復(fù)合材料機(jī)翼的發(fā)展

復(fù)合材料機(jī)翼的發(fā)展

由于其良好的可設(shè)計(jì)性、抗疲勞、抗腐蝕性和高減壓效率，代理已成為各種先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的必選材料。復(fù)合材料在國外先進(jìn)飛機(jī)上的應(yīng)用比例逐年提高,波音787飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用比例已經(jīng)超過50%,空客從A310的5%復(fù)合材料到A380的25%,最新研制的A350XWB已經(jīng)超越波音787的復(fù)合材料用量,達(dá)到53%。復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用遵循由小到大、由簡到繁、從次承力結(jié)構(gòu)到主承力結(jié)構(gòu)的規(guī)律,機(jī)翼作為飛機(jī)主承力構(gòu)件,由于其結(jié)構(gòu)尺寸大、受力復(fù)雜等原因,也是先在小型飛機(jī)和軍用飛機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用,在長期使用過程中積累了大量的設(shè)計(jì)、成型、使用和維護(hù)等工程經(jīng)驗(yàn)后,才逐步在大飛機(jī)上展開應(yīng)用。本文結(jié)合目前國內(nèi)外大飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼的研制現(xiàn)狀,主要對大飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼的結(jié)構(gòu)形式、選材、成型工藝以及先進(jìn)的成型技術(shù)進(jìn)行分析匯總,以期為國內(nèi)大飛機(jī)的研制提供借鑒意義。大飛機(jī)加筋特點(diǎn)設(shè)計(jì)是復(fù)合材料的基礎(chǔ),先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和思路對后續(xù)的復(fù)合材料研制至關(guān)重要,通過優(yōu)化設(shè)計(jì),可以更好地發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢,發(fā)揮更好的結(jié)構(gòu)效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前,國外大飛機(jī)機(jī)翼多采用全復(fù)合材料整體壁板,翼盒結(jié)構(gòu)布局為雙梁多肋結(jié)構(gòu)型式,機(jī)翼壁板采用復(fù)合材料蒙皮加筋結(jié)構(gòu)形式,筋條采用“T”形和“工”字型等形式。空客A350XWB機(jī)翼長約35m,壁板采用是“T”形加筋形式(見圖1),波音787機(jī)翼壁板采用“工”字型加筋形式。空客和波音在機(jī)翼壁板口框的設(shè)計(jì)上稍有區(qū)別,空客采用的是單排連續(xù)排列形式,波音采用的是雙排分段連續(xù)排列形式。復(fù)合主承力結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能復(fù)合材料材料體系的發(fā)展推動著復(fù)合材料在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用,同時先進(jìn)的飛機(jī)設(shè)計(jì)理念及更高性能的結(jié)構(gòu)要求又促進(jìn)材料體系的發(fā)展改進(jìn)。第1代復(fù)合材料呈現(xiàn)脆性材料性能特征,層合板對橫向載荷(如沖擊載荷)引起的沿厚度方向的損傷,特別是分層損傷敏感,并不適用機(jī)翼等主承力構(gòu)件。為此,波音開發(fā)了增韌環(huán)氧樹脂基體和改進(jìn)結(jié)構(gòu)損傷容限特性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并提出采用沖擊后壓縮強(qiáng)度CAI作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用性能的評價指標(biāo)。1982年波音公司提出了新的復(fù)合材料預(yù)浸料標(biāo)準(zhǔn)BMS82276,概述了主承力結(jié)構(gòu)復(fù)合材料性能目標(biāo),根據(jù)新規(guī)范要求,波音公司提出改進(jìn)碳纖維性能,要求碳纖維拉伸彈性模量提高30%、拉伸強(qiáng)度提高50%,同時,開發(fā)高抗分層能力的韌性樹脂基體,欲將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用應(yīng)變由第1代復(fù)合材料的0.3%~0.4%提高到0.6%~0.8%,以使新一代復(fù)合材料適合民機(jī)主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用。