)制體/ RFI成形 ,見圖 10。
圖 10 A380機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)的演變 [R].朱璐 ,大型客機(jī)沖擊損傷容限、大開口區(qū)應(yīng)力重新分配譯.飛機(jī)設(shè)計(jì)參考資料 ,1997.
和應(yīng)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。
