教練機低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用探索研究

王建華，周 恒，付杰斌

(中航工業(yè)洪都，江西 南昌 330024)

0 引言

復(fù)合材料以其優(yōu)良性能在飛機結(jié)構(gòu)上得到了越來越廣泛的應(yīng)用，而高使用成本問題已然成為既困擾又促進飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的重要因素。教練機作為飛行訓練裝備是生成戰(zhàn)斗力的物質(zhì)基礎(chǔ)，與主戰(zhàn)機型相比，其對效費比、低成本等方面要求更高。因而針對教練機機體結(jié)構(gòu)開展相應(yīng)的低成本復(fù)合材料應(yīng)用探索具有重要的學術(shù)意義和工程價值。當前，一些小型無人飛行器憑借其特有的低風險、低成本特性為新設(shè)計思想、新材料、新結(jié)構(gòu)的技術(shù)應(yīng)用提供了理想的驗證平臺[1-5]。本文結(jié)合多型無人機研制工作中已開展的低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、驗證及應(yīng)用技術(shù)研究工作，探索了教練機低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景。

1 低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特性

1.1 低成本復(fù)合材料特點

復(fù)合材料的應(yīng)用成本是由原材料、制造、檢測、維護和修理等構(gòu)成的全壽命周期費用，因此低成本復(fù)合材料應(yīng)具備以下主要特點[6-7]：

1)低原材料成本：材料常用，全機使用比例較大且種類少；

2)低制造成本：對制造設(shè)備要求低，制造工藝簡單；

3)低檢測成本：目測、敲擊或超聲波、X光等簡單方法便可準確判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部缺陷；

4)低維護成本：外場維護、修復(fù)工藝簡單，不需要或僅需要簡單易攜帶的設(shè)備就可現(xiàn)場維護。

1.2 常用低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

當前飛行器使用較多的低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要有層合板結(jié)構(gòu)和夾芯結(jié)構(gòu)。層合板結(jié)構(gòu)一般由單一織物（玻璃布或少量選用碳纖維）鋪疊而成，根據(jù)設(shè)計需要，層合板結(jié)構(gòu)中可少量夾有薄鋁板（局部加強）、錫箔紙（如有隱身要求）或簡單形狀尼龍件（用于局部加強或替代連接件預(yù)埋），主要承受面內(nèi)拉伸、壓縮和剪切。夾芯結(jié)構(gòu)（見圖1）主要由面板、夾芯及膠粘劑共固化而成，面板一般采用玻璃布（少量選用碳纖維）鋪疊，夾芯一般選用NOMEX蜂窩、ROHACELL泡沫板或硬質(zhì)聚氨脂泡沫等。夾芯結(jié)構(gòu)傳遞載荷的方式類似于工字梁，上下面板主要承受由彎矩引起的面內(nèi)拉壓應(yīng)力和面內(nèi)剪應(yīng)力，而芯材主要承受垂直于面板的壓應(yīng)力和由橫向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力，并能防止面板在側(cè)壓載荷下產(chǎn)生屈曲。

圖1 復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)及受載示意圖

1.3 低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接方式

低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之間的連接方式主要有：零件尚未成形之前的共固化；零件成形之后的二次固化（硬膠接）；已成形零件與尚未成形零件之間的共膠接（軟膠接）；機械連接；膠接、機械連接混合連接方式。膠接因不需制孔，無鉆孔引起的應(yīng)力集中，連接效率高，結(jié)構(gòu)輕，同時能夠獲得良好的氣動外形，但膠接強度分散性大，剝離強度低，不能傳遞較大集中載荷，且膠縫設(shè)計應(yīng)盡量使其承受剪切應(yīng)力，在傳遞較大載荷時仍應(yīng)優(yōu)先考慮機械連接及混合連接方式[6-7]。

2 低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)驗證試驗

為消除復(fù)合材料產(chǎn)品制造時工藝理論數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的差異，必須按層級進行充分的試驗，驗證結(jié)構(gòu)強度計算方法是否正確，制造工藝是否滿足要求。同時需要通過一系列試驗掌握全機靜強度真實數(shù)據(jù)及相關(guān)功能結(jié)構(gòu)的性能。試驗一般可分為基礎(chǔ)試片試驗、典型構(gòu)件試驗、大部件試驗、全機靜力試驗及機體結(jié)構(gòu)功能性試驗等五個階段。本節(jié)內(nèi)容對數(shù)型無人機低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)驗證試驗過程加以介紹，教練機低成本復(fù)合材料應(yīng)用可借鑒該驗證程序。

2.1 基礎(chǔ)試片試驗

通過基礎(chǔ)試驗，可以獲得準確可靠的強度分析基本參數(shù)，建立起低成本復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)數(shù)據(jù)庫。本研究中系統(tǒng)開展了典型低成本復(fù)合材料層合板及夾芯結(jié)構(gòu)基本力學性能、連接強度力學性能與連接破壞機理、層合板鉚接工藝、層合板的擠壓強度等測試試驗。

