大型飛機復合材料主結構的設計與發展(二)
(3)表明材料性能的提高和規范的完善。
一代材料支持一代飛機的理念,在近代飛機結構中得到再次驗證。沒有T800S/2900-2,沒有IM6系列材料,就沒有高效率的復合材料結構。也正是有了BMS 8-276諸如此類的企業材料選用規范,才有了波音787大量使用復材結構之結果。其中成系列地詳盡規范了材料的規格與性能要求,涵蓋了熱塑性復材和熱固性復合材料(包括各種纖維、樹脂、預浸織物、膠膜、加速劑、脫模劑及其輔助材料等)。有了規格齊全的材料及其配套性能參數資源,產品設計才能多樣化,按功能設計做到物盡其用。Toray(東麗)、Toho( 東邦) 等公司高品質碳纖維(第三代纖維)及其與之配套的新型樹脂體系是其延綿不斷發展進步動力之源。
國內材料體系單一,規范不全,材料數據覆蓋面窄,與國外材料代溝加大的趨勢不容小覷。即便是針對復合材料結構的連接件,國內目前都基本是全部選用有限的進口品種。
(4)表明大型整體結構制造成本的降低及其質量的穩定。
低成本材料和制造工藝的使用,特別是自動鋪帶技術、非熱壓罐成型技術的應用等提高了制造效率,降低了生產成本,穩定了產品質量。
對大型壁板類構件,選用模塊格柵成型方法是穩定批量質量的有效方法之一,但這里涉及到復雜模塊設計制造技術,還有低膨脹模塊材質的選用,其核心是用分配的模具膨脹量及其重量對周邊結構施加壓力,從而達到穩定固化過程溫度梯度對構件的影響(該方法在空客德國復合材料制造廠Stade大量使用,包括A400m機翼壁板之制造),達到緩解大尺寸結構次生應力,穩定產品質量的效果。
結束語
復合材料本身就是在與高性能輕質鋁合金的競爭中前進的,經常是此消彼長,難分伯仲,特別是7000系列高純度鋁合金,對其競爭之勢不可小視,如7150高強鋁合金拉伸強度達到560MPa以上,常規性能比目前采用的高強鋁合金高10%以上,而且具有優良的綜合使用性能,在飛機上使用可帶來明顯的結構效益。多家研究表明,7075鋁合金用于制造機翼上壁板的優勢,是當下高性能復合材料不能取代的,這就是說,單單對于機翼上壁板,再好的設計師,以目前的復材體系是不能夠設計出在重量上低于7000系列鋁合金材料的機翼上壁板。
縱觀波音與空客復材飛機結構,相比之下,A380使用復材結構更為慎重,以繼承發展為主,將全復材翼盒用在了高濕區與避免沖擊的飛機部位(上有機身包圍,下有機身整流罩保護);而波音787使用復材結構則是以全面創新性為主,其核心是基于高強度、中模量碳纖維與高韌性樹脂材料的結構。設計理念較為大膽前瞻,但近代飛機發展研究的型號很多,后經過用戶的使用篩選留下來,形成大批量機隊的才是成功的機型。
目前,飛機主結構使用復材結構的問題主要表現在以下方面。
(1)復材主結構設計、分析、驗證還需要實踐,其基本參照目標判據是比傳統結構節省重量20%左右,全壽命使用成本相當。而歐洲現在正在執行的面對民用飛機的SWK研究計劃的目標是;減重30%,降低成本40%,由此也可窺見復材結構發展端倪。
(2)材料性能有待提高,材料品種需要擴大, 特別是T800級別的纖維和增韌樹脂。
(3)制造質量需要穩定,研究機構的試制質量不等于企業化產品質量。
(4)使用維護要簡單可行。
(5)民機與軍機結構的差異(設計規范、使用環境)。細節設計、連接設計、功能設計(氣密、油密、導電、隔噪等)、蜂窩夾心結構剛度等代、損傷裂紋抑制設計等都是結構設計者需要不斷進修實踐的。
可以預見,這些問題不得到根本性解決,市場化應用復合材料主結構的實踐就走不出試制的襁褓。探索的道路還很長,還要做面向工程使用的研究與驗證,在工程發展的起始階段,為權衡結構的先進性與安全性和經濟性,將重點放在傳統結構上也不失為一種戰略選擇。

























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