運8系列飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計與研究

照那斯圖

摘要 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是飛機結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展方向。本文對國內(nèi)外民機和軍機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件使用情況進行分析，對運8系列飛機采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件進行研究，對設(shè)計制造方面存在的薄弱環(huán)節(jié)突破方面提出了可行的方法。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)件；設(shè)計與研究

1.概述

運8系列飛機經(jīng)過近50年的發(fā)展，已經(jīng)形成3個平臺三大系列飛機群，成功交付多架多型號特種飛機、運輸機和外貿(mào)機。但運8系列飛機結(jié)構(gòu)件仍然使用金屬合金材料為主，與國外先進飛機比較，結(jié)構(gòu)效率、經(jīng)濟性和維修性方面存在一定的差距。

波音和空客系列民機，C-17和A400M等軍機已經(jīng)大面積采用復(fù)材。復(fù)材結(jié)構(gòu)件是減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率，改進飛機經(jīng)濟性的主要途徑。運8系列飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)盡早采取復(fù)材結(jié)構(gòu)件，改進飛機使用性、提升競爭力、提高飛機效率、打造先進平臺。

2.國外飛機復(fù)材使用情況

20世紀70年代開始在飛機上使用復(fù)材，剛開始用在非承力結(jié)構(gòu)件，如口蓋、舵面、后緣等結(jié)構(gòu)。1982年空中客車公司率先在A310-200飛機上采用碳纖維復(fù)材制造的方向舵、升降舵、擾流板和減速板。1987年在A320飛機的水平尾翼和副翼上采用復(fù)材。此后空客將A340飛機的垂尾、平尾、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門和整流罩均采用復(fù)材。隨后研制的A340 500/600飛機又增加碳纖維龍骨梁和復(fù)材機身后密封框。這是復(fù)材首次被永遠氣密區(qū)結(jié)構(gòu)，該機復(fù)材用量達到飛機結(jié)構(gòu)的10%。

A380飛機研制采取了一系列新技術(shù)和新材料，大量采用復(fù)材。將復(fù)材進一步用于非暴露的主要受力結(jié)構(gòu)上，如機翼的主要受力部件中央翼翼盒采用碳纖維強塑料。一架A380飛機復(fù)材用量達30t，復(fù)材用量達到飛機結(jié)構(gòu)的23%。

B787飛機的機體表面結(jié)構(gòu)基本采用了復(fù)材，具體為碳纖維鋪層結(jié)構(gòu)、碳纖維夾層結(jié)構(gòu)和玻璃纖維結(jié)構(gòu)。大量使用復(fù)材，使B787飛機不僅減輕了重量而且大大提高了飛機結(jié)構(gòu)耐久性，使B787飛機的維修間隔達到1000h，而B767飛機的維修間隔只有500h。

軍用飛機，特別是大中型軍用飛機復(fù)材結(jié)構(gòu)發(fā)展雖然沒有民機發(fā)展迅猛，但總的發(fā)展趨勢是一致，就是金屬結(jié)構(gòu)逐步被復(fù)材結(jié)構(gòu)所代替。當前以C-17為代表的大型軍用運輸機和以A400M為代表的中型軍用運輸機機體結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用基本體現(xiàn)了復(fù)材結(jié)構(gòu)在軍用運輸機上的總體體現(xiàn)與發(fā)展趨勢。另外，已有大量的戰(zhàn)機和直升機采用了全復(fù)材機體結(jié)構(gòu)，如F-22飛機、NH-90、波音-360、V-22、RAH-66直升機等。

3.運8系列飛機復(fù)材結(jié)構(gòu)件設(shè)計與研究

3.1國內(nèi)飛機復(fù)材應(yīng)用情況

國內(nèi)從20世紀70年代初開始在飛機結(jié)構(gòu)中研制和試用復(fù)材，前后成功地研制出殲-8飛機的垂尾，強5飛機的垂尾，運7飛機的安定面等等。值得一提的是，國內(nèi)直升機上復(fù)材的應(yīng)用比例大大超出了固定翼飛機上的應(yīng)用。

