復(fù)合材料及其在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用（鳳山書屋）

1、復(fù)合材料及其在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用1陽山書屋概 述先進復(fù)合材料是20世紀60年代崛起的一種新材料與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為航空航天的四大結(jié)構(gòu)材料2陽山書屋概 述 飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究和發(fā)展一直與采用性能優(yōu)越的新材料密切相關(guān)。20世紀30年代鋁合金的問世，取代了帆布和木材，曾給飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了一次革命性的飛躍。今天，先進復(fù)合材料的應(yīng)用，同樣引起了一場飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計上的重大技術(shù)變革。3陽山書屋概 述 先進復(fù)合材料具有比強度和比剛度高、性能可設(shè)計和易于整體成形等許多優(yōu)異特性，將其用于飛機結(jié)構(gòu)上，可比常規(guī)的金屬結(jié)構(gòu)減重25%30%，并可明顯改善飛機氣動彈性特性，提高飛行性能。4陽山書屋概 述 先進復(fù)合

2、材料的廣泛應(yīng)用還可進一步推進隱身和智能結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，因此，先進復(fù)合材料在飛機上應(yīng)用的部位和用量的多少現(xiàn)已成為衡量飛機結(jié)構(gòu)先進性的重要指標之一。 5陽山書屋復(fù)合材料的應(yīng)用概況 從20世紀40年代 玻璃/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料 操縱面、整流罩和雷達罩等零部件。直升機旋翼槳葉。剛度，特別是對高速飛機來說，是一個和強度同樣重要的設(shè)計要求。6陽山書屋Advanced CompositeApplicationCC22643019.pptF-4 Phantom IIBoron EpoxyRudder7陽山書屋Boron/Epoxy RudderCC22643020.pptF-4 Phantom II8陽山書

3、屋CC22643020.ppt 上世紀60年代復(fù)合材料最初的應(yīng)用是Boron/epoxy 的F-14的水平安定面蒙皮和F-15水平與垂直安定面蒙皮。 第一個Carbon/Epoxy 在軍機上的應(yīng)用是F-15 的減速板，占結(jié)構(gòu)重量的2%。9陽山書屋CC22643020.ppt10陽山書屋CC22643020.ppt 上世紀70年研制的 F/A-18A/B ，采用了Carbon/3501-5復(fù)合材料機翼、控制面、垂尾和機身蒙皮，占結(jié)構(gòu)重量的12%。 在上世紀70年代后期研制了AV-8B，當時使用復(fù)合材料的動力是追求性能和減重，復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量的28%，主要的材料是 Carbon/3501-6

4、 epoxy ，用于機翼蒙皮、控制面、前機身蒙皮前中央機身蒙皮，并開始用于機翼、控制面和機身骨架，在受熱零件上使用了BMI。11陽山書屋CC22643020.ppt 在上世紀80年代復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)上增加應(yīng)用的目的是隱身，在此期間研制的F-117和B2，復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量的40%，主要使用Carbon/epoxy，以及一些特殊的樹脂和增強體。 上世紀90年代復(fù)合材料在軍機上的用量有所降低 (F/A-18E/F 和 F-22 的用量為22-26%)， 這是由于從追求減重（性能）變?yōu)橐紤]成本因素，以及從前面應(yīng)用得到的經(jīng)驗教訓(xùn)。 12陽山書屋CC22643020.ppt13陽山書屋B2轟炸機

5、復(fù)合材料38%遠程轟炸機14陽山書屋15陽山書屋RTM整體尾翼CoRTM整體進氣道進氣道纖維鋪放Z-pin X-Cor設(shè)備大型整體機翼蒙皮三維編織型加筋型連接前機身整體結(jié)構(gòu)F-35戰(zhàn)斗機復(fù)合材料用量36%16陽山書屋A400M復(fù)合材料應(yīng)用部位大型軍用運輸機17陽山書屋復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用直升機上復(fù)合材料的用量已達結(jié)構(gòu)重量的60%80%，如美國的武裝直升機RAH-66，其復(fù)合材料用量達結(jié)構(gòu)重量的50%以上。美國的垂直起落、傾轉(zhuǎn)旋翼后又可高速巡航的V-22“魚鷹”，幾乎是一個全復(fù)合材料飛機。世界上已有許多小型的全復(fù)合材料飛機問世，其中著名的“星舟一號”客貨兩用機已通過適航鑒定；舉世聞名的“旅

