復合材料在飛機上的應用

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

2、民航客機止也應用作主結構,如機身、機翼等.一.飛機結構用復合材料的優(yōu)勢現(xiàn)今新一代飛機的開展目標是“輕質化、長壽命、高可靠、高效能、高隱身、低成 本.而復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的重要途復合材料具有質輕、高強、可設計、抗疲勞、易于實現(xiàn)結構/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構材料之一.復合材料在飛機結構上的應用首先帶來的是顯著的減重效益,復合材料尤其是碳纖維復合材料其密度僅為cm3左右,如等量代替鋁合金,理論上可有 42%的減重效果.近年來隨著復合材料技術的深入研究和應用實踐的積累,人們清楚地熟悉到：復合材料在飛機結構上應用效益絕不僅僅

3、是減重,而且給設計帶來創(chuàng)新舞臺,通過合理設計,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要求,降低壽命周期本錢,特別是當飛機進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%,這在很大程度上應歸功于復合材料的大量應用.同時,大局部復合材料飛機構件可以整體成型,大幅度減少零件數(shù)目,減少緊固件數(shù)目,減輕結構質量,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.復合材 料

4、整體成型技術還可消除縫隙、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.2 .飛機結構用復合材料的開展過程先進復合材料于上世紀60年代中期一問世,即首先用于飛行器結構上.30多年來先進復合材料在飛機結構上應用走過了一條由小到大、由次到主、由局部到整體、由結構到功能、由軍機應用擴展到民機應用的開展道路.1 .復合材料在軍用飛機上的開展過程縱觀國外軍機結構用復合材料所走過的道路,大致可分為三個階段:第一階段復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70年代初完成.第二階段復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)氧復合材料平尾于1971年研制成功作為標志,根本于上世紀 80年代初完成.此后F-1S F-1& F-18、幻影2000和幻影4000等均采用了復合材料尾翼,此時復合材料用量大約 只占全機結構重量的5%.第三階段復合材料開始應用于機翼、機身等主要的承力結構,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復合材料機翼作為里程碑,此時復合 材料用量已提升到了 13%,軍機結構的復合材料化進程進一步得到推進.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合材料,具復合材料用量不斷 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 Rafale、瑞 典的JAS-39歐洲英、德、意、西四國聯(lián)合研制的“臺風 EF200.、俄羅斯的C-37等,具體如表1所示.應該指出繼機翼、機身采用復合材料之后,飛機的最后一個重要部件一一起落架也 開始了應用復合材料,向著全機結構的復合材料化又邁進了一步.復合材料用在起落架 上是代鋼而不是代鋁,可有更大的減重空間,一般可達 40%左右.2 .復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合材料,以波音飛機為例,其進程大致走 過了四個階段：第一階段：采用復合材料制造受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板 等構件,該階段于上世紀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設計應用了復合材料垂尾、平尾,共用復合材料噸,占結構總重的 11%.第四階段：在飛機最主要受力部件機 翼、機身上正式使用復合材料,如波音公司正在研制的B787 “夢想飛機,具復合材料用量達50%.下列圖為B787 “夢想中復合材料的使用情況.圖中深藍色局部為飛機的碳層合板,用于機身主體的機構,淺藍色為碳夾芯板,用 于飛機的尾翼局部和側翼的少局部部件,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、進復合材料在其 A300系列飛機上的應用研究,經(jīng)過 7年時間于1985年完成了 A320全復合材料垂尾的研制,此后 A300系列飛機的尾翼一 級的部件均采用復合材料,將復合材料的用量迅速推進到了15%左右.已于2005年初下線并首飛的A380超大型客機,具復合材料用量達 25%,主要應用部位包括中央翼、 外翼、垂尾、平尾、機身地板梁和后承壓框等,開創(chuàng)了先進復合材料在大型客機上大規(guī) 模應用的先河.上面的圖為空客大型民機結構用復合材料的進程.3 .復合材料在我國飛機制造的應用我國于上世紀70年代已開展軍機用先進復合材料的研究.“六五期間作為預研項 目研制了兩個機型的復合材料垂尾,1985年開始研制

9、某型機帶整體油箱的復合材料機 翼,90年代初研制了某型機復合材料垂尾和前機身,此后多種機型均正式采用了復合材料,其復合材料用量接近10%.雖然我國在航空和汽車領域中,對于復合材料已經(jīng)有了一定的了解和應用,但是復 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合材料的技 術,并用于飛機,汽車等的制造中.3 .飛機結構復合材料在將來的開展及前景人們以前一直擔憂樹脂基復合材料結構的使用壽命問題,30多年來的應用開展歷史證實了先進復合材料具有優(yōu)異的使用性能,使用壽命不成問題,這也是目前飛機結構復合材料用量

10、大幅提升的根底和前提.自 20世紀70年代先進復合材料進入飛機結構以 來,各種飛機從未因大量使用復合材料引發(fā)飛行事故,這無疑為復合材料的應用增加了 信心和平安置信度.最早的裝機件歷經(jīng) 30余年的使用,已到設計的使用壽命,最近的 檢測結果說明,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).曾以為樹脂基復合材料 的老化可能是影響使用的嚴重問題,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,復合材料隨飛機結構成功地經(jīng)受了疲勞與溫 度、吸濕及腐蝕等環(huán)境的考驗,有些問題并不像當初預計的那樣嚴重

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

12、實復合材料是實現(xiàn)飛機現(xiàn)代化的必由之路,飛機結構復合材料化 也是大勢所趨.未來飛機特別是軍機為了進一步到達結構減重與降低綜合本錢,復合材 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,只有復合材料 才有潛力使飛機獲得20%- 25%勺性能提升,復合材料將成為飛機的根本材料,用量將達 到 65%.2000年統(tǒng)計,鋁,鋼,鈦,復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,而預計將來,復合材料降占主導位置.下列圖為現(xiàn)在與將來預計飛機 用材料比例圖.飛機結構用復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、主要表達在三個方面,一是提升力學性 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.同一結構實現(xiàn)多種功能是復合材料的優(yōu)勢之一,如承力 /吸波,承 力/吸波/減振、降噪一體化是飛機結構用復合材料的一個重要開展方向.要實現(xiàn)多功能 化,設計是首位,材料是根本,工藝是保證.(3)智能化.智能化對提升結構效率和可靠性具有重要作用,是飛機結構設計越來 越重視的方向.開發(fā)飛機結構用復合材料自感知、自診斷、自適應智能化技術,可以實 現(xiàn)復合材料飛機結構噪聲抑制、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構大量應用復合材 料的主要障礙,因此低本錢化仍為復合材料開展中急需解決的關鍵技術.低本錢化重點 考慮制造技術低本錢化、設計方法低本錢化、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.應開展復合材料制造過程模擬與工藝參數(shù)優(yōu)化技術,實現(xiàn)復合材料制造過程數(shù)字 化與飛機結構設計數(shù)字化趨向相適應.(6)設計制造一體化.在設計階段就考慮制造與裝配中的問題,可加快產(chǎn)品研制進 度,提升質量,有效降低本錢.采用全新的設計理念和手段,將設計和制造融為一體, 是復合材料開展的又一個重要趨勢.飛機的絕大局部結構將采用