大飛機複合材料機翼研製技術現狀

發布時間：2012-10-18 11:08:16複合材料因其優越的可設計性、抗疲勞、抗腐蝕以及較高的減重效率，已經成為目前各種先進飛機結構的必選材料。複合材料在國外先進飛機上的應用比例逐年提高，波音787飛機複合材料應用比例已經超過50%，空客從A310的5% 複合材料到A380的25%，最新研製的A350XWB已經超越波音787的複合材料用量，達到53%。複合材料在飛機上的應用遵循由小到大、由簡到繁、從次承力結構到主承力結構的規律，機翼作為飛機主承力構件，由於其結構尺寸大、受力複雜等原因，也是先在小型飛機和軍用飛機上進行設計應用，在長期使用過程中積累了大量的設計、成型、使用和維護等工程經驗後，才逐步在大飛機上展開應用。本文結合目前國內外大飛機複合材料機翼的研製現狀，主要對大飛機複合材料機翼的結構形式、選材、成型工藝以及先進的成型技術進行分析匯總，以期為國內大飛機的研製提供借鑒意義。複合材料機翼設計及結構形式設計是複合材料的基礎，先進的設計理念和思路對後續的複合材料研製至關重要，通過優化設計，可以更好地發揮複合材料的優勢，發揮更好的結構效益和經濟效益。目前，國外大飛機機翼多採用全複合材料整體壁板，翼盒結構布局為雙梁多肋結構型式，機翼壁板採用複合材料蒙皮加筋結構形式， 筋條採用「T」形和「工」字型等形式。空客A350XWB機翼長約35m，壁板採用是「T」形加筋形式（見圖1），波音787機翼壁板採用「工」字型加筋形式。空客和波音在機翼壁板口框的設計上稍有區別，空客採用的是單排連續排列形式，波音採用的是雙排分段連續排列形式。

機翼壁板選材複合材料材料體系的發展推動著複合材料在飛機主承力結構上的應用，同時先進的飛機設計理念及更高性能的結構要求又促進材料體系的發展改進。第1代複合材料呈現脆性材料性能特徵，層合板對橫向載荷（如衝擊載荷） 引起的沿厚度方向的損傷，特別是分層損傷敏感，並不適用機翼等主承力構件。為此, 波音開發了增韌環氧樹脂基體和改進結構損傷容限特性的結構設計方案，並提出採用衝擊後壓縮強度CAI作為複合材料結構應用性能的評價指標[1]。1982年波音公司提出了新的複合材料預浸料標準BMS82276，概述了主承力結構複合材料性能目標，根據新規範要求，波音公司提出改進碳纖維性能，要求碳纖維拉伸彈性模量提高30%、拉伸強度提高50%, 同時，開發高抗分層能力的韌性樹脂基體，欲將複合材料結構設計許用應變由第1代複合材料的0.3%~0.4% 提高到0.6%~0.8%，以使新一代複合材料適合民機主承力結構應用。1989 年中模量、高強度型碳纖維T800 達到波音公司碳纖維材料標準BMS9217要求，並與同期研發的180℃固化（使用溫度80~100℃） 韌性環氧樹脂構成的複合材料（如T800H/ 3900-2）達到波音公司材料標準BMS82276要求。並在波音777尾翼蒙皮、桁條、翼梁和地板樑上得到了應用驗證。從標準模量碳纖維（T300 級）到現在的高強中模（T800 級），以及與之相匹配的改性高韌性環氧樹脂，材料的發展極大地促進了複合材料在飛機各種結構上的廣泛應用。複合材料機翼的成型複合材料設計是基礎，成型是關鍵。成型技術和設備是成型複合材料的重點，隨著複合材料在飛機上的廣泛使用，各種相對應的先進成型技術也迅速發展，先進的預浸料製備技術、自動鋪帶（絲）技術及設備、激光投影、激光跟蹤儀以及工裝設計和加工等都為複合材料的成型提供了堅實的基礎。1　機翼壁板成型工藝目前，大尺寸加筋壁板成型工藝常見有以下4 種：（1）二次膠接（長桁和蒙皮分別固化，然後組裝二次膠接）；（2）共固化（蒙皮與長桁分別鋪疊預成型，再組裝膠接共固化）；（3）膠接共固化（長桁先固化，再與預成型蒙皮膠接共固化）；（4）膠接共固化（蒙皮先固化，再與預成型長桁膠接共固化）。3種成型工藝各有優缺點，在選擇成型方式時必須結合產品的結構形式、外形尺寸和設計使用要求等確定適合的成型方式。大尺寸機翼複合材料壁板結構的成型目前普遍選擇膠接共固化工藝，相對於二次膠接，膠接共固化有較好的膠接質量，節省了一次熱壓罐的使用，成型效率較高。相對於共固化，膠接共固化模具結構相對簡單，工裝設計加工成本低。波音787複合材料機翼長30m,其複合材料機翼壁板成型選用膠接共固化成型方式，筋條先固化，再和蒙皮定位組裝後進行膠接固化。空客在機翼壁板結構上同樣採用膠接共固化成型方式，A400M（見圖2）和A350XWB（見圖3）複合材料機翼採用長桁先固化，再和蒙皮膠接共固化的成型方式。採用膠接共固化成型方式，可以保證長桁的成型質量和加工精度，長桁在和預成型蒙皮膠接共固化時膠接質量較易保證，長桁定位方便，工裝成本低。