6、游者”曾創(chuàng)下不加油、不著陸，連續(xù)9天環(huán)球飛行的世界紀錄。 18陽山書屋直升機材料的發(fā)展 型號H-34CH-53EUH-60AS-76RAH-66技術(shù)水平50年代60年代70年代80年代90年代金屬材料87%85%72%59%22%復(fù)合材料-5%12%18%50%其他材料13%10%16%23%28%19陽山書屋EC135復(fù)合材料應(yīng)用20陽山書屋V-22復(fù)合材料40%21陽山書屋CC22643020.ppt 民機復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用長期以來主要是尾翼級結(jié)構(gòu)，主要原因是如何突破低成本技術(shù)。本世紀中，隨著A380，Boeing787和A350在機翼和機身結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用復(fù)合材料，標志著低成本復(fù)合材料技

7、術(shù)已有了突破，進入了新紀元，民機結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料用量得到了大幅度增加。 22陽山書屋將復(fù)合材料應(yīng)用到飛機的次承力構(gòu)件美國：ACEE計劃（19761986）成果復(fù)合材料應(yīng)用于DC-10方向舵、L-1011副翼、波音727升降舵等部件23陽山書屋美國：ACT計劃（19881997）針對復(fù)合材料在飛機機翼及機身上的主承力結(jié)構(gòu)部件突破高損傷容限復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，降低成本為運輸類飛機機翼、機身大量應(yīng)用復(fù)合材料提供技術(shù)支持降低生產(chǎn)成本20%30%提供材料和結(jié)構(gòu)性能預(yù)測的科學依據(jù)使飛機結(jié)構(gòu)減重30%24陽山書屋美國：ACT計劃（19881997）成果C-130大型運輸機復(fù)合材料中央翼盒

8、復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于F-22主承力結(jié)構(gòu)件長達12.8米的縫合復(fù)合材料大型客機機翼試驗盒段25陽山書屋美國：AST計劃（19922002）進一步擴大復(fù)合材料在主承力構(gòu)件的應(yīng)用范圍研究目標完成全尺寸復(fù)合材料機翼盒段的設(shè)計和地面試驗驗證為大型客機飛機復(fù)合材料機翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用提高技術(shù)儲備采用VARTM-PB工藝制造的機翼壁板先進的縫紉設(shè)備26陽山書屋美國：AST計劃（19922002）MD-90-40X飛機機翼作為縫合復(fù)合材料機翼的基準平臺建立材料的基本性能數(shù)據(jù)庫和結(jié)構(gòu)設(shè)計許用值設(shè)計和制造技術(shù)得到評估分析了結(jié)構(gòu)性能與成本的綜合效能27陽山書屋美國：CAI計劃（19962006）實現(xiàn)高效能設(shè)計和低成本

9、制造技術(shù)的飛躍目的開發(fā)高精度結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析和制造工藝模擬及成本控制分析工具實現(xiàn)在高效、低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)上的突破，達到綜合成本下降50 %的指標28陽山書屋美國：CAI計劃（19962006）進氣道纖維鋪放Z-pin X-Cor設(shè)備大型整體機翼蒙皮三維編織型加筋型連接前機身整體結(jié)構(gòu)RTM整體尾翼波音787采用了多項研究成果成果29陽山書屋AADP (Aircraft Aging & Durability Project)飛機老化&耐久性工程計劃指出：由于缺乏對材料蛻變、損傷演化和疲勞等內(nèi)在物理機制的理解，不能有效預(yù)測服役環(huán)境下結(jié)構(gòu)可靠性。導(dǎo)致復(fù)合材料部件設(shè)計依賴經(jīng)驗和安全系數(shù)過大等方法開展

