飛機(jī)油箱口蓋用復(fù)合材料及其與密封件的相容性問題

1、復(fù)合材料整體油箱及其密封性分析一、研究背景和意義現(xiàn)代高性能飛機(jī)普遍利用飛機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)空間來布置整體油箱，如機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等部位。國外先進(jìn)飛機(jī)多采用整體油箱結(jié)構(gòu)形式；國內(nèi)第三代作戰(zhàn)飛機(jī)也開始采用整體油箱結(jié)構(gòu)。相對于傳統(tǒng)的軟油箱結(jié)構(gòu)，整體油箱具有裝油量大、余油少、使用可靠性高和壽命長等特點(diǎn)，可以增加飛機(jī)續(xù)航時間、飛機(jī)航程，改善飛機(jī)的飛行性能。不過由于整體油箱的密封性對結(jié)構(gòu)零部件以及裝配過程有著更高的要求，對整體油箱密封變形進(jìn)行詳細(xì)的分析及優(yōu)化設(shè)計，能夠保證整體油箱的密封性，防止出現(xiàn)漏油事故，有效地保證結(jié)構(gòu)的安全以及飛機(jī)的續(xù)航時間。二、復(fù)合材料的特點(diǎn)及其在整體油箱中的應(yīng)用問題復(fù)合材料的應(yīng)用特點(diǎn)如下

2、：1) 比強(qiáng)度和比剛度高：是材料性能的重要指標(biāo)，決定了結(jié)構(gòu)能否減重或能減重多少。如飛機(jī)上常采用的碳纖維/環(huán)氧樹脂材料，具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，可使飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量大幅度減??；2) 各向異性和可設(shè)計性強(qiáng)：復(fù)合材料的材料和結(jié)構(gòu)一體，其力學(xué)、機(jī)械及熱、聲、防腐、抗老化等性能都可按照構(gòu)件的使用環(huán)境條件要求，通過組分材料的選擇、匹配等設(shè)計手段，最大限度地達(dá)到預(yù)期目的。目前飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的主要形式是由單向預(yù)浸帶鋪疊固化而成的層壓結(jié)構(gòu)。單向帶呈現(xiàn)強(qiáng)烈的正交各向異性，其沿纖維方向的性能與垂直纖維方向的性能差別很大，可以在不同的方向鋪設(shè)不同比例的單向帶，來滿足結(jié)構(gòu)平面內(nèi)所需方向性能的要求； 3) 良好的抗疲勞

3、特性和抗腐蝕性：一般而言，復(fù)合材料具有優(yōu)良的抗疲勞性能，特別是抗拉疲勞性能，由于其纖維是多路傳力結(jié)構(gòu)，裂紋不易擴(kuò)展。復(fù)合材料的疲勞缺口敏感性遠(yuǎn)低于金屬，其疲勞缺口系數(shù)遠(yuǎn)小于靜應(yīng)力集中系數(shù)，并且在中長壽命情況下接近于 1，且復(fù)合材料的抗腐蝕性能也明顯優(yōu)于金屬材料，這更有利于其與橡膠密封件的配合來保證整體油箱的密封性能； 4) 易于大面積整體成型復(fù)雜構(gòu)件：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱固化成形工藝是結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計制造的前提條件，使復(fù)合材料易于制造大型整體零件和形狀復(fù)雜的零件，由于整體成型是直接固化成一個整體，省去連接件和連接過渡區(qū)的連接部件的附加重量，用于整體油箱時也可大幅度提高油箱的密封性，增加了結(jié)構(gòu)的安全可靠

4、性，大大降低了制造和裝配的成本，同時也避免了緊固件（鉚釘、螺栓等）、連接部位的腐蝕、疲勞等問題，并有效地控制了后期維護(hù)成本。結(jié)構(gòu)分段和零件、連接件數(shù)量的減少，大幅度減輕了結(jié)構(gòu)的重量，是復(fù)合材料整體成型的突出優(yōu)點(diǎn)；5) 良好的尺寸穩(wěn)定性：由于在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中使用的碳纖維材料的熱膨脹系數(shù)接近于零，因而設(shè)計出的結(jié)構(gòu)膨脹系數(shù)為零，使得結(jié)構(gòu)在一定的溫度范圍內(nèi)不會受到溫度變化的影響，一直保持良好的形狀和尺寸的穩(wěn)定性，對于整體油箱結(jié)構(gòu)保持尺寸穩(wěn)定性可以保證其安全可靠性；6) 良好的熱穩(wěn)定性：有大量報道對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，得出其起始分解溫度約為300，因此，可以認(rèn)為，在一般飛行環(huán)境溫度

5、下，復(fù)合材料不存在化學(xué)分解的問題，復(fù)合材料主要發(fā)生的是物理老化，對于承載燃油等介質(zhì)部位化學(xué)穩(wěn)定性顯得尤為重要，同時對于需要同橡膠密封件配合部位也可保證其兩種材料接觸面的性能穩(wěn)定性，保證密封效果。但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)同樣具有一些不利因素，復(fù)合材料整體油箱在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意一下幾個問題：1) 層間強(qiáng)度低，沖擊韌性差：復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)的不同鋪層之間的性能遠(yuǎn)低于其面內(nèi)性能，其低層間強(qiáng)度使結(jié)構(gòu)在低能量的沖擊下也有可能會產(chǎn)生分層破壞，故而導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的承載能力降低。為了保證整體油箱結(jié)構(gòu)的抗沖擊性和承載能力，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和成型工藝的選擇尤為重要。2) 環(huán)境影響大：復(fù)合材料易對環(huán)境變化比較敏感，尤其在高溫

