波音 737水平安定面 NASA航线飞行使用评估、空中客车 A320垂直尾翼、特别是波音 777水平安定面的设计使用经验。复合材料机翼结构设计重点考虑了机翼 2机身连接、发动机悬挂固定接头、油箱和电接地、上蒙皮壁板的冲击损伤容限等问题 ,以及低成本成形工艺技术的适用性、带加筋桁条大型翼面壁板固化成形技术、检测和修理技术等 [2]。
波音 787复合材料机翼长 30 m,总体结构布局为典型的双梁多肋结构型式 ,见图 3。这种结构型式设计简单便于制造装配 ,技术成熟。前大梁为 C剖面槽型整体层合板 CFRP大梁 ;蒙皮为
图 3 波音 787复合材料机翼结构型式示意图 Fig13 Boeing 787 composite wing structures
带 I型加筋条的整体 CFRP壁板 ,采用气弹剪裁优化设计 ;后梁和 37个肋为铝合金件 ;机翼 2机身连接钛合金主接头、整体铝合金发动机挂架和传动装置支架均为常用结构型式。雷电防护系统铜网在 CFRP翼面壁板成形时固化在壁板上。
A380机翼与机身连接的中央翼盒采用了大型复合材料壁板组装的盒形件结构 (图 4)。机翼外翼蒙皮和翼肋采用复合材料结构、内翼采用金属蒙皮 ,从而避免了根部复合材料翼面受外来物
5 复合材料机身
复合材料机身是 NASA的 ACT计划的重要研究内容。波音 787飞机采用全复合材料机身说明该项技术已取得了突破性进展。
全复合材料机身典型结构 (段)按照结构受力特点可划分为上部壁板、左/右侧 (大开口 )壁板和地板 /龙骨结构三大区域 ,如图 5所示 ,不同区域设计和工艺关键技术问题是不同的 ,见表 4。
冲击引起的损伤容限难题。大型复合材料中央翼
盒成为 A380复合材料应用的典范。
图 5 大型客机机身段分区示意图 Fig15 Sub regions of large commercial aircraft fuselage
表 4 复合材料机身结构不同区域设计和工艺关键技术问题 [ 2 ,15216] Table 4 Key design and manufacture technology issues of different regions on composite fuselage[2,15216]
上部壁板 左/右侧 (大开口 )壁板 地板 /龙骨结构
结构型式 桁条加筋层合曲板、隔框半硬壳式壁板 桁梁加筋层合曲板和隔框构成的门窗大开口壁板 (带有健康检测系统元件 ) 地板梁和龙骨梁构成的结构 ,外包加筋层合板蒙皮
载荷 /应力 轴向拉伸和环向拉伸的双轴载荷为主 剪切和弯曲载荷为主 (壁板压剪稳定性问题 ) ;大开口区载荷重新分布和应力集中 轴向压缩载荷和地板 /龙骨梁载荷 (含抗坠吸能 ) ;蒙皮承受轴压和环向拉伸载荷
冲击损伤 冰雹冲击损伤 地面维护装备等冲击损伤 跑道碎石等冲击损伤
上部壁板、左/右侧壁板、地板 /龙骨结构构成机身段的对接连接
连接各机身段之间对接连接
机翼 2机身连接
蒙皮铺层纤维自动铺放 ;桁条、隔框、地板梁、龙骨等 RFI ,RTM低成本制造技术 ;健康检测系统元件与桁梁加筋层合板共固化成形技术 ;直径 51 8m、长 10 m复合材料机身段热压罐固化成形技术 ;隔框与桁条加筋层合曲板装配制造工艺技术、地板梁、龙骨梁和加筋板蒙皮装配技术 ;损伤检测与修理技术 ;先进制造技术采用的先进铺带机、机身固化用超大型热压罐 (直径 911m、长 231 2 m)、高压水切割机、先进超声探伤设备以及大型工艺模具等。
波音 787全复合材料机身纵向桁条为帽形闭一起 ,形成带有整体剪切带的半硬壳式 ( Mono2 剖面桁条 ,采用共固化或二次胶接与蒙皮形成机coque with Integral Shear Ties ,MIST)壁板见图 身加筋层合曲板 ;隔框为 C剖面框 ,与桁条交叉6[5]。剪切连接件是将机身座舱内压作用下桁条处开有切口 ,允许桁条穿过 ;采用剪切连接件 加筋层合曲板与隔框之间连接的螺栓拉伸载荷转(Shear Tie)将隔框与桁条加筋层合曲板螺接在化为螺栓剪切载荷传递给隔框构件。
图 6 波音 787复合材料机身壁板结构示意图 Fig1 6 Boeing 787 composite fuselage panel structure左/右侧 (大开口 )壁板 (图 7) ,大开口区域载荷重新分布和应力集中的设计技术和地面维护装备等冲击损伤的损伤容限设计技术是波音 787复合材料机身的重要设计亮点。
图 7 波音 787大开口窗户 (483 mm ×279 mm)示意图 Fig17 Boeing 787 large hatch windows (483 mm ×279 mm)
为了确保安全 ,全复合材料机身首次采用了结构健康监控技术 (Structure Health Monito2 ring ,SHM) [526]。
A380机身蒙皮壁板采用了 GLA RE板制造 (图 8) ,共用 27块板 ,最长的一块为 11m ,总面积达 470 m2 [4 ,17219 ]。GL ARE板 (图 9)是由铝合金薄板 (0 ,25 mm厚的 2024或 7075铝箔 )和玻璃纤维增强环氧聚合物复合材料铺层交替排列构成的一种纤维 2金属层合板 (fiber2metal lami2 nates)。GL ARE层板除密度略大外 ,拉2压疲劳性能显著提高、对缺口和冲击的敏感性大大下降 ,其力学性能同样与增强纤维方向有关 ,具有可设计性。 GLARE板成形工艺性可以借鉴铝合金板的加工工艺。采用 GLARE板可以较好解决机身外来物冲击损伤容限难题。补充说明 ,波音 787飞机上使用了少量 Ti Gr板 (由 Ti2Al24V箔、 IM6/ PEEK层相间压制而成 )。
A380机身后压力舱盖采用加筋条缝合预制体/ RFI成形 ,见图 10。
图 10 A380机身后压力舱盖制造工艺示意图 Fig1 10 A380 fuselage pressure hatch manufacturing process
[8] 唐纳德 ·保罗
.美国军用飞机结构技术的演变 [R].朱璐 ,大型客机冲击损伤容限、大开口区应力重新分配译.飞机设计参考资料 ,1997.
和应力集中、龙骨梁集中载荷的分散 ,以及层合板S. military aircraft struc2 tures technology[R]. Zhu Lu,translate,AIAA296 15712
屈曲问题等。