1989年中模量、高強(qiáng)度型碳纖維T800達(dá)到波音公司碳纖維材料標(biāo)準(zhǔn)BMS9217要求,并與同期研發(fā)的180℃固化(使用溫度80~100℃)韌性環(huán)氧樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料(如T800H/3900-2)達(dá)到波音公司材料標(biāo)準(zhǔn)BMS82276要求。并在波音777尾翼蒙皮、桁條、翼梁和地板梁上得到了應(yīng)用驗(yàn)證。從標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維(T300級)到現(xiàn)在的高強(qiáng)中模(T800級),以及與之相匹配的改性高韌性環(huán)氧樹脂,材料的發(fā)展極大地促進(jìn)了復(fù)合材料在飛機(jī)各種結(jié)構(gòu)上的廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料的成型技術(shù)復(fù)合材料設(shè)計(jì)是基礎(chǔ),成型是關(guān)鍵。成型技術(shù)和設(shè)備是成型復(fù)合材料的重點(diǎn),隨著復(fù)合材料在飛機(jī)上的廣泛使用,各種相對應(yīng)的先進(jìn)成型技術(shù)也迅速發(fā)展,先進(jìn)的預(yù)浸料制備技術(shù)、自動鋪帶(絲)技術(shù)及設(shè)備、激光投影、激光跟蹤儀以及工裝設(shè)計(jì)和加工等都為復(fù)合材料的成型提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1大尺寸機(jī)翼復(fù)合材料的成型方法目前,大尺寸加筋壁板成型工藝常見有以下4種:(1)二次膠接(長桁和蒙皮分別固化,然后組裝二次膠接);(2)共固化(蒙皮與長桁分別鋪疊預(yù)成型,再組裝膠接共固化);(3)膠接共固化(長桁先固化,再與預(yù)成型蒙皮膠接共固化);(4)膠接共固化(蒙皮先固化,再與預(yù)成型長桁膠接共固化)。4種成型工藝各有優(yōu)缺點(diǎn),在選擇成型方式時必須結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式、外形尺寸和設(shè)計(jì)使用要求等確定適合的成型方式。大尺寸機(jī)翼復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)的成型目前普遍選擇膠接共固化工藝,相對于二次膠接,膠接共固化有較好的膠接質(zhì)量,節(jié)省了一次熱壓罐的使用,成型效率較高。相對于共固化,膠接共固化模具結(jié)構(gòu)相對簡單,工裝設(shè)計(jì)加工成本低。波音787復(fù)合材料機(jī)翼長30m,其復(fù)合材料機(jī)翼壁板成型選用膠接共固化成型方式,筋條先固化,再和蒙皮定位組裝后進(jìn)行膠接固化?？湛驮跈C(jī)翼壁板結(jié)構(gòu)上同樣采用膠接共固化成型方式,A400M(見圖2)和A350XWB(見圖3)復(fù)合材料機(jī)翼采用長桁先固化,再和蒙皮膠接共固化的成型方式。采用膠接共固化成型方式,可以保證長桁的成型質(zhì)量和加工精度,長桁在和預(yù)成型蒙皮膠接共固化時膠接質(zhì)量較易保證,長桁定位方便,工裝成本低。2飛機(jī)復(fù)合材料的自動鋪帶技術(shù)隨著復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用比例的逐步增大,復(fù)合材料構(gòu)件的尺寸也隨著增加,傳統(tǒng)的手工鋪疊等方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大尺寸結(jié)構(gòu)件研制生產(chǎn)的需要。當(dāng)復(fù)合材料零件的尺寸較大時,人工鋪疊難度相應(yīng)增大、成型效率低、產(chǎn)品質(zhì)量也難以保證,因此,相應(yīng)的自動鋪帶技術(shù)(AutomatedTapeLaying,ATL)和纖維自動鋪放技術(shù)(AutomatedFiberPlacement,AFP)等自動化制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。自動鋪帶效率可達(dá)20kg/h,而傳統(tǒng)手工鋪疊,即使是熟練操作工鋪疊效率一般也只有1.5kg/h,因此自動鋪帶技術(shù)從誕生后就飛速發(fā)展,目前在美國和歐洲已經(jīng)非常成熟,并大規(guī)模應(yīng)用于航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造。