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航天/武器

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在通用飛機(jī)上的應(yīng)用

激光制造網(wǎng)通訊員 來(lái)源:中國(guó)復(fù)合材料網(wǎng)2011-02-12 我要評(píng)論(0 )   

隨著先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料及其加工技術(shù)的快速進(jìn)步,在通用飛機(jī)制造領(lǐng)域,新型飛機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)始越來(lái)越多地采用先進(jìn)復(fù)合材料,在纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)成為通用材料的同時(shí),全鋁...

    隨著先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料及其加工技術(shù)的快速進(jìn)步,在通用飛機(jī)制造領(lǐng)域,新型飛機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)始越來(lái)越多地采用先進(jìn)復(fù)合材料,在纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)成為通用材料的同時(shí),全鋁材承力結(jié)構(gòu)正漸漸失寵。
 
    在高油價(jià)時(shí)代,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)輕巧、維修費(fèi)用低廉的優(yōu)勢(shì)極大地沖擊了鋁材承力結(jié)構(gòu)一統(tǒng)天下的局面。統(tǒng)計(jì)表明,2007年通用飛機(jī)上復(fù)合材料的用量,在總材料 用量中所占比例已經(jīng)高達(dá)57%。預(yù)計(jì)未來(lái)10年這一數(shù)字將上升到69%。這是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。本文介紹了國(guó)際上幾家知名通用飛機(jī)公司在其推出的新產(chǎn)品 上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況。

賽斯納350及400飛機(jī)


    原本以制造全鋁合金飛機(jī)著稱(chēng)的賽斯納飛機(jī)公司,2007年末收購(gòu)了破產(chǎn)的哥倫布飛機(jī)公司的資產(chǎn)后,如今也以全復(fù)合材料飛機(jī)制造商的身份出現(xiàn)在通用 航空制造業(yè)界。目前,賽斯納公司推出的帶固定減速器的活塞式飛機(jī)賽斯納350以及采用了齒輪傳動(dòng)增壓器的活塞式飛機(jī)賽斯納400,已經(jīng)擁有了一批熱心的駕 駛員群體。其中,賽斯納400經(jīng)認(rèn)證已成為速度最快的生產(chǎn)型活塞式飛機(jī),具有良好的機(jī)動(dòng)性、耐久性和更高的生存力并能滿(mǎn)足比常用通用飛機(jī)更嚴(yán)格的適航條 例。


    賽斯納350及400飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件采用無(wú)緯織物預(yù)浸帶經(jīng)手工鋪疊而成。預(yù)浸帶由先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)(ACG)提供。它們的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件,如翼梁、機(jī)身梁、水 平安定面、操縱面以及其他承受高載荷的結(jié)構(gòu)件均用碳/環(huán)氧復(fù)合材料制成。其他大部分結(jié)構(gòu)則采用E玻璃/環(huán)氧材料,包括機(jī)身及機(jī)翼蒙皮。兩種飛機(jī)每一架飛機(jī) 的機(jī)體重量中碳/環(huán)氧材料的比例大約占15%,而且材料的全部許用值均屬公司專(zhuān)利,即由公司自行進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)而不是依賴(lài)預(yù)先鑒定的材料。


    機(jī)身的夾層結(jié)構(gòu)分左右兩半,并縱向黏結(jié)而成。蒙皮為玻璃/環(huán)氧材料,芯子采用獨(dú)特的、重1.35千克的樹(shù)脂浸漬的芳綸紙纖維。這種由先進(jìn)蜂窩技術(shù)公司制成 的芯子采用獨(dú)特的網(wǎng)格設(shè)計(jì),比傳統(tǒng)的酚醛紙蜂窩芯子密度高,因而有更高的濕熱壓縮強(qiáng)度,它也是保證獲得“通用”認(rèn)證的關(guān)鍵元素之一。


