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優化后的結構應解決其工藝實現的可行性問題。圖 8描述了目前正在開展的課題的研究結果 ,將復合材料優化后板的鋪層通過 CAD軟件 ,實現鋪層自動化。
圖 8 復合材料板優化后鋪層通過軟件系統實現自剪裁 Fig1 8 Auto2lamination software for composite ma2 terial panel tailor
(6)采用先進復合材料制造技術的設計
目前在復合材料結構中廣泛采用適應復合材料的新技術 ,這樣在結構設計中也要考慮采取適當的設計考慮。下面給出幾種常用的新制造技術。
①共固化技術。復合材料采用這一技術可以大大減少零件數量和裝配連接的工作量 ,在重量、成本上也帶來好處。對于采用共固化的結構設計應考慮到共固化的工藝可行性和經濟性。
② R TM樹脂基轉移技術。采用這種技術的結構可以實現先編制后成形的制造過程。這樣有利于制造十分復雜的三維曲面零件 ,提高結構的抗沖擊損傷能力 ,但要保證這種結構有高承載能力 ,必須在設計上采取措施 ,以保證注塑工藝性好。對于該工藝所需較高價格的模具所帶來的成本問題 ,也應予以考慮。
③RFI樹脂膜熔滲成形方法和 R TM有類似之處 ,但是其對模具的要求較低 ,給成本帶來好處。但是該結構也可采取鋪層和縫紉的方法 ,這樣在一些雙曲面的結構 ,如 A380飛機機身后增壓框在采用這種工藝方法制造時 ,設計中采用了只有 0°和 ± 45°的“無皺褶”鋪層方式。最后成功地用 RFI成型了雙曲面的框結構 (見圖 9)。
41 2 金屬結構技術的發展
復合材料在飛機結構中的應用越來越廣泛情況下 ,金屬結構的設計技術也在不斷發展。空客 A380飛機就體現了這一點。
圖 9 共固化成型的波音 787復合材料機身壁板結構和
用無皺布通過
RFI成型的 A380機身后增壓框 [10 ] Fig1 9 Co2cure body structure for Boeing 787 and resin
film infusion (RFI) with non2crimped fabrics for
A380 rear pressure bulkhead[10]
(1)高強度鋁合金焊接結構的首次大面積應用
在 A380機身的壁板首次采用了高強度鋁合金 6056 (7075系列 )激光束焊設計。該結構形式可以省去加筋條用于與蒙皮連接的彎邊 ,可以減輕 5%～10 %的結構重量 ,同時也提高了機身結構的密封性能 ,而且比傳統的鉚接連接法速度更快 ,每分鐘可用激光束焊接 8m長的桁條。這種方法包括了一個內置的自動檢測單元。在焊后的結構上進行測定疲勞和損傷容限的特性。檢驗已證實它具有常規的合金結構設計需要的性能。這種技術的優勢之一是取消了緊固件 ,從而消除了腐蝕和疲勞裂紋的主要來源之一。
鑒于激光焊接結構在焊縫處出現的局部退火現象和焊接對材料的疲勞性能的降低 ,A380飛機將該結構形式用于機身的受壓面。為了該技術的應用 ,空客公司曾進行了激光焊接結構的大量疲勞斷裂的力學特性的研究 ,以確保該結構能夠安全的在飛機上使用。
(2)混雜結構的應用
在空客 A380飛機的襟翼滑軌上采用了“混雜結構” (圖 10)。其特點是將復合材料、鈦合金、鋼和鋁合金等多種材料混雜地應用在一個飛機的結構上。主要優點是在不同的受力部位可以充分利用各種材料的特點和優勢 ,有效減輕結構重量 ,
同時提高結構的耐用性 ,如鈦合金用于滑軌面 ,可以提高結構耐磨性。該技術的應用 ,要解決以下問題 :①不同材料間的電化腐蝕問題。 ②不同材料應力應變不協調問題。例如鋼比鋁合金的模量高 3倍 ,強度也高 3倍 ,所以混雜使用時可以協調的承載。但鈦合金的模量是鋁合金的 11 3倍 ,但
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強度是其 3倍左右 ,兩種材料簡單的混雜使用時 ,必然造成鋁合金不能充分承載。
圖 10 空客 A380飛機襟翼滑軌采用的混雜結構技術 [10 ] Fig1 10 Hybrid materials flap track for A380[10]
(3)與新工藝結合的其他結構技術
在 A380飛機的金屬結構上還采用了以下的新技術 :高強度鋁合金的時效成型技術。在 A380飛機機翼的受壓下壁板 ,采用了高強度鋁合金 (7075系列 )的時效成型 ,即在 150℃情況下 ,壁板在模具上 ,經過 24 h的蠕變成型。其關鍵技術是準確地計算出壁板的回彈量 ,在模具設計中給予補償。這種方法可以消除壁板成型過程中的內應力 ,有利于結構的疲勞特性。同時 ,該方法也可以節省加工成本和提高成型精度。 A380飛機只用這種成型方法去成型受壓結構的壁板。該機翼的受拉壁板還是采用噴丸成型方法 ,因為通過噴丸 ,可以提高受拉壁板的疲勞特性。
空客飛機的機翼從 A300開始就采用自動壓鉚技術。即在機翼壁板與加筋條連接中 ,利用數控定位進行全自動的鉚接。該設備實現采用無排削的鉆孔技術、無頭鉚釘的雙面成型釘頭的鉚接、銑切掉外表面釘頭一次完成。在 A380飛機機翼的連接上 ,進一步采用了電磁鉚接代替了以前的機械壓鉚 ,同時采用了一套依靠鉚接參數確定鉚接質量的軟件系統。使得百萬量級的鉚接可以自動進行質量控制。空客飛機的機翼的全部采用鈦合金螺栓 ,替代了所有的鋼螺栓。其中 80 %采用的是過盈螺栓 ,以提高結構的抗疲勞特性。
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