10、性能演化和疲勞機理研究，為結(jié)構(gòu)可靠性奠定基礎(chǔ)Workforce by Challenge Problem主要包括感知診斷、損傷演化、無損檢測、多學科交叉及綜合評價系統(tǒng)等內(nèi)容美國：AvSP 航空安全專項（2007-2016 ）30陽山書屋新一代大型客機復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀31陽山書屋干線客機各種材料結(jié)構(gòu)重量百分比（%）材料結(jié)構(gòu)重量百分比（%）機型32陽山書屋 復(fù)合材料在國外先進軍用飛機上的應(yīng)用水平在上世紀末產(chǎn)生飛躍。 更值得注意的是，進入二十一世紀，這種飛躍同時出現(xiàn)在對結(jié)構(gòu)可靠性和經(jīng)濟可承受性具有苛刻要求的大型民用飛機上。33陽山書屋A380更安全、更經(jīng)濟、更舒適、更環(huán)保每座油耗比747-400降低

11、17%每座DOC比747-400降低20%更低的維護費用“龐然大物”最大起飛重量：560噸三艙布局載客：555人最大航程：15000公里輕質(zhì)高性能材料與結(jié)構(gòu)在主要承力構(gòu)件上采用復(fù)合材料34陽山書屋A380復(fù)合材料應(yīng)用情況后壓力隔框中央翼盒J-型熱塑性復(fù)合材料固定前緣上層客艙地板梁水平安定面垂直安定面非承壓后機身翼肋、機翼后緣操縱面GLARE機身上壁板復(fù)合材料25%鋁合金61%鈦合金10%35陽山書屋36陽山書屋大量采用復(fù)合材料舷窗的抗裂紋擴展性能維護性能舒適性大修時間A330波音7876年12年37陽山書屋波音787的競爭機型A350波音787座位數(shù)（3級布局）設(shè)計航程（海里）最大空重/座輪檔

12、燃油/座現(xiàn)金使用成本/座目前所獲訂單（架）2708300基準基準基準3622427900+2%+6%+8%90038陽山書屋迫于商業(yè)競爭壓力不斷修改設(shè)計方案，提高復(fù)合材料用量200420062006年底擬定復(fù)合材料用量增加到45稱為“A350XWB”方案復(fù)合材料用量飆升到52碳纖維復(fù)合材料用量約為40A35039陽山書屋A350復(fù)合材料應(yīng)用情況選材特點繼承和發(fā)展A380選材方案大幅提高復(fù)合材料應(yīng)用水平40陽山書屋最新公布的A350XWB各類材料分布41陽山書屋CC22643020.ppt 低成本的解決途徑 原材料大絲束 加工工藝RTM，RFI，VARTM，低溫固化，非熱壓罐工藝等制造自動化AT

13、L，AFP（提高工效和降低廢品率）設(shè)計技術(shù)整體化（利用共固化和共膠接技術(shù)，減少零件數(shù)和裝配工時）降低維護成本和提高出勤率利用優(yōu)良的抗疲勞和耐腐蝕性能42陽山書屋總成本材料和制造50%緊固件和裝配50%制造成本鋪貼(46%)鋪層切割(8%)NDI(15%)修邊(6%)裝袋與固化(13%)模具(12%)降低成本的潛力43陽山書屋CC22643020.ppt制造方法 低成本高質(zhì)量的鋪貼 (特別是大型復(fù)合材料制件) 和高精度可重現(xiàn)的復(fù)合材料制件。自動鋪帶機（ATP）自動絲束鋪放（AFP）RTM VARTM RFI降低成本的途徑44陽山書屋AdvantagesAutomated Tape LayingD

14、isadvantages Greater Pounds/Hr. Very Consistent No Debulking Required Significant Equipment Cost Recurring Maintenance Limited Contour Capability45陽山書屋Fiber PlacementAdvantages Concave Contours True 0 Plies Possible Consistent ProductDisadvantages Significant Equipment Cost Complex Programming Somew