    機(jī)翼具有兩根C型梁彼此面對(duì)面并穿過(guò)機(jī)翼全長(zhǎng),采用機(jī)械緊固件與加強(qiáng)的復(fù)合材料機(jī)身座相連。每一根梁有上下兩個(gè)由碳/環(huán)氧無(wú)緯預(yù)浸條帶制成的緣條,腹板用 玻璃/環(huán)氧預(yù)浸帶與蜂窩芯子組成。上緣條在飛行時(shí)受壓,在根部由大約135層無(wú)緯碳預(yù)浸帶組成,而在翼尖處過(guò)渡到只有兩層。梁的下緣條在翼根處為72層到 翼尖只有2層。


    機(jī)翼受載復(fù)雜,在翼尖處彎矩很小,而后逐漸加大,到翼根處達(dá)到很大值。為了能承受更高壓縮載荷,帶有芯子的玻璃/環(huán)氧上蒙皮,在翼根處采用5/芯/2結(jié) 構(gòu),即芯子上面為5層鋪層,下面為2層鋪層,到翼尖處則過(guò)渡到2/芯/2結(jié)構(gòu)。下蒙皮翼尖處為3/芯/2結(jié)構(gòu)。在蒙皮中還嵌入鋁及銅絲以防雷擊。

SR系列飛機(jī)


    在當(dāng)今美國(guó)通用飛機(jī)制造商中,卷云(Cirrus)設(shè)計(jì)公司堪稱(chēng)頭號(hào)復(fù)合材料飛機(jī)制造商。它在2007年交付了710架復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī),占活塞式飛機(jī)交付量的26%。


    該公司的SR20飛機(jī)是一種輕型全復(fù)合材料4座飛機(jī),于1998年取證。目前,公司推出了兩款新機(jī)型,包括:SR22(為SR20的渦輪增壓器型)、SRS輕型體育型以及“個(gè)人”噴氣型(正在取證中)。


    SR22 G3(G3表示第三代)是公司性能最好的活塞式飛機(jī)。該機(jī)的大部分機(jī)構(gòu)采用了E玻璃/環(huán)氧,還部分采用S-2玻璃/環(huán)氧預(yù)浸帶。為提高結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)度,采 用了碳/環(huán)氧預(yù)浸帶。玻璃預(yù)浸帶由TenCate先進(jìn)復(fù)合材料公司提供,并經(jīng)威奇塔州立大學(xué)的國(guó)家航空研究所(NIAR)的先進(jìn)材料性能中心 (NCAMP)預(yù)先鑒定。卷云設(shè)計(jì)公司為T(mén)enCateBT250預(yù)浸帶進(jìn)行了質(zhì)量鑒定及設(shè)計(jì)許用值試驗(yàn)。


    G3采用的整體、單體(無(wú)芯子)、熱壓罐固化的碳/環(huán)氧C型翼梁,比其前身的設(shè)計(jì)減重13.6千克,從而提高了飛機(jī)載重量和加大了飛機(jī)航程。該機(jī)梁長(zhǎng) 10.7米長(zhǎng),厚大約12.5毫米,由位于猶他州的應(yīng)用復(fù)合材料技術(shù)(ACT)航空航天公司生產(chǎn)。梁中采用了由NCAMP鑒定的碳/環(huán)氧預(yù)浸帶材料。該預(yù) 浸帶由東麗復(fù)合材料(美國(guó))公司供應(yīng),纖維為T(mén)700。


    機(jī)身結(jié)構(gòu)的大面積區(qū)采用了夾層結(jié)構(gòu),由卷云設(shè)計(jì)公司手工鋪成。機(jī)身沿縱向分為左右兩半部,右半部包括垂尾。典型的結(jié)構(gòu)為2/芯/2,E玻璃/環(huán)氧蒙皮覆蓋 在 DHT(航空級(jí))閉孔泡沫芯子上。芯子由DIAB公司提供。芯子厚度一般為10毫米,蒙皮的鋪層數(shù)在關(guān)鍵部位增加以便提高抗屈曲剛性及穿孔周?chē)慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng) 度。在機(jī)身頂部引入無(wú)緯的S-2玻璃預(yù)浸帶鋪層以形成護(hù)頭架結(jié)構(gòu)。