2.1.1 玻璃鋼層合板及夾芯基本力學性能試驗

采用不同厚度規(guī)格的材料 （如EW100A-100/2713、EW210B-100/2713），分別制出2mm、15mm的層合板。同一種玻璃纖維、不同樹脂膠（如EW100A-100/2713、EW100A-100/J-4）制出不同試片，分別進行測試得出相關(guān)性能數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明：2mm層合板EW100A-100/2713、EW210B-100/2713縱向拉伸強度遠大于EW100A-100/J-4、EW210B-100/J-4；15mm 層合板EW210B-100/2713、EW210B-100/J-4的層間剪切強度是EW100A-100/2713、EW100A-100/J-4的兩倍。夾芯材料結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝流程和環(huán)境相同，性能相對穩(wěn)定，基本力學性能可采用生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)。

2.1.2 膠的剪切強度試驗

膠的剪切強度試驗主要包括玻璃鋼與玻璃鋼、玻璃鋼與鋁板之間膠接剪切強度測試。當層合板材料選定后，可選用不同膠進行膠的剪切強度試驗。表1為玻璃鋼與玻璃鋼層合板間不同膠的剪切強度試驗數(shù)據(jù)。

表1 玻璃鋼與玻璃鋼層合板間不同膠的剪切強度試驗數(shù)據(jù)

不同材料試片膠的剪切強度除與膠的強度性能有關(guān)外，與試片和膠的相容性、試片的表面處理方法也密切相關(guān)。表2為鋁合金不同表面處理方法對力學性能影響試驗數(shù)據(jù)（注：粘附破壞是指試片膠接面為光板，膠層未破壞，膠接面剝離；混合破壞是指兩件試片都有零星膠和零星光板；內(nèi)聚破壞是指兩件試片均帶膠，無光板，膠接面被撕裂破壞）。

表2 鋁合金不同表面處理方法對力學性能影響試驗數(shù)據(jù)

2.1.3 層合板鉚接工藝試驗

復(fù)合材料層合板延伸率低、層間強度低、抗沖擊能力弱，鉚接時，因鉚釘桿膨脹，鉚釘孔被擠壓破壞，鉚釘孔受剪能力降低。玻璃鋼層合板鉚接時（見圖2）鉚釘周邊泛白，拆除鉚釘后，可發(fā)現(xiàn)鉚釘孔周邊有細小裂紋，有的有分層、碎裂。玻璃鋼內(nèi)預(yù)埋鋁板后（見圖3），提高了擠壓強度，鉚接質(zhì)量良好，無分層劈裂、碎屑等缺陷。

圖2 層合板鉚接

2.1.4 層合板的擠壓強度試驗

根據(jù)飛機選材和結(jié)構(gòu)方案，制定擠壓強度試驗方案。如某型機基本結(jié)構(gòu)材料為玻璃鋼，根據(jù)結(jié)構(gòu)方案，判斷可能用到的典型層合板結(jié)構(gòu)厚度及連接鉚釘、螺栓的大小，可初步確定試片的種類，進行擠壓強度試驗，沒有涉及到的層合板（厚度、孔徑）可粗略選用比較接近試片的試驗數(shù)據(jù)，表3為擠壓強度試驗數(shù)據(jù)。

圖3 預(yù)埋薄鋁板層合板鉚接

表3 擠壓強度試驗數(shù)據(jù)

2.2 典型構(gòu)件試驗

在前期建立的基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)庫支持下，針對某機型設(shè)計制造相應(yīng)的典型構(gòu)件。根據(jù)飛機主要結(jié)構(gòu)形式，針對一些典型構(gòu)件進行預(yù)先摸底試驗，驗證結(jié)構(gòu)強度計算方法是否合理。

某型機結(jié)構(gòu)以夾芯結(jié)構(gòu)為主，無長桁，少梁，縱向拉、壓主要有夾芯結(jié)構(gòu)承受，夾芯結(jié)構(gòu)的抗壓性能對結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要，因此選定標準平板和前機身桶段進行受壓穩(wěn)定性試驗（見圖4、圖5），試驗結(jié)果證明計算方法，試驗數(shù)據(jù)可滿足設(shè)計要求。

圖4 平板受壓穩(wěn)定性試驗

圖5 桶段受壓穩(wěn)定性試驗

2.3 大部件試驗

飛機大部件結(jié)構(gòu)受力形式比較復(fù)雜，可選取承載比較典型的部位進行預(yù)先試驗，驗證重要連接區(qū)的結(jié)構(gòu)強度計算是否正確。某型機機翼與機身連接接頭為典型的膠接、機械連接混合連接方式，通過機翼預(yù)先試驗，考核機翼和機身接頭的結(jié)構(gòu)靜強度，驗證結(jié)構(gòu)強度計算方法。機翼壁板為玻璃鋼面板、ROHACELL 31泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，同時考慮面板與夾芯粘接存在分散性，不易采用膠布帶 （膠布帶粘接區(qū)有相對比較集中的載荷）進行加載，預(yù)先試驗采用卡板加載方式 （見圖6）。試驗結(jié)果證明，機翼和機身接頭的結(jié)構(gòu)靜強度滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)強度計算方法正確。