6、高濕環(huán)境下，由于碳纖維復(fù)合材料的熱導(dǎo)率只有傳統(tǒng)鋁合金熱導(dǎo)率的十分之一左右，因此碳纖維復(fù)合材料油箱對溫度更敏感，當(dāng)環(huán)境溫度或材料局部溫度達(dá)到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，此時其吸濕性也會更強(qiáng)，從而導(dǎo)致其強(qiáng)度明顯下降，其中壓縮強(qiáng)度會降低20%30%或者更多。因此當(dāng)飛機(jī)長時間在高熱高濕環(huán)境中飛行時，復(fù)合材料整體油箱也會隨著材料強(qiáng)度的下降或是材料吸濕后發(fā)生膨脹，再經(jīng)過飛行時的顛簸和振蕩就可能會導(dǎo)致油箱結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，此時如果密封件與其配合不足，就可能會引起燃油滲漏，從而引發(fā)飛機(jī)的二次事故 。因此復(fù)合材料整體油箱的密封性是影響其實(shí)際應(yīng)用的主要問題。三、復(fù)合材料整體油箱結(jié)構(gòu)及其密封性問題分析3.1 復(fù)合材料整體油箱的

7、主要結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)復(fù)合材料整體油箱的結(jié)構(gòu)大致可分為兩類：邊界結(jié)構(gòu)和中間結(jié)構(gòu)。邊界結(jié)構(gòu)：即油箱的邊和角。該部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有：邊界部位的連接縫可以使油箱內(nèi)部和外部相通；協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜，容易造成裝配間隙；受力關(guān)系復(fù)雜。連接部位需要傳遞總體載荷和油箱載荷，結(jié)構(gòu)變形大，容易破壞密封。中間結(jié)構(gòu)：與油箱密封面連接的油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該部位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有：油箱內(nèi)部只能通過緊固件與孔的配合、間隙與外部相通；結(jié)構(gòu)關(guān)系簡單，構(gòu)件間的協(xié)調(diào)較容易；連接縫的變形一般不會受到總體載荷的影響。3.2 復(fù)合材料整體油箱的密封性要求油箱的密封性問題與油箱的安全性能是緊密相關(guān)的，其中必須考慮結(jié)構(gòu)變形對密封的要求。邊角部位：因?yàn)樵谟蛪鹤饔孟拢?/p>

8、邊角部位的變形很容易造成漏油，所以該部位一般采用混合密封和自封緊固件。由于機(jī)翼的構(gòu)件比機(jī)身構(gòu)件的尺寸厚，故而更適用溝槽密封。由于溝槽密封的可靠性和良好的維修性，在機(jī)翼油箱密封中得以廣泛應(yīng)用。它的主要優(yōu)點(diǎn)是密封效果好，并且可以根據(jù)需要對密封件進(jìn)行維護(hù)或更換。一般溝槽采安裝可拆卸和維護(hù)的橡膠條。結(jié)構(gòu)密封依靠橡膠條的彈性壓縮量來保證。因此，對溝槽的尺寸精度、結(jié)構(gòu)件間的間隙、橡膠條直徑的公差以及橡膠條對接處的形狀偏差都有嚴(yán)格要求。3.3復(fù)合材料整體油箱結(jié)構(gòu)的密封件設(shè)計復(fù)合材料整體油箱結(jié)構(gòu)密封件設(shè)計與金屬整體油箱結(jié)構(gòu)密封件設(shè)計基本相同。設(shè)計內(nèi)容主要包括密封形式選擇和設(shè)計、密封連接設(shè)計、密封材料選擇以及整

9、體油箱的密封試驗(yàn)。整體油箱密封件設(shè)計的一般要求如下：a. 滿足工藝性和維護(hù)性要求，b. 為了盡量與密封縫在外載荷作用下的相對變形，密封件的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足密封間隙及其變形形式，c. 密封件也應(yīng)考慮骨架之間的階差及其變形，d. 整體油箱在飛機(jī)滑行、爬升、航行、著陸和由內(nèi)部充壓引起的重復(fù)載荷作用下，在規(guī)定的期限內(nèi)不應(yīng)有不合格的漏油發(fā)生。復(fù)合材料整體油箱的密封分為骨架之間密封和骨架與蒙皮之間的密封。為了密封可靠，必須根據(jù)整體油箱各部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理選擇與之適應(yīng)的一種或多種密封件結(jié)構(gòu)和密封形式。四、試驗(yàn)內(nèi)容4.1橡膠密封材料的選擇和優(yōu)化根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)一般選取性能優(yōu)異的氟硅橡膠橡膠材料，并根據(jù)具體技術(shù)指標(biāo)需要對部分性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以及工藝試制。4.2密封件與油箱密封部位的配合及安裝方式的確定 對于不同的密封部位和結(jié)構(gòu)需要相應(yīng)合理配合及安裝方式，配合及安裝方式主要有粘貼、溝槽或裝配孔安裝。4.3密封件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)具體的配合及安裝方式設(shè)計適宜的密封件結(jié)構(gòu)，這需要根據(jù)密封件材料的具體壓縮變形及應(yīng)力-應(yīng)變等試驗(yàn)方式對配合契合度進(jìn)行驗(yàn)證。4.4密封性能試驗(yàn) 對于確定的配合及安裝方式和密封件結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封性能試驗(yàn)，選取最優(yōu)。4.5環(huán)境及老化試驗(yàn) 根據(jù)飛機(jī)具體的飛行環(huán)境或飛行狀態(tài)對密封性進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，并通過合理