大型飛機(jī)復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與發(fā)展

近幾年，國外對(duì)低成本、高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在大型飛機(jī)上的工程應(yīng)用進(jìn)行了廣泛深入研究，取得了大量有工程應(yīng)用價(jià)值的研究成果，具體體現(xiàn)在新設(shè)計(jì)飛機(jī)主要承力部件大量應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如A380復(fù)合材料中央機(jī)翼、A400M復(fù)材翼面與機(jī)身、波音787復(fù)合材料機(jī)翼等。

復(fù)材結(jié)構(gòu)在A380上的應(yīng)用


A400M的復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)

A380飛機(jī)已經(jīng)交付數(shù)家用戶，其優(yōu)良性能和舒適性被廣為稱道。復(fù)材用于該機(jī)的部件有中央翼盒結(jié)構(gòu)，尾翼結(jié)構(gòu)，襟翼、副翼結(jié)構(gòu)，擾流板結(jié)構(gòu)，機(jī)身上壁板、機(jī)身地板梁（跨度6m）、機(jī)身后體球框（6.2m×5.5m，樹脂膜溶塑成型工藝RFI）、整流罩結(jié)構(gòu)等。
A380的復(fù)材用量約占結(jié)構(gòu)重量25%，其最大設(shè)計(jì)特點(diǎn)就是首次將復(fù)材用于中央翼盒，并達(dá)到減重1.5t的效果。另外它的碳纖維復(fù)材水平尾翼整體油箱的結(jié)構(gòu)半展長達(dá)到19m，超過了A320 的機(jī)翼半展長，號(hào)稱是世界上正在飛行的最大復(fù)材整體油箱。機(jī)身上使用的Glare層板達(dá)到470m2，與傳統(tǒng)鋁合金相比，減重25%以上，疲勞壽命提高10~15倍。垂尾前緣更是使用長達(dá)14m的Glare層板結(jié)構(gòu)，大型整體結(jié)構(gòu)的使用可見一斑。 copyright 123456

復(fù)材結(jié)構(gòu)在波音787上的應(yīng)用波音787飛機(jī)已經(jīng)首飛成功，正在鑒定試飛中，交付用戶指日可待。該機(jī)的主要結(jié)構(gòu)均為復(fù)材結(jié)構(gòu)，其復(fù)材用量占全機(jī)重量50%，最有里程牌意義的是使用了復(fù)材機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)，并在結(jié)構(gòu)維護(hù)上做出了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，其目標(biāo)是做到比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的波音767降低使用維護(hù)成本30%。同時(shí)，TiGr層板（碳纖維增強(qiáng)的鈦板）、耐高溫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)也在機(jī)翼前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙上獲得應(yīng)用。

復(fù)材結(jié)構(gòu)在大型飛機(jī)上用量迅速上升分析

（1）表明復(fù)材的基礎(chǔ)研究取得了實(shí)質(zhì)進(jìn)展，安全性已經(jīng)不再阻礙其擴(kuò)大應(yīng)用

AC20-107A、B(FAA 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性要求) 要求的內(nèi)容都得到了貫徹與驗(yàn)證，包括積木式試驗(yàn)驗(yàn)證，尤其是在結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)技術(shù)研究，材料應(yīng)用規(guī)范（如波音BMS 8-276）、制造工藝、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面（如美國的ACT計(jì)劃和歐洲的TANGO計(jì)劃）。正是從這些預(yù)研中探索并實(shí)踐了設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)驗(yàn)證流程，汲取了經(jīng)驗(yàn)，才有了在飛機(jī)上工程化應(yīng)用的底氣。其主線是大型整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，將結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和損傷容限結(jié)合在一起通盤考慮。這樣設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，減少了結(jié)構(gòu)連接，提高了使用壽命，也便于成型裝配，更易于保養(yǎng)維護(hù)。 123456


A350的復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮

（2）表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段與驗(yàn)證技術(shù)的進(jìn)步

如A380中央翼盒結(jié)構(gòu)層板厚度達(dá)到50mm 以上，對(duì)接區(qū)更是有100mm以上的整體結(jié)構(gòu)，這都是一般分析方法和制造工藝難以企及和驗(yàn)證的。未經(jīng)詳細(xì)分析試驗(yàn)比對(duì)，是不可能應(yīng)用的。還有比如A380的平尾整體復(fù)合材料油箱，也是需要大量試驗(yàn)驗(yàn)證其密封和防雷擊設(shè)計(jì)。波音787的發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙結(jié)構(gòu)長期工作在高溫、高噪音的振動(dòng)環(huán)境，細(xì)節(jié)分析與驗(yàn)證也必不可少，尤其是要弄清楚材料的設(shè)計(jì)許用值與構(gòu)件設(shè)計(jì)許用值、連接區(qū)損傷與應(yīng)變控制關(guān)系等。

