復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用

1、復(fù)合材料在飛機航空中的應(yīng)用與開展學(xué)校：西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 專業(yè)：金屬材料與熱處理技術(shù) 姓名：郭遠(yuǎn)摘要復(fù)合材料在飛機上的用量和應(yīng)用部位已成為衡量飛機結(jié) 構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一；復(fù)合材料構(gòu)件的整體成型、共固 化技術(shù)不斷進(jìn)展,復(fù)雜曲面構(gòu)件不斷擴大應(yīng)用；復(fù)合材料的 數(shù)字化設(shè)計,設(shè)計、制造一體化,以及基于三維模型鋪層展 開的專用設(shè)計/制造軟件等技術(shù)的開發(fā)是先進(jìn)復(fù)合材料開展 的根本技術(shù)保證.復(fù)合材料在飛機航空中的應(yīng)用與開展復(fù)合材料大量用于航空航天工業(yè)和汽車工業(yè),特別是先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料用于飛機 尤為值得注意.不久前,碳纖維復(fù)合材料只能在軍用飛機用作主結(jié)構(gòu),但是,由于技術(shù) 開展的進(jìn)步,先進(jìn)復(fù)合材料已開始在

2、民航客機止也應(yīng)用作主結(jié)構(gòu),如機身、機翼等.一.飛機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的優(yōu)勢現(xiàn)今新一代飛機的開展目標(biāo)是“輕質(zhì)化、長壽命、高可靠、高效能、高隱身、低成 本.而復(fù)合材料正具備了上面的幾個條件,成為實現(xiàn)新一代飛機開展目標(biāo)的重要途復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高強、可設(shè)計、抗疲勞、易于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化等優(yōu)點,因此,繼鋁、鈦、鋼之后迅速開展成為四大飛機結(jié)構(gòu)材料之一.復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用首先帶來的是顯著的減重效益,復(fù)合材料尤其是碳纖維復(fù)合材料其密度僅為cm3左右,如等量代替鋁合金,理論上可有 42%的減重效果.近年來隨著復(fù)合材料技術(shù)的深入研究和應(yīng)用實踐的積累,人們清楚地熟悉到：復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)上應(yīng)用效益絕不僅僅

3、是減重,而且給設(shè)計帶來創(chuàng)新舞臺,通過合理設(shè)計,還可提供諸如抗疲勞、抗振、耐腐蝕、耐久性和吸透波等其它傳統(tǒng)材料無法實現(xiàn)的優(yōu)異功能特性,可極大地提升其使用效能,降低維護(hù)本錢,增加未來開展的潛力和空問.尤其與鋁合金等傳統(tǒng)材料相比,可明顯減少使用維護(hù)要求,降低壽命周期本錢,特別是當(dāng)飛機進(jìn)入老齡化階段后效果更明顯,據(jù)說B787較之B767機體維修本錢會降低30%,這在很大程度上應(yīng)歸功于復(fù)合材料的大量應(yīng)用.同時,大局部復(fù)合材料飛機構(gòu)件可以整體成型,大幅度減少零件數(shù)目,減少緊固件數(shù)目,減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量,降低連接和裝配本錢,從而有效地降低了總本錢,如 F/A-18E/F零件數(shù)減少42%,減重158kg.復(fù)合材 料

4、整體成型技術(shù)還可消除縫隙、臺階和緊固件,無疑對提升軍機的隱身性能也具有非常 重要的奉獻(xiàn).2 .飛機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的開展過程先進(jìn)復(fù)合材料于上世紀(jì)60年代中期一問世,即首先用于飛行器結(jié)構(gòu)上.30多年來先進(jìn)復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)上應(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、由軍機應(yīng)用擴展到民機應(yīng)用的開展道路.1 .復(fù)合材料在軍用飛機上的開展過程縱觀國外軍機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料所走過的道路,大致可分為三個階段:第一階段復(fù)合材料主要用于受力較小或非承力件,如艙門、口蓋、整流罩以及襟副翼、方向舵等,大約于上世紀(jì)70年代初完成.第二階段復(fù)合材料主要用于垂尾、平尾等尾翼一級的次承力部件,以F-14硼/

5、環(huán)氧復(fù)合材料平尾于1971年研制成功作為標(biāo)志,根本于上世紀(jì) 80年代初完成.此后F-1S F-1& F-18、幻影2000和幻影4000等均采用了復(fù)合材料尾翼,此時復(fù)合材料用量大約 只占全機結(jié)構(gòu)重量的5%.第三階段復(fù)合材料開始應(yīng)用于機翼、機身等主要的承力結(jié)構(gòu),受力很大,規(guī)模也很 大.主要以1976年美國原麥道公司研制成功 FA-18復(fù)合材料機翼作為里程碑,此時復(fù)合 材料用量已提升到了 13%,軍機結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化進(jìn)程進(jìn)一步得到推進(jìn).此后世界各國 所研制的軍機機翼一級的部件幾乎無一例外地都采用了復(fù)合材料,具復(fù)合材料用量不斷 增加,如美國的 AV-8R B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F

