新一代大型客機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計的若干特點

1、    新一代大型客機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計的若干特點    何長川+梁偉+楊乃賓摘 要大量采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是新一代大型客機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計的突出特點。飛機(jī)機(jī)體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)規(guī)?；瘧?yīng)用的核心問題是突破飛機(jī)機(jī)體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化綜合設(shè)計是在確保使用壽命期內(nèi)、飛機(jī)安全飛行使用的前提下，實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)規(guī)?；瘧?yīng)用并取得良好經(jīng)濟(jì)的、多設(shè)計要素變量的綜合設(shè)計。本文對波音787和空客a350復(fù)合材料機(jī)身的設(shè)計與制造進(jìn)行了對比，分析了各自的優(yōu)缺點。關(guān)鍵詞大型客機(jī)；復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；機(jī)體結(jié)構(gòu)；規(guī)?；瘧?yīng)用；一體化設(shè)計doi：10.3969/j.issn.1

2、673 - 0194.2017.04.091v25 a 1673-0194（2017）04-0-03新一代大型客機(jī)主要指使用效率（efficiency）、經(jīng)濟(jì)（economics）、超凡的乘坐舒適和便利（extraordinary comfort and convenience）以及環(huán)保（environmental）等綜合性能比當(dāng)前航線使用的客機(jī)有很大提高的大型商用運輸機(jī)。新一代大型客機(jī)的概念指導(dǎo)了波音787飛機(jī)和空客a350飛機(jī)的研發(fā)。新一代大型客機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的突出特點是廣泛采用復(fù)合材料，復(fù)合材料不僅減輕了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、提高了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的使用壽命、降低了飛機(jī)的維護(hù)費用，還可以增加艙內(nèi)壓力和空氣

3、濕度，提高民用飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、舒適性、環(huán)保性。先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用走過了一條由小到大、由次到主、由局部到整體、由結(jié)構(gòu)到功能和由軍機(jī)應(yīng)用擴(kuò)展到民機(jī)的發(fā)展道路?；诮?0多年經(jīng)驗的積累和認(rèn)知的共識，按照適航規(guī)章要求，結(jié)合民機(jī)工程實際，聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了規(guī)模化的應(yīng)用。要實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)規(guī)模化的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須要著重考慮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在使用壽命期內(nèi)、安全使用前提下，同時取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足型號設(shè)計要求的同時，必須要考慮結(jié)構(gòu)規(guī)?；瘧?yīng)用對制造、使用、維修提出的新需求，在設(shè)計主導(dǎo)下，形成“設(shè)計制造使用維修”一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

4、1 新一代大型客機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)規(guī)?；瘧?yīng)用的決策新一代大型客機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)需用新材料的決策是依據(jù)未來2030年內(nèi)大型客機(jī)在總體布局上與目前航線飛機(jī)不會有很大差別，但在綜合性能、安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保要求等方面，將有很大的提高發(fā)展趨勢和航線寬體客機(jī)的需求增長制定。新一代大型客機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)規(guī)?；瘧?yīng)用的決策主要考慮：實現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)明顯減重，機(jī)翼、機(jī)身主結(jié)構(gòu)均采用復(fù)合材料制造；中模量高強(qiáng)碳纖維/增韌環(huán)氧（180固化）復(fù)合材料已經(jīng)過工程應(yīng)用的驗證，可滿足大型客機(jī)主結(jié)構(gòu)對材料的要求；復(fù)合材料制造工藝技術(shù)革新和新工藝技術(shù)發(fā)展，可使復(fù)合材料大型結(jié)構(gòu)件制造成本明顯下降；先進(jìn)設(shè)計技術(shù)和設(shè)計制造一體化、并行工程技術(shù)的應(yīng)用，

5、使結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果更科學(xué)合理，可實現(xiàn)異地設(shè)計和制造，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造國際化創(chuàng)造了條件；半個世紀(jì)復(fù)合材料應(yīng)用經(jīng)驗的積累和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計理念與驗證技術(shù)的更新，使新一代飛機(jī)研制周期大大縮短、研發(fā)費用減少。因此，波音公司率先將21世紀(jì)初開始研制的現(xiàn)代寬體客機(jī)波音787復(fù)合材料的用量占到機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的50%，大大提高了結(jié)構(gòu)效率，與同級別客機(jī)相比可節(jié)省燃油20%?？罩锌蛙嚬居?005年5月宣布空客a350項目啟動（a350后稱a350xwb，extra wide-body，型號系列為a350-900）。空中客車公司面對競爭對手的壓力和用戶的要求，在a350項目推出的三年間，曾對a350的設(shè)計方案進(jìn)行多次

