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的趨勢將繼續下去。對復合材料結構的設計、制造提出新的研究課題 (圖 4)。
圖
4 波音 787飛機的機體表面結構基本上采用了復合材
composite
material[7 ]
(1)復合材料設計技術的發展
復合材料的應用的主要優勢是可以明顯的減輕結構重量。復合材料使波音 787客機有效降低了飛機重量 ,提高了燃油效率。預計波音 787的燃油消耗可比波音 767和 A330分別降低 20 %。由于其 1%的機身結構采用了抗疲勞、抗腐蝕材料 ,大大提高了飛機抗裂紋擴展能力 ,使外場維護間隔達 1 000 h,比傳統飛機多 300～500 h[2]。
但是 ,實踐證明 ,不進行復合材料設計技術研究 ,是很難達到預期的減重效果。根據空客公司和 Cranfield大學的研究得出的結論 ,復合材料的減重面臨著如下的挑戰 :對比鋁合金 7075與碳纖維復合材料的比強度和比剛度的值 ,可以得出復合材料減重效果是十分明顯的。但考慮拉、壓的其他因素后 ,其減重效果會大打折扣 (表 3)。
表 3 考慮各種因素后 ,等代設計的復合材料結構與鋁合金結構減重效果分析 Table 3 Weight saving of composite material compared with aluminum in different conditions
材料 比強度 比剛度 受拉孔應力集中影響 考慮壓縮穩定性
7075鋁合金 1 1 1 1
碳纖維復合材料 2177 1171 01 67 01 44
減重效果 / % 63 42 28 18
歐盟的科研組織 GAR TEU R啟動的航空結構和材料方面研究 ,其中部分涉及復合材料的研究項目 :①復合材料鋪層和結構疲勞失效分析 ,研究鋪層結構斷面特性 ;②復合材料結構沖擊損傷和復合材料結構的修補研究。包括 :復合材料結構沖擊損傷的評估方法的建立 ;膠結結構的維修研究 ;③復合材料結構后屈曲和壓損破壞分析。
為了有效的發揮復合材料減重的特點 ,結構設計應發揮復合材料可剪裁的設計優勢 ,將減重的效果發揮出來。為此要解決以下的關鍵技術
:
①提高復合材料結構承載能力的研究 ;②新概念術 ;④復合材料的多學科優化剪裁 (含氣動彈性 );⑤采用先進復合材料制造技術的設計。
(2)提高復合材料承載能力的研究
復合材料的承載能力主要是受到許用應變的限制。目前許用應變大多采用 4 000左右的微應變。考慮到復合材料受拉時 ,孔邊沒有塑性變形的應力松弛及受壓時結構在濕熱環境下沖擊損傷的擴展帶來的受壓穩定性問題后 ,造成許用應變大大降低 (圖 5)。
圖 5 復合材料開孔受拉應力集中較鋁合金嚴重 ,造成提前破壞的現象 [8] Fig1 5 Hole side stress concentration will cause early breach for composite material structure[8]
復合材料的開孔處必須局部加強 ,將應力集
中降到適當的水平。在這方面的設計要比金屬結
構更為重視。
復合材料結構在超過一定能量低速沖擊的
情況下形成的損傷 ,在受壓載荷下 ,壓縮強度會
明顯降低。圖 6展示了某一板受壓強度隨著沖
擊能量變化而降低的情況。可以看出 ,損傷對
結構的受壓穩定性有著巨大的影響。研究在損
傷情況下的復合材料的受壓穩定性是決定復合
材料承載能力的關鍵。對于帶有損傷的復合材
料結構穩定性屈曲和過屈曲分析的研究越來越
引起重視。
為降低低速沖擊造成的損傷 ,目前除個別部
位采用縫紉方法 ,正在較為廣泛地采用 Z型釘和
X型釘的增強方法 ,以提高結構的承載能力。
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圖 6 復合材料板的沖擊損傷對承載能力的影響 [8]
在波音 787飛機上得到了首次應用
[9]。
Fig16 Influence of impact energy on CFR structure com2 波音 787研制中的問題之一是復合材料機pression strength[8] 身的維修問題。復合材料的強度來自于纖維與機體樹脂固化形成結構 ,一旦損傷分層或纖維斷裂 ,
纏繞、
等特殊工藝方法 ,可以設計和制造出有別于金屬結構的新結構形式。例如機身結構采用纏繞成形復雜的加筋板 ,如圖 7所示。
圖 7 纏繞成形復合材料機身壁板結構 [4] Fig17 Carbon fiber wound panel for body section structure[8 ]
上述新整體結構形式 ,大大降低了零件數量和裝配連接 ,也降低了產品加工成本。目前統計的西方復合材料制件的成本已接近了鋁合金相應結構的成本。
(4)復合材料的健康監控、無損檢測和維修技術
廣泛采用復合材料給使用和維護這些飛機的航空公司帶來一項新的挑戰 :在飛機復合材料結構全壽命使用過程中 ,如何監控由復合材料制成的飛機結構件并發現其內部的損傷 ,如何判斷損傷的部位和程度 ,如何及時報警成為關鍵技術之一。結構狀態監控 ( SHM)是在飛機復合材料結構中安裝傳感器、激振器、光纖網絡和處理機 ,通過一定的軟件系統 ,可以確定結構的健康情況和損傷 ,并由系統報警。但要解決上述關鍵技術 ,同時又在飛機的設計壽命期 (30年)內保證進入結構的系統正常工作、具有高可靠性是相當大的挑戰。國外正考慮研發一種機載結構狀態監控系統 ,用于大面積使用復合材料的飛機。
確保復合材料部件產品完整性的主要手段是采用無損檢測。出廠的產品將用無損檢驗做出評估和作為健康監控的基本數據。這些技術已開始
結構強度就要受到很大的損失。復合材料破損后 ,很難采用修補金屬的辦法來修補。研究適合不同工藝和材料的復合材料修補問題成為復合材料大面積應用的關鍵問題之一。目前各飛機制造公司都具備一定的維修手段 ,但都不十分滿意 ,研究工作仍在進行。
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