6、-35 法國的“陣風(fēng) Rafale、瑞 典的JAS-39歐洲英、德、意、西四國聯(lián)合研制的“臺風(fēng) EF200.、俄羅斯的C-37等,具體如表1所示.應(yīng)該指出繼機翼、機身采用復(fù)合材料之后,飛機的最后一個重要部件一一起落架也 開始了應(yīng)用復(fù)合材料,向著全機結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化又邁進(jìn)了一步.復(fù)合材料用在起落架 上是代鋼而不是代鋁,可有更大的減重空間,一般可達(dá) 40%左右.2 .復(fù)合材料在民用航空上的開展繼軍機之后,國外大型民機也大量采用復(fù)合材料,以波音飛機為例,其進(jìn)程大致走 過了四個階段：第一階段：采用復(fù)合材料制造受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板 等構(gòu)件,該階段于上世紀(jì)70年代中期實現(xiàn).第二階段：制造升

7、降舵、方向舵、襟副翼等受力較小的部件,該階段約于 80年代中期結(jié)束.第三階段：制造垂尾、平尾受力較 大的部件,突破了尾翼級部件在大型客機上的試用,隨后B777設(shè)計應(yīng)用了復(fù)合材料垂尾、平尾,共用復(fù)合材料噸,占結(jié)構(gòu)總重的 11%.第四階段：在飛機最主要受力部件機 翼、機身上正式使用復(fù)合材料,如波音公司正在研制的B787 “夢想飛機,具復(fù)合材料用量達(dá)50%.下列圖為B787 “夢想中復(fù)合材料的使用情況.圖中深藍(lán)色局部為飛機的碳層合板,用于機身主體的機構(gòu),淺藍(lán)色為碳夾芯板,用 于飛機的尾翼局部和側(cè)翼的少局部部件,綠色局部是玻璃纖維,紅色局部為鋁,黃色部 分為鋁/鋼/鈦吊架.空客也于70年代中期開始了先

8、進(jìn)復(fù)合材料在其 A300系列飛機上的應(yīng)用研究,經(jīng)過 7年時間于1985年完成了 A320全復(fù)合材料垂尾的研制,此后 A300系列飛機的尾翼一 級的部件均采用復(fù)合材料,將復(fù)合材料的用量迅速推進(jìn)到了15%左右.已于2005年初下線并首飛的A380超大型客機,具復(fù)合材料用量達(dá) 25%,主要應(yīng)用部位包括中央翼、 外翼、垂尾、平尾、機身地板梁和后承壓框等,開創(chuàng)了先進(jìn)復(fù)合材料在大型客機上大規(guī) 模應(yīng)用的先河.上面的圖為空客大型民機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的進(jìn)程.3 .復(fù)合材料在我國飛機制造的應(yīng)用我國于上世紀(jì)70年代已開展軍機用先進(jìn)復(fù)合材料的研究.“六五期間作為預(yù)研項 目研制了兩個機型的復(fù)合材料垂尾,1985年開始研制

9、某型機帶整體油箱的復(fù)合材料機 翼,90年代初研制了某型機復(fù)合材料垂尾和前機身,此后多種機型均正式采用了復(fù)合材料,其復(fù)合材料用量接近10%.雖然我國在航空和汽車領(lǐng)域中,對于復(fù)合材料已經(jīng)有了一定的了解和應(yīng)用,但是復(fù) 合材料的開發(fā)和投用在我國仍是一個重大的難點,我國航天事業(yè)起步慢,也沒有核心技 術(shù)的支持,但是我相信,在長期的努力之下,我們國家一定會擁有自己的復(fù)合材料的技 術(shù),并用于飛機,汽車等的制造中.3 .飛機結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在將來的開展及前景人們以前一直擔(dān)憂樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用壽命問題,30多年來的應(yīng)用開展歷史證實了先進(jìn)復(fù)合材料具有優(yōu)異的使用性能,使用壽命不成問題,這也是目前飛機結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用量

