復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)在飛行器中的應(yīng)用

摘 要 隨著航空航天技術(shù)的不斷進(jìn)步，復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能和輕質(zhì)特性逐漸成為飛行器設(shè)計(jì)中的重要材料。復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)通過將復(fù)合材料與網(wǎng)格狀的加筋設(shè)計(jì)相結(jié)合，有效提升了結(jié)構(gòu)的承載能力和抗變形能力，滿足了飛行器在極端環(huán)境下的性能需求。本文探討了網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的基本概念、優(yōu)勢及其在飛行器中的應(yīng)用。此外，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造變得更加靈活和高效，推動(dòng)了其在無人機(jī)及運(yùn)載火箭等飛行器中的廣泛應(yīng)用。最后，本文展望了復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展方向，旨在為未來飛行器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供新的思路和參考。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；網(wǎng)格加筋；飛行器；制造工藝

Application of Composite Grid Stiffened Structure in Aircraft

WANG Lichao， QU Guangyan，ZHOU Xiuyan，SONG Lianglai，JING Jiaqi

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT With the continuous progress of aerospace technology， composite materials have gradually become important materials in aircraft design because of their excellent mechanical properties and light weight characteristics. In particular， the composite grid stiffened structure， by combining composite materials with grid reinforced design， effectively improves the bearing capacity and deformation resistance of the structure， and meets the performance requirements of aircraft in extreme environments. This paper discusses the basic concept， advantages and application of grid stiffened structure in aircraft. In addition， with the progress of manufacturing technology， the design and manufacture of grid stiffened structures have become more flexible and efficient， which has promoted their wide application in aircraft such as drones and launch vehicles. Finally， this paper looks forward to the future development direction of composite grid stiffened structure， aiming at providing new ideas and references for the design and application of future aircraft.

KEYWORDS composite material; grid stiffened; aircraft; manufacturing process

1 引言

隨著飛行技術(shù)的不斷進(jìn)步，航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊笕找嫣岣?。傳統(tǒng)的金屬材料雖然在強(qiáng)度和韌性方面表現(xiàn)出色，但其存在自重較大、抗腐蝕性和疲勞性能相對(duì)較差的問題，限制了飛行器的整體性能和效率。因此，復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能、輕質(zhì)特性以及良好的耐腐蝕性，逐漸成為航天領(lǐng)域的重要研究方向。特別是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，復(fù)合材料的應(yīng)用為飛行器的輕量化和高性能需求提供了新的解決方案[1-5]。其中，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)近年來憑借其優(yōu)異的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，正逐步受到工程師的青睞。

復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)通過將復(fù)合材料與網(wǎng)格狀的加筋設(shè)計(jì)相結(jié)合，能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抗變形能力。這種結(jié)構(gòu)不僅能夠在減輕自重的同時(shí)，保持良好的剛度和強(qiáng)度，還能在極端環(huán)境下，如高溫、低溫和輻射等條件下，展現(xiàn)出優(yōu)越的性能。此外，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)靈活性使得其可以根據(jù)不同的航天任務(wù)需求進(jìn)行優(yōu)化，適應(yīng)多樣化的應(yīng)用場景。近年來，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和有限元分析（FEA）等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析變得更加精確和高效，使得其在飛行器的機(jī)身、翼面及其他關(guān)鍵部件中的應(yīng)用成為可能。本文將探討復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)在飛行器領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，旨在為未來飛行器的輕量化和高性能設(shè)計(jì)提供新的思路和參考。

2 網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的概念及優(yōu)勢

2.1 網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的概念

網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)是一種由多個(gè)交錯(cuò)的桿件或梁件組成的空間結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特的幾何形狀和力學(xué)特性。其設(shè)計(jì)理念基于通過網(wǎng)格形式的加筋設(shè)計(jì)來提高結(jié)構(gòu)的抗彎、抗扭和抗壓能力。這種結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)在于其能夠有效地分散施加在其上的載荷，確保結(jié)構(gòu)在不同條件下的穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，顯著降低自重，使其在航空航天、建筑、交通等領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛。圖1是一種常見網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)。

在飛行器的設(shè)計(jì)中，重量是一個(gè)至關(guān)重要的因素。每一克的減重都可能帶來飛行成本的顯著降低，因此，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的輕量化特性使其成為理想的選擇。此外，現(xiàn)代制造工藝的不斷進(jìn)步，尤其是復(fù)合材料的應(yīng)用，進(jìn)一步提升了網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的性能，使得其設(shè)計(jì)和制備變得更加可行。通過合理的設(shè)計(jì)，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)不僅能夠滿足飛行器高強(qiáng)度、高剛度的要求，還能在極端環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。

2.2 網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

2.2.1 輕量化

網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念旨在通過合理的幾何形狀和材料分布來降低自重。與傳統(tǒng)的實(shí)體結(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能夠在保持承載能力的同時(shí)，顯著減少材料的使用量。這種輕量化特性對(duì)于航空航天等對(duì)重量極為敏感的領(lǐng)域尤為重要，因?yàn)榘l(fā)射成本與重量成正比。通過采用輕質(zhì)復(fù)合材料，如碳纖維和玻璃纖維，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的自重得以進(jìn)一步降低。這不僅提高了飛行器的運(yùn)輸效率，還能夠增加有效載荷，使得航天任務(wù)的實(shí)施更加經(jīng)濟(jì)高效。