    同一材料及方法用于翼尖及平尾蒙皮,其中在選擇部位引入含有鋁網(wǎng)的表面平整薄膜,用以防雷。模具為鋼與玻璃/環(huán)氧及碳/環(huán)氧復(fù)合材料,以及模具預(yù)浸帶的混合物。


    烘箱固化后,大件用PTM&W工業(yè)公司的ES6292膠連接。大件有機(jī)身/垂尾、機(jī)翼蒙皮(上有梁及肋)以及平尾蒙皮。平尾膠結(jié)在機(jī)身上,機(jī)翼螺 接在機(jī)身(不銹鋼及鈦緊固件)上??刂泼鏋殇X,無(wú)電偶腐蝕,因碳纖維不與鋁接觸。內(nèi)飾壁板為天然纖維復(fù)合材料。


    生產(chǎn)一架SR22 G3飛機(jī)大約需要1700工時(shí)。

史詩(shī)(Epic)飛機(jī)公司的產(chǎn)品


    Epic飛機(jī)公司新近推出了試驗(yàn)型的飛機(jī),其中有新的單發(fā)超輕噴氣機(jī)(VLJ)“勝利號(hào)”以及單發(fā)渦槳飛機(jī)“逃脫號(hào)”(Escape)和Epic LT渦槳簡(jiǎn)易組裝飛機(jī)。目前公司正在努力取證。這些飛機(jī)都屬于通用航空飛機(jī)中速度較快的,其中“逃脫號(hào)”的最大巡航速度365節(jié)。


    上述飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件都采用碳/環(huán)氧預(yù)浸料手工鋪層而成,生產(chǎn)模具則用碳/環(huán)氧復(fù)合材料以及外包的CNC母模制造。


    這些經(jīng)預(yù)先鑒定的預(yù)浸料由美國(guó)東麗復(fù)合材料集團(tuán)提供。為了防護(hù)電偶腐蝕也應(yīng)用了少量玻璃預(yù)浸帶。


    考慮到飛機(jī)在5400米高度上飛行機(jī)身要承受增壓到0.45巴的壓力。飛機(jī)的機(jī)身被設(shè)計(jì)成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)件,前端有防火墻,后部有壓力隔框,是用專(zhuān)利的非自 動(dòng)化工藝制成的,由兩個(gè)殼體連接而成,并一次固化成單一的無(wú)縫構(gòu)件。機(jī)身由復(fù)合材料頭錐與后機(jī)身錐體組成一體,固化后再切割出橢圓窗戶(hù)。


    最初時(shí)的機(jī)身設(shè)計(jì)在前面兩窗之間采用了一個(gè)鋁合金中央構(gòu)件,后來(lái)用碳纖維鋪層材料代替。盡管后者原材料成本較高,但因?yàn)槿∠擞?jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)切削加工件、緊固件以及組裝成本,最終仍節(jié)省了2500美元。


   “逃脫號(hào)”飛機(jī)的整體“濕”機(jī)翼(機(jī)翼內(nèi)可裝燃油)由上下蒙皮、兩根承力梁、上下各8根肋組成。梁的緣條由無(wú)緯碳預(yù)浸織物組成并支承上下機(jī)翼蒙皮從而阻止 蒙皮屈曲。由于復(fù)合材料剛度高,只需非常少的翼肋。機(jī)翼蒙皮一般為3/芯/2結(jié)構(gòu),在翼根處的蒙皮較厚,在翼尖處為2/芯/2結(jié)構(gòu)。機(jī)翼蒙皮用閉孔的 Divinycell泡沫芯材(由DiAB銷(xiāo)售公司提供)而不用蜂窩芯子。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#


    機(jī)身通過(guò)4套鋁托架與整體機(jī)翼相連接,垂尾及平尾也用復(fù)合材料以及芳綸/酚醛蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。在外蒙皮層合板中嵌入銅網(wǎng)以防雷擊。飛機(jī)的地板、側(cè)壁板以及儀 表板也采用復(fù)合材料,一些非結(jié)構(gòu)件用真空輔助樹(shù)脂轉(zhuǎn)移成形(VARTM)。復(fù)合材料飛機(jī)比金屬飛機(jī)強(qiáng)度高且安全,因?yàn)椴捎昧税丛O(shè)想中的最壞情況進(jìn)行的認(rèn)證 試驗(yàn)。