10、大幅提升的根底和前提.自 20世紀(jì)70年代先進(jìn)復(fù)合材料進(jìn)入飛機結(jié)構(gòu)以 來,各種飛機從未因大量使用復(fù)合材料引發(fā)飛行事故,這無疑為復(fù)合材料的應(yīng)用增加了 信心和平安置信度.最早的裝機件歷經(jīng) 30余年的使用,已到設(shè)計的使用壽命,最近的 檢測結(jié)果說明,空中使用和地面驗證情況相符,疲勞和使用環(huán)境未造成剩余強度下降, 仍可承受既定的設(shè)計載荷,絕大多數(shù)制件至今仍處于良好狀態(tài).曾以為樹脂基復(fù)合材料 的老化可能是影響使用的嚴(yán)重問題,國外的大量使用經(jīng)驗證實,老化不成問題,性能衰 退未超過使用要求.同時使用經(jīng)驗還說明,復(fù)合材料隨飛機結(jié)構(gòu)成功地經(jīng)受了疲勞與溫 度、吸濕及腐蝕等環(huán)境的考驗,有些問題并不像當(dāng)初預(yù)計的那樣嚴(yán)重

11、.實踐還使人們熟悉到復(fù)合材料越是用于主結(jié)構(gòu)問題越少,使用性能可能更好.如復(fù) 合材料薄板,特別是薄的蜂窩結(jié)構(gòu)面板常出現(xiàn)沖擊損傷容限等問題,但主結(jié)構(gòu)板厚增 加,如A380中央翼盒處板厚可達(dá)45mm損傷阻抗水平提升,損傷容限已不成問題.當(dāng) 板厚超過8mms傷容限問題會急劇下降,厚板的吸濕、溫度傳導(dǎo)等問題均會下降,機體 結(jié)構(gòu)內(nèi)部的框、梁、肋用復(fù)合材料沖擊、吸濕、耐溫等敏感問題也會相應(yīng)下降,因此材料許用值和結(jié)構(gòu)設(shè)計值可適當(dāng)放寬.國內(nèi) 20余年的飛機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料結(jié)果也說明復(fù)合 材料確是一種使用性能優(yōu)異的新材料.如今復(fù)合材料在四大機種上的大量應(yīng)用,已形成目前世界航空領(lǐng)域再度起飛的開展 新態(tài)勢,事實雄辯地證

12、實復(fù)合材料是實現(xiàn)飛機現(xiàn)代化的必由之路,飛機結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化 也是大勢所趨.未來飛機特別是軍機為了進(jìn)一步到達(dá)結(jié)構(gòu)減重與降低綜合本錢,復(fù)合材 料將不斷取代其他材料,用量繼續(xù)增長.美國一報告中指出：到 2021年,只有復(fù)合材料 才有潛力使飛機獲得20%- 25%勺性能提升,復(fù)合材料將成為飛機的根本材料,用量將達(dá) 到 65%.2000年統(tǒng)計,鋁,鋼,鈦,復(fù)合材料各占飛機部件材料的 65%,15%,5%,15%鋁占的 比重仍然是最大的,而預(yù)計將來,復(fù)合材料降占主導(dǎo)位置.下列圖為現(xiàn)在與將來預(yù)計飛機 用材料比例圖.飛機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的開展趨勢概括起來可歸納為以下幾個方向：(1)高性能化.高性能化趨勢從材料角度

13、主要表達(dá)在三個方面,一是提升力學(xué)性 能,二是提升耐熱性能,三是提升耐服役環(huán)境性能.(2)多功能化.同一結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多種功能是復(fù)合材料的優(yōu)勢之一,如承力 /吸波,承 力/吸波/減振、降噪一體化是飛機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的一個重要開展方向.要實現(xiàn)多功能 化,設(shè)計是首位,材料是根本,工藝是保證.(3)智能化.智能化對提升結(jié)構(gòu)效率和可靠性具有重要作用,是飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計越來 越重視的方向.開發(fā)飛機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料自感知、自診斷、自適應(yīng)智能化技術(shù),可以實 現(xiàn)復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)噪聲抑制、振動限制、主動變形、健康監(jiān)測.(4)低本錢化.這是一個永恒的主題.本錢過高仍是制約飛機結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用復(fù)合材 料的主要障礙,因此低本錢化仍為復(fù)合材料開展中急需解決的關(guān)鍵技術(shù).低本錢化重點 考慮制造技術(shù)低本錢化、設(shè)計方法低本錢化、全壽命低本錢化.(5)制造過程數(shù)字化.有利于減少試驗量,縮短研制周期,降低廢品率及提升生產(chǎn) 效率.應(yīng)開展復(fù)合材料制造過程模擬與工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù),實現(xiàn)復(fù)合材料制造過程數(shù)字 化與飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)字化趨向相適應(yīng).(6)設(shè)計制造一體化.在設(shè)計階段就考慮制造與裝配中的問題,可加快產(chǎn)品研制進(jìn) 度,提升質(zhì)量,有效降低本錢.采用全新的設(shè)計理念和手段,將設(shè)計和制造融為一體, 是復(fù)合材料開展的又一個重要趨勢.飛機的絕大局部結(jié)構(gòu)將采用