2 機翼自動鋪帶成型技術

隨著複合材料在飛機上應用比例的逐步增大，複合材料構件的尺寸也隨著增加，傳統的手工鋪疊等方法已經遠遠不能滿足大尺寸結構件研製生產的需要。當複合材料零件的尺寸較大時，人工鋪疊難度相應增大、成型效率低、產品質量也難以保證，因此，相應的自動鋪帶技術（Automated Tape Laying，ATL）和纖維自動鋪放技術（Automated Fiber Placement，AFP）等自動化製造技術應運而生。自動鋪帶效率可達20kg/h，而傳統手工鋪疊，即使是熟練操作工鋪疊效率一般也只有1.5kg/h[2]，因此自動鋪帶技術從誕生後就飛速發展，目前在美國和歐洲已經非常成熟，並大規模應用於航空複合材料結構件的製造。從20 世紀80 年代至今，美國採用自動鋪帶技術生產B1、B2 轟炸機的機翼蒙皮，F-22 戰鬥機機翼蒙皮，波音777 飛機機翼、水平和垂直安定面蒙皮，C-17 運輸機的水平安定面蒙皮，波音787 機翼蒙皮等。歐洲採用自動鋪帶技術生產A330 和A340 水平安定面蒙皮，A340 尾翼蒙皮，A380 的機翼蒙皮和安定面蒙皮，A350 機翼蒙皮（見圖4）和中央翼盒，A400M 機翼蒙皮和機翼大梁等。

目前較為先進的鋪帶機是法國Forest-Line 公司的「大力神」雙頭自動鋪帶機。該機的特點是有兩個機頭進行鋪帶, 一個用繞在線軸上的無緯帶鋪帶, 另一個用預先切割的材料, 可快速進行複雜形狀的鋪疊。3　翼梁成型翼梁由於結構尺寸大、變截面多和鋪層複雜，採用傳統手工鋪疊成型效率低下。鑒於此，國外開發出了成型效率較高的熱隔膜成型技術（Hot Drape Forming ，HDF）。A400M 前後梁均長19m，其中前梁由分別長7m 和12m 的內外段前梁連接而成，後梁由分別長14m和5m 的內外段後梁連接而成。用自動鋪疊設備將翼梁鋪成平板，大在地提高了鋪疊效率，用熱隔膜成型設備預成型出」C」梁，再將其放置在殷瓦鋼模具中固化。材料選用Cytec公司較為適合熱隔膜成型技術[2] 的977-2 環氧樹脂（二代改性環氧樹脂，IM7/977-2 的CAI 值260~298MPa）。由於熱隔膜成型技術對材料體系有特殊的要求，進而限制了新型材料體系在翼梁結構上的應用，因此A350 翼梁捨棄熱隔膜成型技術，而採用自動鋪絲技術。A350 複合材料翼梁在筒形工裝上用自動鋪絲機進行鋪疊，固化後切為兩件C 形梁，提高了鋪疊效率和精度，相對於熱隔膜成型降低了翼梁R角區的缺陷率。材料選用三代增韌的M21E/IMA 預浸料，M21E/IMA 是T800/M21 的改型，CAI 值接近T800S/3900-2（T800S /3900-2 的衝擊後壓縮強度CAI 達到315~345MPa）。4　熱壓罐智能控制技術熱壓罐成型是目前大型複合材料構件主要成型手段，針對大尺寸構件固化過程中溫度場不均勻、溫差大等現象，國外開發出超大尺寸的熱壓罐系統和先進的熱壓罐空氣循環系統，圖5所示為三菱重工新型熱壓罐。

