1 大型客机复合材料结构效益
新一代大型客机机体结构材料分配如表 1所示。大量采用复合材料结构是最突出特点之一 ,也是机体结构减重的主要措施。机体结构减重潜力分析 (见图 1)表明只有机翼、机身主承力结构均采用复合材料才可取得明显的结构明显减重效果。
表 1 新一代大型客机机体结构材料分配 (重量百分比) [526] Table 1 Material distribution of the airframe of large commercial aircraft ( weight percentage) [526]
其他
机型复合材料铝合金钛合金合金钢
材料
A380 CFRP 22
61 10 10 4
(2005204227首飞 ) GLARE 3
(正在研发 )
注 : GLARE是一种铝箔和玻璃纤维 /环氧层交替铺层压制的板材。 3 2007年资料数据。随研发工作进展 ,材料分配还有可能变化。
图 1 大型客机机体结构减重潜力分析示意图 [1] Fig1 1 Weight reduction potential of the airframe struc2 ture[1 ]
复合材料结构是以设计为主导、材料为基础、综合制造、工艺检测、维修诸方面成果的结晶。复合材料结构效益不仅由材料具有的高比强度、高比刚度带来的减重效益 ,而且还应包括通过结构优化设计、材料和工艺改进带来的结构性能和功能、效能的改善与提高 ,以及运营成本下降等综合效益。因此 ,复合材料结构的效益在相当大的程机身为 70 kg,而铝合金机身则要 1 000 kg ,充分体现了复合材料性能的可设计性和优异的疲劳性能带来的效益。再有 ,复合材料不易腐蚀 ,允许设计人员增加客舱湿度 ,从而解决了铝合金易腐蚀、客舱湿度不能提高的难题。复合材料优异的疲劳性能和采用健康监控技术使波音 787客机维护间隔延长到 1 000 h,而不是目前波音 767的 500 h。
2 民机复合材料结构技术研发历程 [2 ,8210 ]
20世纪 60年代以硼 /环氧为代表 ,先进复合材料问世 ,源于军机结构减重需求。此后 ,碳纤维成为主要增强纤维。美国飞机复合材料结构技术研究大致经历了 4个阶段。民机着重研究了与安全性、可靠性、经济性相关的复合材料性能和设计、工艺技术。
(1)复合材料飞机结构试用与航空工业认可 (20世纪 60 —70年代中 )
在 F214 ,F215和 F216尾翼上试用 ,完成了航空工业对碳纤维聚合物基复合材料结构应用的认可 ,并建立规范 :MIL HDB K217A聚合物基复合材料 (1971201) ,用于指导复合材料结构设计选材和材料性能许用值确定。
(2)复合材料结构应用技术研究与新型纤维 /树脂开发 (20世纪 70年代中 — 80年代末 )
军 机民 机
(4) “可买得起”复合材料结构技术研究 (20世纪 90年代至今 )
军 机民 机
F218复合材料机翼研制 (1978)和 AV28B复合材料前机身、机翼研制 (1982)用于研究复合材料结构完整性。
X229前掠翼验证机气动弹性剪裁技术研究 (1984212首飞 )。
1982年 10月— 1987年 3月空军执行“复合材料飞机主结构损伤容限研究”计划 ,解决复合材料特殊的低能量冲击损伤问题。
B22轰炸机大型整体壁板翼身融合体研究
(1989) NASA RP 1142 (1985)公布 MIL HDB K217B (1988202)公布 MIL A287221 (U SA F) 1985202公布
T300/环氧热压罐成形工艺为主。
NASA (1976 —1985年 )主持 ACEE计划 (Aircraft Energy Efficiency ,飞机节能计划 ),结构减重、节省燃油、增加商载 ,突破尾翼级结构复合材料应用。波音 737平尾、 DC210垂尾装机使用。
FAA AC 202107复合材料飞机结构 (19782 07)公布用于指导民机复合材料结构设计。
不久 ,FAA AC 202107A (1984204)公布 1989年 T800/增韧环氧复合材料达到主承力结构应用材料标准性能指标要求。
NASA组织实施为期 10～15年复合材料世界各地环境自然老化性能研究。结果表明 ,经自
1996年国防部联合 NASA ,FAA和航空工业界执行低成本复合材料计划 (Composite Af2 fordability Initiative ,CAI)。用大约 10年时间 ,实现复合材料生产成本下降 50 %,能与铝合金等金属材料结构相竞争。重点研究 :结构设计 /制造一体化、结构大型整体化、纤维铺放 (A FP)、自动铺带 (A TL)、预制体 / RFI,RTM等工艺技术和低成本修理技术。设计、制造、生产一体化仿真
(Designfor Manufacturingand Reducibility Sim2 ulation ,DMAPS)以实现 “异地设计、异地制造”。
NASA首先实施了 A TCAS计划 (先进技术复合材料飞机结构计划 )
1988 —1998年 NASA主持实施了先进复合材料技术计划 (Advanced Composite Technolo2 gy ,ACT)。目的在于突破高损伤容限复合材料主结构设计、制造和应用的关键技术 ,并降低成本 ,为运输类飞机机翼、机身大量应用复合材料提供技术支持。要求结构件减重 30 %～50 %,成本降低 20 %～30 %。
研究成果已用于波音 777复合材料结构。
复合材料在飞机主承力结构上的成功应用 ,降低成本要求提上日程 ,使复合材料结构具有高性价比 ,(又用得起 )。
“可买得起”
F235首次将“可买得起”列为飞机结构设计重要指标 ,要求最佳性能与最低成本之间作出折衷和平衡。
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本文链接地址：航空学报08大飞机专刊(108)