15、hat Slow46陽山書屋Resin Transfer MoldingAdvantages Complex Structures Near Net Molding Excellent SurfacesDisadvantages High Tooling Costs Preform Costs47陽山書屋Resin Transfer Molded Part Complexity48陽山書屋CC22643020.ppt設(shè)計技術(shù)采用共固化、共膠接等形成的整體化結(jié)構(gòu) 降低成本的途徑49陽山書屋Pressure Application- Integrally Cocured Structure50陽山

16、書屋 C-17的水平安定面于1994年重新設(shè)計，從第51架C-17開始，由原來的7150-T77合金改成金屬與AS4/環(huán)氧的混合結(jié)構(gòu)，使復(fù)合材料用于次承力結(jié)構(gòu)，減重20%（213kg），零件減少90%（2000個），緊固件減少80%（42000個），工裝減少70%，成本降低50%。51陽山書屋50%Cost Reduction20%Weight ReductionC-17 Composite Horizontal Stabilator52陽山書屋December 15 2009低成本復(fù)合材料技術(shù)已進入工程化應(yīng)用的標志53陽山書屋復(fù)合材料用量增加帶來的效益復(fù)合材料機翼、機身降低制造成本20%54

17、陽山書屋復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)解決了應(yīng)用中的瓶頸問題，復(fù)合材料的大量應(yīng)用成為新一代大型客機的重要標志空客A350結(jié)構(gòu)方案幾經(jīng)修改，大幅提高復(fù)合材料用量的事實，表明復(fù)合材料應(yīng)用對新一代大型客機市場競爭具有重要作用波音787飛機和空客A350飛機結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用的歷史性突破標志著大型客機結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化時代已經(jīng)到來55陽山書屋熱塑性復(fù)合材料發(fā)展加快熱塑性復(fù)合材料G650 當前復(fù)合材料發(fā)展的趨勢之一是用熱塑性復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱固性環(huán)氧復(fù)合材料。原因之一是熱塑性復(fù)合材料可以通過簡單加熱、熔化及冷卻成型，可以像金屬一樣進行焊接，在2012年服役的G650，飛機是用TenCate公司的Cetex熱塑性復(fù)合

18、材料制造方向舵，在民機主承力結(jié)構(gòu)上用熱塑性復(fù)合材料還是相當新的。福克、灣流等公司為此獲得2010年JEC航空創(chuàng)新獎。肋條用壓力機成形，然后用機器人進行感應(yīng)焊接從而取消緊固件及相關(guān)的精密鉆孔工具。TenCate公司首創(chuàng)體積60%以上碳纖維熱塑性復(fù)合材料。A380的機翼前緣用Ticona公司提供的模壓成型的熱塑性CFRP材料。56陽山書屋 Fokker Aerostructures 公司（荷蘭）和其合作伙伴 Ticona GmbH 公司（德國）、 Ten Cate 公司 ( 荷蘭 ) 及 KVE Composites Group 公司 ( 荷蘭 ) 摘得了 2010JEC 航空類創(chuàng)新獎，他們在焊接

19、的 4 米長的方向舵及 6 米長的連續(xù)纖維增強層壓結(jié)構(gòu)升降舵中使用了碳纖維增強 Fortron 聚苯硫醚 (PPS) ，該方向舵和升降舵是用在 Gulfstream G650 噴氣式飛機上的。 Gulfstream 公司表示，他們已經(jīng)有 200 架飛機的新訂單，該公司平均每年銷售的飛機有 70 到 80 架。據(jù)稱，復(fù)合材料的使用已消除了制作過程中的數(shù)百個鉚釘，感應(yīng)焊接替代了他們。 Gulfstream G650 飛機新的熱塑性方向舵操縱面采用了“后彎曲”多翼肋設(shè)計，與先前環(huán)氧復(fù)合材料為芯材的操縱面相比，重量減少了 10% ，生產(chǎn)費用也減少了 20% 。根據(jù) Fokker Aerostructu