2.4 全機靜強度試驗

完成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)試片試驗、典型構(gòu)件試驗、大部件試驗后，獲得充分、可靠的強度分析基本參數(shù)，并通過典型構(gòu)件、大部件試驗驗證結(jié)構(gòu)強度計算方法正確、合理，制造工藝滿足要求后，開展了全機靜力試驗（見圖7），驗證機身、機翼、尾翼結(jié)構(gòu)和連接強度，考核各功能系統(tǒng)在各典型受載狀態(tài)下與機體連接靜強度及連接區(qū)附近的機體強度。

圖6 機翼靜力試驗

圖7 全機靜強度試驗

2.5 機體結(jié)構(gòu)功能性試驗

當今機體結(jié)構(gòu)在設(shè)計時往往會考慮結(jié)構(gòu)功能一體化，既滿足功能要求，又要實現(xiàn)全機重量最輕化。為了充分發(fā)揮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能一體化優(yōu)勢，盡可能保證燃油滿足航程要求，通常采用整體油箱結(jié)構(gòu)，為滿足油箱使用要求，需進行油箱滲油、氣密、振動試驗，驗證整體油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，制造工藝是否滿足要求。

3 教練機低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)想

3.1 機身結(jié)構(gòu)

教練機復(fù)合材料機體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是選擇合理的結(jié)構(gòu)型式，力求設(shè)計簡練、傳力合理，結(jié)構(gòu)重量輕和制造工藝性好，常規(guī)布局的機身典型結(jié)構(gòu)形式可采用梁式結(jié)構(gòu)和壁板式蒙皮結(jié)構(gòu)（見圖8）。

3.2 翼面結(jié)構(gòu)

教練機大型翼面（見圖9），載荷較大，可采用梁式壁板結(jié)構(gòu)或硬殼式壁板結(jié)構(gòu)。平尾、垂尾等中型翼面，可采用夾層壁板墻式結(jié)構(gòu)。而副翼、方向舵等小型操縱面，可采用全高度泡沫夾芯結(jié)構(gòu)。

圖8 機身典型結(jié)構(gòu)切面

圖9 復(fù)合材料預(yù)成型翼梁機翼典型結(jié)構(gòu)切面

3.3 整體油箱結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料整體油箱 （見圖10）具有良好的氣密性，復(fù)合材料面板材料及縫內(nèi)膠具有耐油性，不容易腐蝕，整體壁板有較好的隔熱性能和較高的結(jié)構(gòu)剛度，既是承力結(jié)構(gòu)，又是整體油箱壁板，可充分利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，大大減輕結(jié)構(gòu)重量。其材料各項性能（包括粘接性能、熱膨脹系數(shù)）接近，不會因熱脹冷縮，破壞膠結(jié)面，產(chǎn)生裂縫，各部件連接采用膠接（無機械連接），可解決因機械連接產(chǎn)生的密封問題，可見復(fù)合材料整體油箱是教練機油箱的理想結(jié)構(gòu)形式。

4 結(jié)論與展望

本文在已有機型低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研究基礎(chǔ)上，探索了教練機低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用前景。既有研究成果已建立起適用于工程實際應(yīng)用的常用低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)庫，針對“低成本”概念開展了針對性研究，使得復(fù)合材料機體結(jié)構(gòu)研制成本顯著降低；并提出了一套完整的研制周期內(nèi)低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、驗證步驟及應(yīng)用方向。通過論證得出了該程序可以滿足教練機結(jié)構(gòu)驗證需求的結(jié)論，且能夠?qū)叹殭C低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，同時降低研制成本，提高研制效率和質(zhì)量。

綜觀當今飛行器的發(fā)展趨勢，不難看出低成本復(fù)合材料的應(yīng)用空間十分巨大。筆者在本文研究工作基礎(chǔ)上，對未來教練機產(chǎn)品在該領(lǐng)域的應(yīng)用方向進行了展望，認為以下幾點內(nèi)容值得后續(xù)工作進一步研究：

1)成本更低的材料體系及成型工藝應(yīng)用技術(shù)；

2)大部件水平的低成本復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)設(shè)計制造一體化技術(shù)；

3)充分利用復(fù)合材料可設(shè)計性強且具有特殊的電磁性能的特點，重點發(fā)展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)/功能一體化技術(shù)（如隱身功能、熱防護功能、抗墜撞功能等）和智能結(jié)構(gòu)技術(shù)。

圖10 整體油箱結(jié)構(gòu)示意圖

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