該系統將熱壓罐分為3個區，每個區有3個獨立運行的氣流控制單元，所有氣流控制單元由計算機系統進行控制，可根據不同區域的溫度進行獨立調整，能有效降低大尺寸複合材料構件成型過程中的溫差，降低單位重量複合材料構件的能耗，且有利於保證複合材料構件的成型質量。Ashida Mfg. Co. Ltd 和Hiroshima Ryoju Engineering Co. Ltd 設計研發出全球最大的先進空氣循環系統熱壓罐，該熱壓罐有效內徑8m，長40m，重700t，可滿足30m 長複合材料機翼的成型。三菱重工用這套熱壓罐系統為波音787 生產複合材料機翼。5　新型雷擊防護技術複合材料正逐漸取代鋁合金成為飛機的主要結構，但它的導電性很差，因此不進行保護的話，在雷擊時比一般金屬結構損傷要嚴重得多。此外，複合材料導致大量的電流進入機載系統，不能為機內電氣系統提供足夠的雷電防護。目前使用較為普遍的是表面火焰噴塗鋁和複合材料固化時表面覆蓋銅網或者鋁網。典型的即為波音787，它機翼表面主要採用「全屏蔽」方案，即在複合材料機翼表面鋪放銅網，但又使得使飛機增重，僅電防護裝置就增重達1t。鑒於此，空客A350XWB 採用多功能電網路結構，拋棄了傳統的銅網屏蔽方案而代之以銅帶方案，用金屬條帶代替一般迴流用的電纜，另外在靠近機載設備、座椅滑軌、複合材料框架等處安裝金屬型材及條帶，這樣做的效果是減輕屏蔽裝置的重量，提高效率。空客公司已用6063 鋁合金條帶做了模擬試驗，取得良好效果，可保證設備電流的迴流、導體的所有部位處於同一電位、雷擊感生電流的引出等，保持電的連續性，實現與金屬機身等同的電網路。複合材料機翼加工、無損檢測1　複合材料高壓水切削複合材料製件成型後，需進行機械加工，複合材料屬脆性各向異性材料，常規加工方法不能滿足大型複雜結構複合材料加工質量要求。傳統切割方式在加工纖維材料時具有切割速度慢、效率低、切割精度難以保證、易發生分層破壞等缺點；在切割高韌性材料時，刀具和鑽頭等磨損快、損耗大。因此要求複合材料生產需配備大型自動化高壓水切割機、超聲切割設備和數控自動化鑽孔系統等專用設備，以滿足複合材料製件經加工後無分層磨損且符合裝配尺寸精度的要求。機翼蒙皮一般採用大型高壓水切割機進行切割，目前世界上最大切割機的床身為36m×6.5m，由Flow International 公司製造。這種磨粒噴水切割機可以快速切割厚的層合板而不致產生層合板過熱，25mm 厚的層合板可以0.67m/min 速度切割，對6mm 薄的層合板，切割速度可以高達3m/min，厚的蒙皮可以0.39m/min速度切割[3]。2 大尺寸複合材料構件精確加工大尺寸複合材料構件的精確加工也是複合材料加工的難點，因為工件和機床床身之間的熱膨脹係數不同，機床床身是鋼製的，熱膨脹係數高（12×10-6/℃），而碳纖維複合材料的熱膨脹係數接近於0。保證梁的長度不變的傳統方法是將機床放在空調室內運轉。但其設備投資大、效率低，對此GKN 與某大學合作開發了一個軟體，該軟體可對機床床身溫度、工件的環境進行感測，然後對軟體發給切削頭的指令進行修正，這樣可以消除兩者的溫差帶來的影響，使機床實現工件所需的精度。由於這種方案可使切削加工不必在專門的空調環境中進行，不僅減少了部分固定資產的投資，也降低了能耗，該技術在A400M 翼梁的加工上成功應用。3　複合材料無損檢測（NDT）由於複合材料機翼構件尺寸大，結構外形複雜，採用普通超聲掃描設備很難滿足其無損檢測需要，因此需要配置大型超聲C 掃描設備，從而提高檢測效率和檢測精度。英國超聲波科學有限公司（USL）為英國宇航系統公司提供的17軸全自動超聲C 掃描檢測系統能夠在0.5m/s 的掃描速度下，檢測出複合材料約4mm×4mm 的製造缺陷，並且擁有最高可達2μm 的解析度，最高可重複性亦可達5μm，能夠準確標註缺陷位置，提高了定量檢測缺陷的能力以及定量分析的精度。結束語國外通過幾十年複合材料的研製應用，複合材料在各種機型上的應用比例逐步提高，形成了相對成熟的設計理念和方法，相應地開發出各種先進的成型工藝、設備、檢測方法和高效的裝配工藝等，這都為國內研發複合材料機翼提供了大量可借鑒的經驗。一流的企業做標準，二流的企業做品牌，三流的企業做技術，四流的企業做產品。在注重複合材料設計、成型和設備等開發的同時，積極制定民機複合材料研製的相關標準和規範更是重中之重，只有有組織地統一制訂標準和規範，才能將複合材料的設計和成型文件化、規範化，形成統一的指南，為國內複合材料研製奠定堅實的基礎。（責編　小城）
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