我國所應(yīng)用的復(fù)材技術(shù)還都只是停留在手工鋪設(shè)和熱壓罐成形等技術(shù)層面上，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品質(zhì)量差、合格率低，致使目前復(fù)材的生產(chǎn)成本居高不下，產(chǎn)品價格難以下降。

在復(fù)材的主要研究應(yīng)用方面，國內(nèi)航空復(fù)材仍然發(fā)展較慢，在材料研究上沒有突破，在設(shè)計應(yīng)用方面沒有大的發(fā)展。也沒有掌握先進的復(fù)材工藝技術(shù)，一些新材料、新工藝和相關(guān)的設(shè)計方法，像高效、低成本的編織/RTM、縫合/RFI、自動鋪放系統(tǒng)、電子束固化還沒有達到工程應(yīng)用的地步。復(fù)材構(gòu)件的無損檢測技術(shù)也沒有完全掌握，限制了復(fù)材構(gòu)件的應(yīng)用，與國外先進國家相比，差距很大。

3.2運8系列飛機復(fù)材應(yīng)用情況

運8系列飛機結(jié)構(gòu)基本材料為鋁合金金屬結(jié)構(gòu)。復(fù)材的應(yīng)用主要集中在有電性能要求的罩子，如機頭罩，雷達罩、尾罩等部位。某型號飛機某艙門采用了復(fù)材結(jié)構(gòu)，是運8系列飛機首次除電性能要求以外的結(jié)構(gòu)件中采用復(fù)材結(jié)構(gòu)件。運8系列飛機其它非承力件和承力件采用復(fù)材應(yīng)用還未真正起步，僅僅選擇了方向舵作為復(fù)材應(yīng)用的突破口，尚處于探索階段。

3.3運8系列飛機復(fù)材結(jié)構(gòu)件的設(shè)計研究

1）復(fù)材結(jié)構(gòu)件應(yīng)用思路。綜合運8系列飛機機體結(jié)構(gòu)，特別是主承力結(jié)構(gòu)采用復(fù)材，仍然存在技術(shù)風(fēng)險、材料風(fēng)險和經(jīng)濟風(fēng)險。運8系列飛機的復(fù)材結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用應(yīng)借鑒行業(yè)內(nèi)工程經(jīng)驗以及國內(nèi)復(fù)材的發(fā)展基礎(chǔ)上，從輔助結(jié)構(gòu)件開始到次承力件，再到主承力件，再到大型復(fù)雜整體承力件，實現(xiàn)復(fù)材結(jié)構(gòu)達到一半以上水平。雖然達到復(fù)材應(yīng)用率達到一半以上存在一定的困難，且需要一段很長的路，但必須盡快采取措施實施，否則很難提高結(jié)構(gòu)效率，很難提高飛機競爭力。

運8系列飛機罩子及某型機某艙門的復(fù)材件的成功應(yīng)用，充分說明，復(fù)材非承力件沒有存在風(fēng)險。起落架艙門、各操縱舵面、端板、腹鰭、背鰭等組部件完全可以使用復(fù)材結(jié)構(gòu)件。

2）承力復(fù)材結(jié)構(gòu)件的設(shè)計。由于復(fù)材對環(huán)境因素的敏感性，破壞形式的多樣性，形成了以“設(shè)計是主導(dǎo)，材料是基礎(chǔ)，制造是關(guān)鍵，檢修是保證，目的是應(yīng)用”的對于各方關(guān)系的應(yīng)用策略，這策略充分說明機體結(jié)構(gòu)選用復(fù)材的復(fù)雜性，因此，我們在承力結(jié)構(gòu)件采用復(fù)材需做以下方面的技術(shù)儲備或技術(shù)攻關(guān)。

（1）復(fù)材選材研究。復(fù)材原材料包括增強材料、基體材料和由它們組成的中間材料預(yù)浸料。此外，還有夾層結(jié)構(gòu)所用的蜂窩材料、泡沫材料、膠粘劑和工藝輔助材料?；w和增強材料的不同搭配有不同的材料性能，因此合理選材是復(fù)材設(shè)計的基礎(chǔ)。