作為新設(shè)計(jì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)，在權(quán)衡結(jié)構(gòu)整體性能并關(guān)注局部和細(xì)節(jié)，按部件受力形式選擇材料和成型方式，關(guān)注制造、使用維護(hù)乃至全壽命成本始終是設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)。例如將結(jié)構(gòu)分為按強(qiáng)度設(shè)計(jì)的部件、按剛度設(shè)計(jì)的部件和按功能設(shè)計(jì)三大類型，其關(guān)注核心依然是強(qiáng)度設(shè)計(jì)件。所有的結(jié)構(gòu)問題大都出于細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，因而對(duì)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的方法與驗(yàn)證更是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)，如長桁末端、開口周邊、對(duì)接搭接區(qū)、集中載荷傳遞區(qū)等。 123,123

如果還走不出大量使用±45°鋪層、在薄壁構(gòu)件上強(qiáng)調(diào)均衡對(duì)稱、不差別使用部件設(shè)計(jì)控制應(yīng)變的思路，也就是說設(shè)計(jì)部件的主次方向剛度差異不大，沒有凸顯復(fù)材構(gòu)件的基本特性，也就說明細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上還不能駕輕就熟。不大量使用自動(dòng)鋪帶（絲）設(shè)備、不在主要部件上使用液體成型工藝和非熱壓罐成型工藝，就不可能實(shí)現(xiàn)復(fù)材部件的低成本制造。
實(shí)際上，相對(duì)層板結(jié)構(gòu)而言，蜂窩結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性更大，發(fā)展?jié)摿σ哺?。尤其是?duì)涵蓋功能的結(jié)構(gòu)，如隱身、閃爍蒙皮、保形陣列天線、導(dǎo)電、隔音、降噪等，蜂窩結(jié)構(gòu)都顯示了獨(dú)特的特性，有廣闊發(fā)展前景。

最簡單的復(fù)材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的判據(jù)是，與同樣的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)減重20%以上相比，全壽命綜合使用（維護(hù)）成本相當(dāng)。之所以將減重指標(biāo)定在了20%以上，是考慮了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的制造生產(chǎn)過程，需要重新進(jìn)行設(shè)備、工裝投資，還有復(fù)材結(jié)構(gòu)的不可再生循環(huán)（熱塑性復(fù)合材料除外）、對(duì)環(huán)境的非友好等因素都是進(jìn)行遠(yuǎn)期收益作風(fēng)險(xiǎn)決策的主要參考因素。但復(fù)材結(jié)構(gòu)在抗疲勞、耐腐蝕、阻止裂紋擴(kuò)展、隔音降噪、吸波透波等方面的功能是不可替代的，未來發(fā)展趨勢(shì)是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與復(fù)材結(jié)合而成的混合結(jié)構(gòu)。 內(nèi)容來自123456

（3）表明材料性能的提高和規(guī)范的完善

一代材料支持一代飛機(jī)的理念，在近代飛機(jī)結(jié)構(gòu)中得到再次驗(yàn)證。沒有T800S/2900-2，沒有IM6系列材料，就沒有高效率的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。也正是有了BMS 8-276諸如此類的企業(yè)材料選用規(guī)范，才有了波音787大量使用復(fù)材結(jié)構(gòu)之結(jié)果。其中成系列地詳盡規(guī)范了材料的規(guī)格與性能要求，涵蓋了熱塑性復(fù)材和熱固性復(fù)合材料（包括各種纖維、樹脂、預(yù)浸織物、膠膜、加速劑、脫模劑及其輔助材料等）。有了規(guī)格齊全的材料及其配套性能參數(shù)資源，產(chǎn)品設(shè)計(jì)才能多樣化，按功能設(shè)計(jì)做到物盡其用。Toray（東麗）、Toho( 東邦) 等公司高品質(zhì)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(fā)展進(jìn)步動(dòng)力之源。

國內(nèi)材料體系單一，規(guī)范不全，材料數(shù)據(jù)覆蓋面窄，與國外材料代溝加大的趨勢(shì)不容小覷。即便是針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的連接件，國內(nèi)目前都基本是全部選用有限的進(jìn)口品種。 123456



波音787的翼復(fù)合結(jié)構(gòu)

