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的趋势将继续下去。对复合材料结构的设计、制造提出新的研究课题 (图 4)。
图
4 波音 787飞机的机体表面结构基本上采用了复合材
composite
material[7 ]
(1)复合材料设计技术的发展
复合材料的应用的主要优势是可以明显的减轻结构重量。复合材料使波音 787客机有效降低了飞机重量 ,提高了燃油效率。预计波音 787的燃油消耗可比波音 767和 A330分别降低 20 %。由于其 1%的机身结构采用了抗疲劳、抗腐蚀材料 ,大大提高了飞机抗裂纹扩展能力 ,使外场维护间隔达 1 000 h,比传统飞机多 300～500 h[2]。
但是 ,实践证明 ,不进行复合材料设计技术研究 ,是很难达到预期的减重效果。根据空客公司和 Cranfield大学的研究得出的结论 ,复合材料的减重面临着如下的挑战 :对比铝合金 7075与碳纤维复合材料的比强度和比刚度的值 ,可以得出复合材料减重效果是十分明显的。但考虑拉、压的其他因素后 ,其减重效果会大打折扣 (表 3)。
表 3 考虑各种因素后 ,等代设计的复合材料结构与铝合金结构减重效果分析 Table 3 Weight saving of composite material compared with aluminum in different conditions
材料 比强度 比刚度 受拉孔应力集中影响 考虑压缩稳定性
7075铝合金 1 1 1 1
碳纤维复合材料 2177 1171 01 67 01 44
减重效果 / % 63 42 28 18
欧盟的科研组织 GAR TEU R启动的航空结构和材料方面研究 ,其中部分涉及复合材料的研究项目 :①复合材料铺层和结构疲劳失效分析 ,研究铺层结构断面特性 ;②复合材料结构冲击损伤和复合材料结构的修补研究。包括 :复合材料结构冲击损伤的评估方法的建立 ;胶结结构的维修研究 ;③复合材料结构后屈曲和压损破坏分析。
为了有效的发挥复合材料减重的特点 ,结构设计应发挥复合材料可剪裁的设计优势 ,将减重的效果发挥出来。为此要解决以下的关键技术
:
①提高复合材料结构承载能力的研究 ;②新概念术 ;④复合材料的多学科优化剪裁 (含气动弹性 );⑤采用先进复合材料制造技术的设计。
(2)提高复合材料承载能力的研究
复合材料的承载能力主要是受到许用应变的限制。目前许用应变大多采用 4 000左右的微应变。考虑到复合材料受拉时 ,孔边没有塑性变形的应力松弛及受压时结构在湿热环境下冲击损伤的扩展带来的受压稳定性问题后 ,造成许用应变大大降低 (图 5)。
图 5 复合材料开孔受拉应力集中较铝合金严重 ,造成提前破坏的现象 [8] Fig1 5 Hole side stress concentration will cause early breach for composite material structure[8]
复合材料的开孔处必须局部加强 ,将应力集
中降到适当的水平。在这方面的设计要比金属结
构更为重视。
复合材料结构在超过一定能量低速冲击的
情况下形成的损伤 ,在受压载荷下 ,压缩强度会
明显降低。图 6展示了某一板受压强度随着冲
击能量变化而降低的情况。可以看出 ,损伤对
结构的受压稳定性有着巨大的影响。研究在损
伤情况下的复合材料的受压稳定性是决定复合
材料承载能力的关键。对于带有损伤的复合材
料结构稳定性屈曲和过屈曲分析的研究越来越
引起重视。
为降低低速冲击造成的损伤 ,目前除个别部
位采用缝纫方法 ,正在较为广泛地采用 Z型钉和
X型钉的增强方法 ,以提高结构的承载能力。
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图 6 复合材料板的冲击损伤对承载能力的影响 [8]
在波音 787飞机上得到了首次应用
[9]。
Fig16 Influence of impact energy on CFR structure com2 波音 787研制中的问题之一是复合材料机pression strength[8] 身的维修问题。复合材料的强度来自于纤维与机体树脂固化形成结构 ,一旦损伤分层或纤维断裂 ,
缠绕、
等特殊工艺方法 ,可以设计和制造出有别于金属结构的新结构形式。例如机身结构采用缠绕成形复杂的加筋板 ,如图 7所示。
图 7 缠绕成形复合材料机身壁板结构 [4] Fig17 Carbon fiber wound panel for body section structure[8 ]
上述新整体结构形式 ,大大降低了零件数量和装配连接 ,也降低了产品加工成本。目前统计的西方复合材料制件的成本已接近了铝合金相应结构的成本。
(4)复合材料的健康监控、无损检测和维修技术
广泛采用复合材料给使用和维护这些飞机的航空公司带来一项新的挑战 :在飞机复合材料结构全寿命使用过程中 ,如何监控由复合材料制成的飞机结构件并发现其内部的损伤 ,如何判断损伤的部位和程度 ,如何及时报警成为关键技术之一。结构状态监控 ( SHM)是在飞机复合材料结构中安装传感器、激振器、光纤网络和处理机 ,通过一定的软件系统 ,可以确定结构的健康情况和损伤 ,并由系统报警。但要解决上述关键技术 ,同时又在飞机的设计寿命期 (30年)内保证进入结构的系统正常工作、具有高可靠性是相当大的挑战。国外正考虑研发一种机载结构状态监控系统 ,用于大面积使用复合材料的飞机。
确保复合材料部件产品完整性的主要手段是采用无损检测。出厂的产品将用无损检验做出评估和作为健康监控的基本数据。这些技术已开始
结构强度就要受到很大的损失。复合材料破损后 ,很难采用修补金属的办法来修补。研究适合不同工艺和材料的复合材料修补问题成为复合材料大面积应用的关键问题之一。目前各飞机制造公司都具备一定的维修手段 ,但都不十分满意 ,研究工作仍在进行。
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