從20世紀(jì)80年代至今,美國采用自動鋪帶技術(shù)生產(chǎn)B1、B2轟炸機(jī)的機(jī)翼蒙皮,F-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼蒙皮,波音777飛機(jī)機(jī)翼、水平和垂直安定面蒙皮,C-17運(yùn)輸機(jī)的水平安定面蒙皮,波音787機(jī)翼蒙皮等。歐洲采用自動鋪帶技術(shù)生產(chǎn)A330和A340水平安定面蒙皮,A340尾翼蒙皮,A380的機(jī)翼蒙皮和安定面蒙皮,A350機(jī)翼蒙皮(見圖4)和中央翼盒,A400M機(jī)翼蒙皮和機(jī)翼大梁等。目前較為先進(jìn)的鋪帶機(jī)是法國Forest-Line公司的“大力神”雙頭自動鋪帶機(jī)。該機(jī)的特點(diǎn)是有兩個機(jī)頭進(jìn)行鋪帶,一個用繞在線軸上的無緯帶鋪帶,另一個用預(yù)先切割的材料,可快速進(jìn)行復(fù)雜形狀的鋪疊。3熱隔膜成型技術(shù)翼梁由于結(jié)構(gòu)尺寸大、變截面多和鋪層復(fù)雜,采用傳統(tǒng)手工鋪疊成型效率低下。鑒于此,國外開發(fā)出了成型效率較高的熱隔膜成型技術(shù)(HotDrapeForming,HDF)。A400M前后梁均長19m,其中前梁由分別長7m和12m的內(nèi)外段前梁連接而成,后梁由分別長14m和5m的內(nèi)外段后梁連接而成。用自動鋪疊設(shè)備將翼梁鋪成平板,大在地提高了鋪疊效率,用熱隔膜成型設(shè)備預(yù)成型出”C”梁,再將其放置在殷瓦鋼模具中固化。材料選用Cytec公司較為適合熱隔膜成型技術(shù)的977-2環(huán)氧樹脂(二代改性環(huán)氧樹脂,IM7/977-2的CAI值260~298MPa)。由于熱隔膜成型技術(shù)對材料體系有特殊的要求,進(jìn)而限制了新型材料體系在翼梁結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用,因此A350翼梁舍棄熱隔膜成型技術(shù),而采用自動鋪絲技術(shù)。A350復(fù)合材料翼梁在筒形工裝上用自動鋪絲機(jī)進(jìn)行鋪疊,固化后切為兩件C形梁,提高了鋪疊效率和精度,相對于熱隔膜成型降低了翼梁R角區(qū)的缺陷率。材料選用三代增韌的M21E/IMA預(yù)浸料,M21E/IMA是T800/M21的改型,CAI值接近T800S/3900-2(T800S/3900-2的沖擊后壓縮強(qiáng)度CAI達(dá)到315~345MPa)。4空氣系統(tǒng)熱壓罐熱壓罐成型是目前大型復(fù)合材料構(gòu)件主要成型手段,針對大尺寸構(gòu)件固化過程中溫度場不均勻、溫差大等現(xiàn)象,國外開發(fā)出超大尺寸的熱壓罐系統(tǒng)和先進(jìn)的熱壓罐空氣循環(huán)系統(tǒng),圖5所示為三菱重工新型熱壓罐。該系統(tǒng)將熱壓罐分為3個區(qū),每個區(qū)有3個獨(dú)立運(yùn)行的氣流控制單元,所有氣流控制單元由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制,可根據(jù)不同區(qū)域的溫度進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整,能有效降低大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件成型過程中的溫差,降低單位重量復(fù)合材料構(gòu)件的能耗,且有利于保證復(fù)合材料構(gòu)件的成型質(zhì)量。AshidaMfg.Co.Ltd和HiroshimaRyojuEngineeringCo.Ltd設(shè)計(jì)研發(fā)出全球最大的先進(jìn)空氣循環(huán)系統(tǒng)熱壓罐,該熱壓罐有效內(nèi)徑8m,長40m,重700t,可滿足30m長復(fù)合材料機(jī)翼的成型。三菱重工用這套熱壓罐系統(tǒng)為波音787生產(chǎn)復(fù)合材料機(jī)翼。5多功能電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料正逐漸取代鋁合金成為飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu),但它的導(dǎo)電性很差,因此不進(jìn)行保護(hù)的話,在雷擊時比一般金屬結(jié)構(gòu)損傷要嚴(yán)重得多。此外,復(fù)合材料導(dǎo)致大量的電流進(jìn)入機(jī)載系統(tǒng),不能為機(jī)內(nèi)電氣系統(tǒng)提供足夠的雷電防護(hù)。目前使用較為普遍的是表面火焰噴涂鋁和復(fù)合材料固化時表面覆蓋銅網(wǎng)或者鋁網(wǎng)。典型的即為波音787,它機(jī)翼表面主要采用“全屏蔽”方案,即在復(fù)合材料機(jī)翼表面鋪放銅網(wǎng),但又使得使飛機(jī)增重,僅電防護(hù)裝置就增重達(dá)1t。