2.2.2 高強(qiáng)度和剛度

網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使其在承受外部載荷時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和剛度。通過合理的桿件布局和材料選擇，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能夠有效地分散施加在其上的力，避免局部應(yīng)力集中，從而減少材料的疲勞和損壞。復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)一步增強(qiáng)了網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的承載能力，使其能夠在飛行器飛行過程中抵抗各種外部力的影響，如氣動(dòng)載荷、重力和振動(dòng)等。這種高強(qiáng)度和高剛度的特性，使得網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)在極端條件下仍能保持良好的性能，確保飛行器的安全和穩(wěn)定。

2.2.3 優(yōu)良的抗沖擊性能

飛行器的發(fā)射和飛行過程中可能會(huì)遭遇高能量的沖擊，這時(shí)的網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的分布式特性顯得尤為重要。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)通過合理設(shè)計(jì)能夠有效吸收和分散沖擊能量，保護(hù)內(nèi)部設(shè)備不受損害。與傳統(tǒng)的實(shí)心結(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的韌性更強(qiáng)，能夠在沖擊發(fā)生時(shí)保持形狀穩(wěn)定性，避免因局部損壞導(dǎo)致的整體失效。這種優(yōu)良的抗沖擊性能不僅提高了飛行器的可靠性，也為復(fù)雜環(huán)境下的安全運(yùn)行提供了保障。

2.2.4 制造靈活性

目前，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)主要成型方法包括纖維纏繞成型、模壓成型、嵌鎖成型工藝。隨著增材制造技術(shù)等新興成型方法的不斷發(fā)展，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)變得更加靈活和高效。增材制造技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)，還能減少材料浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率。這種靈活性使得在不同任務(wù)需求下的快速響應(yīng)成為可能。例如，在飛行器的設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)不同的任務(wù)要求，快速調(diào)整網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，以適應(yīng)特定的環(huán)境條件和載荷需求。此外，增材制造技術(shù)的應(yīng)用還使得定制化生產(chǎn)成為可能，能夠根據(jù)不同客戶的需求，生產(chǎn)出多種形式的網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)。

2.2.5 熱管理能力

網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的多孔性設(shè)計(jì)有助于熱量的分散和管理，確保飛行器在極端溫度條件下的正常運(yùn)行。飛行器在進(jìn)入大氣層或在太空中飛行時(shí)，會(huì)經(jīng)歷劇烈的溫度變化，良好的熱管理能力對(duì)于保護(hù)內(nèi)部設(shè)備至關(guān)重要。網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠有效地促進(jìn)空氣流動(dòng)，增強(qiáng)熱交換效率，從而保持結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性。此外，復(fù)合材料在高溫和低溫環(huán)境中的優(yōu)異性能，使得網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)能夠在極端溫度條件下保持良好的機(jī)械性能，防止因溫度波動(dòng)導(dǎo)致的性能下降。

3 復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)成型方法及應(yīng)用

3.1 網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)成型方法

3.1.1 纖維纏繞成型

纖維纏繞成型是網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)成型中比較常用的工藝，在該方法中，纖維材料按照預(yù)定的路徑纏繞在模具上，形成所需的網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)。通過控制纏繞的角度和層數(shù)，可以精確調(diào)節(jié)復(fù)合材料的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)形狀。纖維纏繞技術(shù)適用于復(fù)雜形狀的構(gòu)件，并且能夠有效提高材料的強(qiáng)度和剛性。

3.1.2 模壓成型

模壓成型利用加熱模具對(duì)預(yù)先鋪設(shè)的纖維增強(qiáng)材料施加高溫高壓，從而使材料在模具中固化成型。模壓成型能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高重復(fù)性，適合大規(guī)模生產(chǎn)。通過調(diào)整模具的溫度和壓力，可以優(yōu)化材料的流動(dòng)性和成型效果，確保最終產(chǎn)品的表觀質(zhì)量和力學(xué)性能。

3.1.3 嵌鎖成型工藝

嵌鎖成型工藝采用特定的模具設(shè)計(jì)，使不同部件在成型過程中能夠相互嵌鎖，從而形成穩(wěn)定的網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)。嵌鎖成型可有效減少結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中，提高整體承載能力和穩(wěn)定性。

3.2 網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)在飛行器中的應(yīng)用

網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)異的高比強(qiáng)度和輕質(zhì)特性，不僅能夠有效減輕飛行器的整體重量，還能在承受高載荷和極端環(huán)境條件下保持良好的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。俄羅斯在網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)方面的研究較早，并將相關(guān)研究應(yīng)用與飛行器，實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。俄羅斯在質(zhì)子-M商用飛行器發(fā)射裝置上應(yīng)用的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)直徑超過4 m。隨著復(fù)合材料技術(shù)的成熟，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)在運(yùn)載火箭的燃料貯箱、級(jí)間段、整流罩以及飛機(jī)天線罩等結(jié)構(gòu)中得到了越來越多的應(yīng)用[6-8]。