（2）典型結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計研究。復(fù)材是可設(shè)計的，在結(jié)構(gòu)應(yīng)用時其層壓板可以由不同比例、不同纖維方向的鋪層構(gòu)成。結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計中包括鋪層設(shè)計的準則掌握、連接區(qū)域設(shè)計，避免翹曲等技術(shù)要點。

（3）典型結(jié)構(gòu)許用值的測算與研究。復(fù)材結(jié)構(gòu)設(shè)計許用值與材料許用值不同。結(jié)構(gòu)設(shè)計許用值的確定是復(fù)材結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。其定義為“保證整個結(jié)構(gòu)的完整性具有高置信度，在許用值的基礎(chǔ)上，由設(shè)計師規(guī)定的設(shè)計限制值”。設(shè)計許用值是結(jié)構(gòu)設(shè)計思想、設(shè)計要求的具體體現(xiàn)和設(shè)計師設(shè)計經(jīng)驗與教訓(xùn)的結(jié)晶。

（4）試驗驗證。由于復(fù)材結(jié)構(gòu)缺乏成熟的分析方法和足夠的設(shè)計與使用經(jīng)驗，復(fù)材結(jié)構(gòu)完整性采用全尺寸部件和必要的試樣、組合件相結(jié)合的多層次設(shè)計驗證試驗方法來保證。對于全尺寸部件的結(jié)構(gòu)試驗，模擬諸多的綜合環(huán)境效應(yīng)往往十分困難，但是經(jīng)過恰當組織的積木式驗證，可以保證復(fù)材結(jié)構(gòu)的強度驗證在總體上是完整的。復(fù)材的應(yīng)用需要大量的試驗驗證。

（5）工藝技術(shù)的研究。復(fù)材成型和制造工藝是復(fù)材應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。目前廣泛使用的復(fù)材成型技術(shù)有熱壓罐制造技術(shù)、纖維纏繞技術(shù)、電子束固化技術(shù)、液體成型技術(shù)，增強材料預(yù)成型體制造技術(shù)等等。不同的材料、不同的結(jié)構(gòu)需要不同的制造技術(shù)。

（6）健康監(jiān)控和維修技術(shù)研究。復(fù)材結(jié)構(gòu)件使用后，在飛機復(fù)材結(jié)構(gòu)全壽命使用過程中，如何監(jiān)控復(fù)材結(jié)構(gòu)件其內(nèi)部的損傷，如何判斷損傷部位和程度，如何報警提示已成為難點。復(fù)材的強度來自于纖維與機體樹脂固化形成結(jié)構(gòu)，一旦損傷分層或纖維斷裂，結(jié)構(gòu)強度就要受到很大的損失。復(fù)材破損后，很難采用修補金屬的方法來修補。研究適合不同工藝和材料的復(fù)材修補問題成為復(fù)材大面積應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。目前各廠家使用的修復(fù)方法均不是很理想。因此復(fù)材結(jié)構(gòu)件的健康監(jiān)控和修復(fù)技術(shù)迫在眉睫。

4.結(jié)論

先進復(fù)合材料具有比強度高、比剛度高、可設(shè)計性強、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定性好以及便于大面積整體成形等獨特優(yōu)點，采用特殊的增強體和基體還具有特殊的電磁性能和吸波隱身作用。雖然我們面臨材料、設(shè)計、工藝、試驗、檢測等各個方面都存在困難和挑戰(zhàn)，但國內(nèi)大中型飛機結(jié)構(gòu)對復(fù)材的需求和國外飛機結(jié)構(gòu)復(fù)材的快速發(fā)展已不允許我們再拖延，必須拋棄以往在復(fù)材技術(shù)研究方面的一些不良做法，吸取國內(nèi)復(fù)材所取得的成果和工程應(yīng)用經(jīng)驗，總結(jié)、提煉和共享，采取靈活多變的合作方式，把運8系列飛機結(jié)構(gòu)復(fù)材的應(yīng)用推向新的臺階。