6、重要修改，選材方案的修改多達(dá)6次，包括機(jī)身由計劃初期采用鋁和鋁鋰合金，改為機(jī)體由復(fù)合材料制造。2 復(fù)合材料關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計的新問題飛機(jī)機(jī)體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)規(guī)模化應(yīng)用的核心問題是突破飛機(jī)機(jī)體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用技術(shù)。飛機(jī)機(jī)體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是指其完整性對保持飛機(jī)總體安全是至關(guān)重要的承受飛行、地面和增壓載荷的結(jié)構(gòu)或元件（其破壞會降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性）。如：機(jī)翼、中央翼盒、機(jī)身等主結(jié)構(gòu)，對運輸類飛機(jī)還包括主要結(jié)構(gòu)元件。復(fù)合材料在飛機(jī)機(jī)體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，首先要考慮飛機(jī)總體安全對結(jié)構(gòu)完整性的要求。同時，還應(yīng)考慮復(fù)合材料用量大幅增加帶來的固有特性潛在的危害威脅，如對結(jié)構(gòu)制造缺陷、閃電防護(hù)及使用、維修提出的一系列要求。復(fù)合

7、材料關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計的新問題、新考慮，大致可歸納為以下幾方面。（1）基于對飛行安全性的認(rèn)知，機(jī)體結(jié)構(gòu)疲勞和損傷容限設(shè)計是重點，按運輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)的要求，飛機(jī)在整個使用壽命期內(nèi)將避免由于疲勞、環(huán)境影響、制造缺陷或意外損傷引起的災(zāi)難性破壞。特別關(guān)注考慮的是外來物沖擊、目視可見損傷及其擴(kuò)展特性，兩垮元件損傷、結(jié)構(gòu)膠結(jié)以及“地空地”或“飛續(xù)飛”重復(fù)加載引起的材料性能退化和“高低高”溫度交變引起的附加應(yīng)力。（2）質(zhì)量、產(chǎn)量、成本綜合平衡的大型整體結(jié)構(gòu)制造技術(shù)。主結(jié)構(gòu)零構(gòu)件大型化、整體化設(shè)計，如翼面加筋壁板、翼梁、機(jī)身筒殼壁板、地板梁、中央翼盒壁板等，對制造技術(shù)提出了應(yīng)通過充分的試制和試驗

8、，并進(jìn)行合格鑒定，以保證其可重復(fù)生產(chǎn)性和設(shè)計的可靠性，結(jié)構(gòu)制造生產(chǎn)能力應(yīng)滿足飛機(jī)按期交付的需求。采用成熟的制造技術(shù)，如數(shù)字化、自動化（包括檢測自動化）、減少或消除人為因素影響的制造方法，可實現(xiàn)降低結(jié)構(gòu)的制造成本，設(shè)計、制造一體化是必由的技術(shù)途徑。（3）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)閃電防護(hù)設(shè)計的地位很重要。復(fù)合材料（以碳/環(huán)氧復(fù)合材料為代表）導(dǎo)電性比標(biāo)準(zhǔn)鋁合金大約低1 000倍的固有特性，決定了如果不提供恰當(dāng)?shù)膶?dǎo)電閃電防護(hù)，閃電雷擊可能造成結(jié)構(gòu)破壞或大面積損傷，并可能在金屬液壓管路、燃油系統(tǒng)管路和電纜誘導(dǎo)上產(chǎn)生高閃電電流和電壓。閃電防護(hù)可細(xì)分為結(jié)構(gòu)完整性、燃油系統(tǒng)、電氣和電子系統(tǒng)三個方面進(jìn)行考慮，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)閃