在無人機(jī)領(lǐng)域，以X-45A、RQ-4等型號(hào)無人機(jī)為例，復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)同樣具有較多的應(yīng)用[9]，相關(guān)的應(yīng)用案例如表1所示[10]。

哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司是我國最早開展復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)研究的單位之一，獨(dú)創(chuàng)了正置正交網(wǎng)格筋、矩形網(wǎng)格筋、六邊形網(wǎng)格筋以及高加強(qiáng)網(wǎng)格筋和密加強(qiáng)筋等。采用加強(qiáng)/蒙皮一次共固化成型，實(shí)現(xiàn)了高結(jié)構(gòu)效率，與鋁合金相比減重達(dá)30%以上，哈玻院生產(chǎn)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)產(chǎn)品如圖2所示。

4 網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)技術(shù)未來發(fā)展方向

（1）輕量化設(shè)計(jì)

輕量化設(shè)計(jì)是飛行器工程中最為核心的目標(biāo)之一，直接影響到飛行器的燃油效率、載荷能力和飛行性能。網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)在飛行器中應(yīng)用的初衷是減重的同時(shí)，滿足其他方面性能要求。因此未來輕量化仍是復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。未來，隨著碳納米管、石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料等新型復(fù)合材料的不斷研發(fā)，將進(jìn)一步推動(dòng)輕量化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。此外，利用拓?fù)鋬?yōu)化和參數(shù)化設(shè)計(jì)等先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，可以在設(shè)計(jì)階段通過計(jì)算機(jī)模擬找到最優(yōu)的材料分布和結(jié)構(gòu)形式，以達(dá)到最佳的輕量化效果。

（2）多功能集成

未來的飛行器需要具備多種功能，如監(jiān)測、通信、能量收集等。復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)可以通過嵌入傳感器、光伏電池、加熱元件等實(shí)現(xiàn)多功能集成。例如，結(jié)構(gòu)內(nèi)部可以集成健康監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測材料的應(yīng)力、溫度和濕度等狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障。此外，利用智能材料（如形狀記憶合金）和自愈合材料的結(jié)合，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不僅可以承載負(fù)載，還可以在受到損傷時(shí)自動(dòng)修復(fù)，提升結(jié)構(gòu)的整體可靠性和使用壽命。

（3）先進(jìn)制造技術(shù)

目前復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)主要成型方法包括纖維纏繞成型、模壓成型盒嵌鎖成型等。隨著3D打印、自動(dòng)化鋪層和機(jī)器人制造等技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的制造過程將變得更加高效和精確。3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀的快速制造，減少材料浪費(fèi)，并能在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行靈活調(diào)整。自動(dòng)化鋪層技術(shù)則可以提高復(fù)合材料的鋪設(shè)精度，確保材料性能的一致性。此外，數(shù)字化制造和智能化生產(chǎn)線的引入，將使得整個(gè)制造過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)反饋，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）耐久性與可靠性提升

復(fù)合材料的耐久性和可靠性是飛行器設(shè)計(jì)中的重要考量。未來的研究將集中在提高復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的耐久性上，包括耐疲勞、耐腐蝕和耐高溫等性能的提升。通過改進(jìn)材料配方，例如添加抗氧化劑和抗紫外線劑，可以增強(qiáng)復(fù)合材料在惡劣環(huán)境下的性能。此外，利用先進(jìn)的無損檢測技術(shù)（如超聲波檢測、紅外熱成像等），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷和損傷，確保飛行器的安全性和可靠性。

（5）環(huán)境友好型材料的應(yīng)用

隨著全球?qū)Νh(huán)保的重視，未來的復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)將更加注重使用環(huán)境友好型材料。生物基復(fù)合材料和可回收材料的應(yīng)用，將使得飛行器的制造和使用更加可持續(xù)。例如，利用植物纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，不僅能夠降低碳足跡，還能在性能上滿足飛行器的要求。此外，研發(fā)新型的可回收復(fù)合材料可以在飛行器退役后進(jìn)行有效的回收和再利用，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

（6）復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用。通過先進(jìn)的有限元分析和多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以在設(shè)計(jì)初期就對(duì)復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的性能評(píng)估和優(yōu)化。這種方法不僅提高了設(shè)計(jì)的效率，還能夠在設(shè)計(jì)階段預(yù)測和規(guī)避潛在的問題，降低后期的修改成本。此外，基于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的優(yōu)化算法，將使得設(shè)計(jì)過程更加智能化、自適應(yīng)，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，提升設(shè)計(jì)的靈活性和適應(yīng)性。

（7）應(yīng)用領(lǐng)域的拓展

復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅限于傳統(tǒng)的民用和軍用飛行器，未來還將拓展到太空飛行器、垂直起降飛行器等眾多新興領(lǐng)域，未來將面向更多應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)化。隨著材料科學(xué)和工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，復(fù)合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，成為未來飛行器設(shè)計(jì)的重要組成部分。

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