20、res 公司所示，這種熱塑性復(fù)合材料主要結(jié)構(gòu)部件，與同等鋁制或輕合金制成部件相比，重量減輕了 50% 。 這種應(yīng)用標志著一個走向低成本熱塑性“物理處理”解決方案，遠離熱固化樹脂“化學加工”復(fù)合材料和鋁的持續(xù)趨勢， Fokker Aerospace 公司研發(fā)主管 Arnt Offringa 說道，至少在小型飛機制造中是這樣。 57陽山書屋58陽山書屋我國航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)展史 1975年（開創(chuàng)階段）320廠 625所 623所我國第一個先進復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)部件J12進氣道壁板1977年12月28日首飛59陽山書屋我國航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)展史 19811990年結(jié)構(gòu)強度研究發(fā)展的第一階段，特點是：與

21、國外的發(fā)展過程一樣，以“等代設(shè)計”作為起點，選用以剛度設(shè)計為主的飛機部件如垂尾和前機身為設(shè)計研制對象，作為預(yù)研項目，包括Q5和J8-II的垂尾、Q5前機身，其他還有J7垂尾等60陽山書屋我國航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)展史19811990年從1985年起開始轉(zhuǎn)入以帶整體油箱機翼蒙皮為代表的主承力結(jié)構(gòu)等代設(shè)計、新機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和以Y7垂尾為代表，以通過適航作為目標的民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等待設(shè)計。由于基礎(chǔ)差，上述項目的進展比較緩慢，困難重重；使用的材料體系：碳/環(huán)氧樹脂，如T300/4211（即648）環(huán)氧樹脂，T300/LWR-1等，由于可以從國外非正常渠道進口T300碳纖維，國產(chǎn)碳纖維退出了航空結(jié)構(gòu)；開

22、始Z9復(fù)合材料國產(chǎn)化（主要是中溫和高溫環(huán)氧樹脂基體和與T300復(fù)合的材料體系）和軍機結(jié)構(gòu)用耐高溫雙馬樹脂和與T300復(fù)合的復(fù)合材料體系研制；設(shè)計、分析和驗證以靜強度為主，仿照金屬結(jié)構(gòu)僅進行了少量的疲勞和損傷容限驗證，設(shè)計用參數(shù)基本上照抄國外數(shù)據(jù)；開始進行以沖擊損傷為重點的損傷容限設(shè)計研究；61陽山書屋我國航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)展史 19811990年成果代表： 復(fù)合材料設(shè)計手冊62陽山書屋我國航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)展史 19912000年結(jié)構(gòu)強度研究發(fā)展的第二階段，特點是：研制方法由“等代設(shè)計”逐步過渡為“新機設(shè)計”；研制對象由以剛度設(shè)計為主的垂尾級飛機部件變?yōu)橐詮姸仍O(shè)計為主的機翼和鴨翼級的主承力部件

23、，由軍機部件發(fā)展到需考慮與國際接軌要進行適航審定的民機部件；由飛機結(jié)構(gòu)部件推廣應(yīng)用到以外涵道為代表的發(fā)動機冷端結(jié)構(gòu)部件；復(fù)合材料飛機部件不是僅停留在預(yù)研階段，有大批復(fù)合材料部件研制成功，已裝備或即將裝備在投入使用的航空結(jié)構(gòu)中；采用的復(fù)合材料體系已與國際接軌，除了改性碳/環(huán)氧樹脂外，在軍機上普遍采用碳/雙馬樹脂如T300/QY8911和T300/5405，在發(fā)動機冷端部件上已有自行研制的碳/聚酰亞胺T300/BMP316和T300/KH304等；已遵從已頒布的軍機標準（包括航標），充分考慮飛機結(jié)構(gòu)完整性要求，能從設(shè)計開始即按靜強度、剛度、耐久性和損傷容限要求，對研制的復(fù)合材料部件進行設(shè)計、分析和驗證。63陽山書屋我國航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)展史19912000年成果代表復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊64陽山書屋我國航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)展史 19912000年復(fù)合材料連接手冊復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限設(shè)計