9、電防護(hù)給飛機(jī)帶來了重量和成本的增加。 （4）結(jié)構(gòu)耐撞損性的設(shè)計要求。飛機(jī)的耐撞損性由機(jī)身的沖擊響應(yīng)特性控制。對耐撞損性，規(guī)章一直隨著實際飛機(jī)運行使用得到的經(jīng)驗而改變。機(jī)群經(jīng)驗還沒有證實需要整機(jī)級耐撞損性的標(biāo)準(zhǔn)。因此，現(xiàn)行規(guī)章反映了傳統(tǒng)鋁合金飛機(jī)結(jié)構(gòu)在可存活撞損條件下的條件。相對于傳統(tǒng)的機(jī)體設(shè)計，復(fù)合材料耐撞損性的設(shè)計應(yīng)考慮其獨特行為（如各向異性與準(zhǔn)脆性）與結(jié)構(gòu)特性，包括大修或設(shè)計更改。必須評估復(fù)合材料機(jī)身的沖擊響應(yīng)、油箱的結(jié)構(gòu)完整性，以及遭受可存活撞損時，局部強(qiáng)度能量吸收和多種破壞模式的競爭破壞等。（5）結(jié)構(gòu)的可燃性和防火要求。隨著運輸類飛機(jī)機(jī)翼和機(jī)身結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料的擴(kuò)大應(yīng)用，對乘客的安全性帶

10、來了額外的問題。現(xiàn)有的規(guī)章并沒有論述機(jī)體結(jié)構(gòu)本身潛在的可燃性問題。機(jī)翼和機(jī)身使用復(fù)合材料，應(yīng)考慮在飛機(jī)飛行期間著火和緊急著陸隨后溢出燃油可能起火的條件，復(fù)合材料設(shè)計和結(jié)構(gòu)引起的對乘客安全性的影響。（6）售后服務(wù)、使用維護(hù)、修理技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、維修基地的建設(shè)。3 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化綜合設(shè)計的特點復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化綜合設(shè)計是在確保使用壽命期內(nèi)、飛機(jī)安全飛行使用的前提下，實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)規(guī)?；瘧?yīng)用并取得良好經(jīng)濟(jì)的、多設(shè)計要素變量的綜合設(shè)計。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化綜合設(shè)計是一項同時實現(xiàn)設(shè)計制造使用維修一體化和結(jié)構(gòu)承載結(jié)構(gòu)功能閃電防護(hù)一體化的綜合優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)工程。在飛機(jī)使用壽命期內(nèi)避免由疲勞、環(huán)境影響、制造缺

11、陷或意外損傷引起的災(zāi)難性破壞。同時，又要避免復(fù)合材料結(jié)構(gòu)規(guī)模化應(yīng)用，材料固有特性帶來的潛在的閃電、阻燃性、熱損傷等危害引起的安全問題。復(fù)合材料固有的性能可設(shè)計性和材料結(jié)構(gòu)成形中形成的同時性（內(nèi)在技術(shù)制備材料的屬性），決定了復(fù)合材料必須采用設(shè)計、制造一體化，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可制造性和設(shè)計的重復(fù)性。當(dāng)機(jī)體主結(jié)構(gòu)、機(jī)翼、機(jī)身采用復(fù)合材料，閃電防護(hù)成為機(jī)體結(jié)構(gòu)主要設(shè)計要求時，采用設(shè)計制造功能綜合一體化，方可取得明顯的減重效果。維修納入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化的綜合設(shè)計，一方面，源于復(fù)合材料鋪層的可設(shè)計性，造成了結(jié)構(gòu)構(gòu)型風(fēng)格多樣化的特色；另一方面，損傷修理，通常要進(jìn)行損傷部位修整，損傷尺寸反被擴(kuò)大，甚至?xí)绊懼車?/p>

12、結(jié)構(gòu)的承載特性，而修補(bǔ)的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計措施若有不當(dāng)，同樣也會對結(jié)構(gòu)承載帶來不良影響，這說明了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)維修的差異。新一代寬體客機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)規(guī)?；瘧?yīng)用的結(jié)果是客機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為主體的復(fù)合材料金屬材料混合結(jié)構(gòu)。從而為新一代客機(jī)承載功能（閃電防護(hù)、電磁屏蔽）一體化綜合設(shè)計提供了條件。使用維護(hù)（包括檢查方法和檢查周期）、修理是飛機(jī)持續(xù)安全飛行的保障。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理要同時恢復(fù)結(jié)構(gòu)承載能力和功能需求（如閃電防護(hù)、電池屏蔽要求等）。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理與結(jié)構(gòu)構(gòu)型、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、損傷等形式密切相關(guān)，且損傷部位的修整往往會需要擴(kuò)大損傷范圍，修補(bǔ)材料與結(jié)構(gòu)原用材料匹配，以及修理補(bǔ)強(qiáng)可能引起應(yīng)力集中等