鉆石飛機(jī)公司的飛機(jī)


    鉆石飛機(jī)公司的活塞式飛機(jī),包括2座的DA20 Eclipse、4座的DA40“鉆石星”以及雙發(fā)的DA42“雙星”飛機(jī),主要采用玻璃纖維蒙皮夾層結(jié)構(gòu)。該公司最新推出的單發(fā)D-JET超輕噴氣飛機(jī) 則大多采用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。該機(jī)的機(jī)身由沿縱向左右兩半部分組成。


    該公司的特點(diǎn)是用濕法制造飛機(jī),一家定制公司將玻璃或碳布增強(qiáng)體放在精確定量的環(huán)氧樹(shù)脂槽內(nèi)浸漬。經(jīng)浸漬的織物置放在可脫模的層板上,然后送入模內(nèi)進(jìn)行鋪 層。公司雖然未透露層合板結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),但據(jù)了解為幾個(gè)層合板組成的夾層結(jié)構(gòu)。在受力高的區(qū)域鋪上無(wú)緯的碳纖維預(yù)浸帶條(如門(mén)窗的周邊)以增加剛度及強(qiáng)度,芯 子為閉孔泡沫,厚度大約12.5毫米,有助于降噪及隔聲。


    當(dāng)鋪層完成后,工件進(jìn)行真空袋加壓然后在38℃烘箱中固化。工件脫模及切邊后進(jìn)行黏結(jié),然后分組件送回烘箱在達(dá)到80℃后固化18小時(shí)。

豪克4000及“首相”IA飛機(jī)


    比奇飛機(jī)公司目前生產(chǎn)的豪克4000及“首相”IA噴氣機(jī),在材料的選用上主要基于經(jīng)濟(jì)學(xué)、強(qiáng)度重量比、可制造性以及可維修性的考慮,其效益是增加艙內(nèi)容積、降低總重以及減少零件數(shù),從而降低工時(shí)。在結(jié)構(gòu)加工方法上則采用了先進(jìn)的自動(dòng)化纖維鋪放。


  “首相”IA機(jī)身由兩個(gè)筒形殼體組成,它們?cè)诤髩毫蛱幤唇樱揽?000由3個(gè)筒體在機(jī)翼連接處拼接而成。筒體用MAG辛辛那提公司的Viper自動(dòng) 化纖維鋪放系統(tǒng)在鋁合金芯軸上制成。所用的無(wú)緯預(yù)浸料為12k中模碳絲束(G40-800及IM7),由東邦Tenax美國(guó)公司和Hexcel提供。預(yù)浸 環(huán)氧樹(shù)脂用977-2或E7K8,由Cytec工程材料公司提供。每一機(jī)身需要用128千米長(zhǎng)的12k碳絲束。


    機(jī)身筒體為夾層結(jié)構(gòu),蒙皮為環(huán)氧,蜂窩為芳綸/酚醛紙蜂窩(由Hexcel提供)。最薄的結(jié)構(gòu)為3/芯/3,在某些部位蒙皮的鋪層數(shù)增加到載荷所需值。一 般的鋪層取向是0°/+45°/-45°/90°。但纖維的排列結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定載荷分布位優(yōu)化的。在門(mén)窗外周?chē)穸燃哟笠蕴岣邚?qiáng)度。


    無(wú)緯預(yù)浸帶是機(jī)器鋪放的,而織物預(yù)浸料芯子及膠膜是用激光跟蹤在芯軸上用手工鋪的。最外層(模線(xiàn))包括來(lái)自Cytec公司用于防雷擊的Surface Master905材料。在芯軸上鋪完后,從鋁芯軸上取下置于陰模內(nèi),陰模為碳/環(huán)氧雙部分組成的蛤蜊形件,經(jīng)真空壓袋并在熱壓罐中分段固化。筒體的拼接 用膠結(jié)及機(jī)械緊固件聯(lián)合完成。膠膜、泡沫膠接劑、膏狀膠結(jié)劑以及封裝材料由3M公司提供

 

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