鑒于此,空客A350XWB采用多功能電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),拋棄了傳統(tǒng)的銅網(wǎng)屏蔽方案而代之以銅帶方案,用金屬條帶代替一般回流用的電纜,另外在靠近機(jī)載設(shè)備、座椅滑軌、復(fù)合材料框架等處安裝金屬型材及條帶,這樣做的效果是減輕屏蔽裝置的重量,提高效率?？湛凸疽延?063鋁合金條帶做了模擬試驗(yàn),取得良好效果,可保證設(shè)備電流的回流、導(dǎo)體的所有部位處于同一電位、雷擊感生電流的引出等,保持電的連續(xù)性,實(shí)現(xiàn)與金屬機(jī)身等同的電網(wǎng)絡(luò)。對復(fù)合翼的加工和損壞進(jìn)行了稱重1設(shè)備要求對大分層磨損復(fù)合材料進(jìn)行切割復(fù)合材料制件成型后,需進(jìn)行機(jī)械加工,復(fù)合材料屬脆性各向異性材料,常規(guī)加工方法不能滿足大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料加工質(zhì)量要求。傳統(tǒng)切割方式在加工纖維材料時具有切割速度慢、效率低、切割精度難以保證、易發(fā)生分層破壞等缺點(diǎn);在切割高韌性材料時,刀具和鉆頭等磨損快、損耗大。因此要求復(fù)合材料生產(chǎn)需配備大型自動化高壓水切割機(jī)、超聲切割設(shè)備和數(shù)控自動化鉆孔系統(tǒng)等專用設(shè)備,以滿足復(fù)合材料制件經(jīng)加工后無分層磨損且符合裝配尺寸精度的要求。機(jī)翼蒙皮一般采用大型高壓水切割機(jī)進(jìn)行切割,目前世界上最大切割機(jī)的床身為36m×6.5m,由FlowInternational公司制造。這種磨粒噴水切割機(jī)可以快速切割厚的層合板而不致產(chǎn)生層合板過熱,25mm厚的層合板可以0.67m/min速度切割,對6mm薄的層合板,切割速度可以高達(dá)3m/min,厚的蒙皮可以0.39m/min速度切割。2碳纖維復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的比較大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件的精確加工也是復(fù)合材料加工的難點(diǎn),因?yàn)楣ぜ蜋C(jī)床床身之間的熱膨脹系數(shù)不同,機(jī)床床身是鋼制的,熱膨脹系數(shù)高(12×10-6/℃),而碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)接近于0。保證梁的長度不變的傳統(tǒng)方法是將機(jī)床放在空調(diào)室內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。但其設(shè)備投資大、效率低,對此GKN與某大學(xué)合作開發(fā)了一個軟件,該軟件可對機(jī)床床身溫度、工件的環(huán)境進(jìn)行傳感,然后對軟件發(fā)給切削頭的指令進(jìn)行修正,這樣可以消除兩者的溫差帶來的影響,使機(jī)床實(shí)現(xiàn)工件所需的精度。由于這種方案可使切削加工不必在專門的空調(diào)環(huán)境中進(jìn)行,不僅減少了部分固定資產(chǎn)的投資,也降低了能耗,該技術(shù)在A400M翼梁的加工上成功應(yīng)用。3c掃描設(shè)備由于復(fù)合材料機(jī)翼構(gòu)件尺寸大,結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜,采用普通超聲掃描設(shè)備很難滿足其無損檢測需要,因此需要配置大型超聲C掃描設(shè)備,從而提高檢測效率和檢測精度。英國超聲波科學(xué)有限公司(USL)為英國宇航系統(tǒng)公司提供的17軸全自動超聲C掃描檢測系統(tǒng)能夠在0.5m/s的掃描速度下,檢測出復(fù)合材料約4mm×4mm的制造缺陷,并且擁有最高可達(dá)2μm的分辨率,最高可重復(fù)性亦可達(dá)5μm,能夠準(zhǔn)確標(biāo)注缺陷位置,提高了定量檢測缺陷的能力以及定量分析的精度。積極制訂民機(jī)復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范國外通過幾十年復(fù)合材料的研制應(yīng)用,復(fù)合材料在各種機(jī)型上的應(yīng)用比例逐步提高,形成了相對成熟的設(shè)計(jì)理念和方法,相應(yīng)地開發(fā)出各種先進(jìn)的成型工藝、設(shè)備、檢測方法和高效的裝配工藝等,這都為國內(nèi)研發(fā)復(fù)合材料機(jī)翼提供了大量可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。一流