13、問題。故此，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修時適航規(guī)章要求設(shè)計一體化需予以考慮。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化綜合設(shè)計技術(shù)具有以下特點（1）結(jié)構(gòu)一體化綜合設(shè)計取決于復(fù)合材料固有的材料性能可設(shè)計性、結(jié)構(gòu)成形與材料成形的同時性。給定的復(fù)合材料最終力學(xué)性能很大程度上取決于制品零件所采用的制造方法。（2）結(jié)構(gòu)一體化綜合設(shè)計應(yīng)歸于飛機(jī)機(jī)體總體設(shè)計的范圍，其與結(jié)構(gòu)傳力路線和受力構(gòu)件布局密切相關(guān)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計分離面和制造工藝分離面選擇以及主要連接方式對降低制造成本有重要影響。整體筒殼機(jī)身和壁板組合機(jī)身對比實例充分說明了這一點。（3）結(jié)構(gòu)一體化綜合設(shè)計目的在于發(fā)揮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的互補(bǔ)，并均衡、綜合為一體，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載功能

14、（閃電防護(hù)、電磁屏蔽）一體化。4 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化綜合設(shè)計的實例分析4.1 整體筒殼機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的實例整體筒殼機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案立足于利用復(fù)合材料自動纖維鋪放/纏繞成形工藝，將機(jī)身段設(shè)計成整體筒殼，這是一種機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新嘗試。經(jīng)過小型飛機(jī)整體筒殼機(jī)身設(shè)計試驗驗證，取得一定經(jīng)驗后，波音787大型客機(jī)放棄了壁板組合機(jī)身結(jié)構(gòu)的方案，大膽采用了整體筒殼機(jī)身設(shè)計方案。波音787復(fù)合材料機(jī)身采用整體筒殼機(jī)身設(shè)計方案，結(jié)構(gòu)總體布局分為前機(jī)身、中機(jī)身、后機(jī)身三部分、6個整體筒殼結(jié)構(gòu)段，如圖1所示。圖1 波音787復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)分段示意圖波音公司對飛機(jī)結(jié)構(gòu)選擇新結(jié)構(gòu)方案取決于飛機(jī)性能要求、成本考慮和技

15、術(shù)的成熟程度。20世紀(jì)80年代末，波音公司民用飛機(jī)部進(jìn)行了nasa的act先導(dǎo)計劃的一部分先進(jìn)技術(shù)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)（atcas）計劃，對復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)分區(qū)壁板研制中設(shè)計和制造的問題進(jìn)行了分析、研究，其最終還是選擇了整體筒殼機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，其主要有以下考慮。整體筒殼機(jī)身結(jié)構(gòu)可以采用纖維自動鋪放技術(shù)實現(xiàn)自動鋪層，提高生產(chǎn)效率、降低成本，滿足了批量生產(chǎn)供貨的要求；由壁板組合機(jī)身結(jié)構(gòu)改為整體筒殼機(jī)身結(jié)構(gòu)可大大減少裝配，機(jī)身結(jié)構(gòu)減重預(yù)期可達(dá)20%。整體筒殼機(jī)身使波音787機(jī)身減少了31 500個零件。選擇整體筒殼機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的不足之處：熱壓罐尺寸限制了機(jī)身分段的長度，出現(xiàn)機(jī)身分段多，且在受力大