（4）表明大型整體結(jié)構(gòu)制造成本的降低及其質(zhì)量的穩(wěn)定。

低成本材料和制造工藝的使用，特別是自動(dòng)鋪帶技術(shù)、非熱壓罐成型技術(shù)的應(yīng)用等提高了制造效率，降低了生產(chǎn)成本，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量。

對(duì)大型壁板類構(gòu)件，選用模塊格柵成型方法是穩(wěn)定批量質(zhì)量的有效方法之一，但這里涉及到復(fù)雜模塊設(shè)計(jì)制造技術(shù)，還有低膨脹模塊材質(zhì)的選用，其核心是用分配的模具膨脹量及其重量對(duì)周邊結(jié)構(gòu)施加壓力，從而達(dá)到穩(wěn)定固化過程溫度梯度對(duì)構(gòu)件的影響（該方法在空客德國復(fù)合材料制造廠Stade大量使用，包括A400m機(jī)翼壁板之制造），達(dá)到緩解大尺寸結(jié)構(gòu)次生應(yīng)力，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的效果。

結(jié)束語 內(nèi)容來自123456

復(fù)合材料本身就是在與高性能輕質(zhì)鋁合金的競爭中前進(jìn)的，經(jīng)常是此消彼長，難分伯仲，特別是7000系列高純度鋁合金，對(duì)其競爭之勢(shì)不可小視，如7150高強(qiáng)鋁合金拉伸強(qiáng)度達(dá)到560MPa以上，常規(guī)性能比目前采用的高強(qiáng)鋁合金高10％以上，而且具有優(yōu)良的綜合使用性能，在飛機(jī)上使用可帶來明顯的結(jié)構(gòu)效益。多家研究表明，7075鋁合金用于制造機(jī)翼上壁板的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)下高性能復(fù)合材料不能取代的，這就是說，單單對(duì)于機(jī)翼上壁板，再好的設(shè)計(jì)師，以目前的復(fù)材體系是不能夠設(shè)計(jì)出在重量上低于7000系列鋁合金材料的機(jī)翼上壁板。

縱觀波音與空客復(fù)材飛機(jī)結(jié)構(gòu)，相比之下，A380使用復(fù)材結(jié)構(gòu)更為慎重，以繼承發(fā)展為主，將全復(fù)材中央翼盒用在了高濕區(qū)與避免沖擊的飛機(jī)部位（上有機(jī)身包圍，下有機(jī)身整流罩保護(hù)）；而波音787使用復(fù)材結(jié)構(gòu)則是以全面創(chuàng)新性為主，其核心是基于高強(qiáng)度、中模量碳纖維與高韌性樹脂材料的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)理念較為大膽前瞻，但近代飛機(jī)發(fā)展研究的型號(hào)很多，最后經(jīng)過用戶的使用篩選留下來，形成大批量機(jī)隊(duì)的才是成功的機(jī)型。 copyright 123456

目前，飛機(jī)主結(jié)構(gòu)使用復(fù)材結(jié)構(gòu)的問題主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）復(fù)材主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證還需要實(shí)踐，其基本參照目標(biāo)判據(jù)是比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)節(jié)省重量20%左右，全壽命使用成本相當(dāng)。而歐洲現(xiàn)在正在執(zhí)行的面對(duì)民用飛機(jī)的SWK研究計(jì)劃的目標(biāo)是；減重30%，降低成本40%，由此也可窺見復(fù)材結(jié)構(gòu)發(fā)展端倪。

（2）材料性能有待提高，材料品種需要擴(kuò)大， 特別是T800級(jí)別的纖維和增韌樹脂。

（3）制造質(zhì)量需要穩(wěn)定，研究機(jī)構(gòu)的試制質(zhì)量不等于企業(yè)化產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）使用維護(hù)要簡單可行。

（5）民機(jī)與軍機(jī)結(jié)構(gòu)的差異（設(shè)計(jì)規(guī)范、使用環(huán)境）。細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、連接設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)（氣密、油密、導(dǎo)電、隔噪等）、蜂窩夾心結(jié)構(gòu)剛度等代、損傷裂紋抑制設(shè)計(jì)等都是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者需要不斷進(jìn)修實(shí)踐的。

可以預(yù)見，這些問題不得到根本性解決，市場(chǎng)化應(yīng)用復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)的實(shí)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(yàn)證，在工程發(fā)展的起始階段，為權(quán)衡結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性與安全性和經(jīng)濟(jì)性，將重點(diǎn)放在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)上也不失為一種戰(zhàn)略選擇。 內(nèi)容來自123456

來源：碳纖維制品與行業(yè)