16、的部位有機(jī)身分段對接面，每個對接接頭增重80 kg；整體筒殼出現(xiàn)大的缺陷時，修理或更換困難；需要大直徑熱壓罐固化設(shè)備。4.2 壁板組合機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的實例空客a350xwb機(jī)身筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計是在分析、吸取復(fù)合材料整體筒殼機(jī)身結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗，并借鑒a380機(jī)身筒體壁板組合結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，確定復(fù)合材料機(jī)身為3個分段、4塊壁板組合機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案。a350技術(shù)設(shè)計分前、中、后3段，直徑為5.89 m。長度分別為13、18、16 m，a350機(jī)身設(shè)計如圖2所示。 圖2 a350機(jī)身設(shè)計空客公司認(rèn)為復(fù)合材料壁板組合機(jī)身結(jié)構(gòu)的方案與整體筒殼機(jī)身結(jié)構(gòu)的方案相比，具有以下優(yōu)點：可按照各分區(qū)結(jié)構(gòu)和載荷特點進(jìn)行鋪

17、層優(yōu)化和加筋桁梁隔框布局；機(jī)身可以根據(jù)受力情況進(jìn)行分段，分為前機(jī)身段、中機(jī)身段和后機(jī)身段，從而避免在受力大的部位處進(jìn)行分段之間對接，減少了兩分段對接的復(fù)雜程度，且由于減少了機(jī)身分段數(shù)，維修工作也更為方便；機(jī)身筒體每塊復(fù)合材料壁板均有較好的平直度，易于采用纖維自動鋪放技術(shù)實現(xiàn)自動鋪層；有利于分段外包、促進(jìn)競爭、減小風(fēng)險。空客公司認(rèn)為復(fù)合材料壁板組合機(jī)身結(jié)構(gòu)的方案與整體筒殼機(jī)身結(jié)構(gòu)的方案相比的不足之處或問題：壁板之間不僅對接長度增加，且在應(yīng)力水平高的環(huán)向?qū)?，造成結(jié)構(gòu)增重明顯；座艙氣密性也受到影響。4.3 波音787和空客a350復(fù)合材料機(jī)身設(shè)計與制造對比分析（1）波音787機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計面向當(dāng)時已

18、成熟的纖維自動鋪放技術(shù)，整體筒殼機(jī)身實現(xiàn)了“異地設(shè)計、異地制造”的自動化生產(chǎn)，有利于消除人為因素對結(jié)構(gòu)件質(zhì)量的影響?？湛蚢350充分吸取了波音787的經(jīng)驗和教訓(xùn)，方案確定花費了三年時間，優(yōu)化了材料的利用，選擇了復(fù)合材料壁板組合機(jī)身筒體，機(jī)頭段采用鋁合金結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了設(shè)計制造使用維護(hù)一體化和結(jié)構(gòu)功能（承載和閃電防護(hù)）一體化的綜合設(shè)計。（2）波音787整體筒殼段對接，兩筒段間幾何尺寸和形狀偏差，大大增加了機(jī)身段對接連接的困難?？湛蚢350壁板組合機(jī)身筒段，大大降低了對熱壓罐尺寸的要求，并可顯著提高熱壓罐的利用率，降低了成本。（3）波音787閃電防護(hù)采用銅網(wǎng)“全屏蔽”，結(jié)合結(jié)構(gòu)中金屬構(gòu)件方案。空客a350閃電防護(hù)采用金屬型材和條帶，結(jié)合結(jié)構(gòu)中金屬構(gòu)件形成電結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)方案。（4）波音787整體筒殼機(jī)身維修困難?？湛蚢350壁板組合結(jié)構(gòu)維修相對容易。5 結(jié) 語復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體綜合設(shè)計，從設(shè)計制造一體化延伸到與結(jié)構(gòu)疲勞、損傷容限密切相關(guān)細(xì)節(jié)的設(shè)計和可維修性，綜合優(yōu)化制造、損傷阻止擴(kuò)展及其維修，科學(xué)合理的使用壽命期的綜合優(yōu)化設(shè)計方案將大幅度提高結(jié)構(gòu)的重復(fù)性，降低制造和維修成本。結(jié)構(gòu)承載和飛機(jī)航電、飛控系統(tǒng)防護(hù)、閃電防護(hù)等的一體化設(shè)計，利用金屬材料構(gòu)件彌補(bǔ)和消除復(fù)合材料弱導(dǎo)電、導(dǎo)熱固有特性帶來的潛在危害，既可達(dá)到結(jié)構(gòu)安全使用，又可減重，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。繼波音78