民用飛機復合材料地板結構設計

孫健宇

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民用飛機復合材料地板結構設計

孫健宇

大型客機的地板結構是用來承載乘客、貨物等有效載荷的重要機體結構，其分布在整個飛機客艙內。采用復合材料可以大大提高地板結構的強度、剛度、疲勞和防腐蝕性能，同時也顯著減輕結構重量。本文從材料、工藝流程和質量檢測、重要關鍵技術等幾個方面介紹并總結了一般復合材料地板結構的設計方法，對國內民用飛機的研制具有重要的意義。

現(xiàn)代民用飛機的客艙地板結構是用來支撐客艙商載的重要結構件。客艙商載包括乘客、行李、貨物等有效載荷。客艙地板結構形式較為簡單，一般由地板橫梁、地板立柱和地板邊梁組成。地板橫梁和立柱將客艙商載傳遞到機身框上，最后和機翼傳來的升力平衡?？团摰匕褰Y構遍布和貫穿于整個飛機客艙，其結構設計的優(yōu)劣對全機的結構效率有比較重要的影響，目前航空制造領域，越來越多的飛機制造商采用復合材料作為客艙地板結構件的新材料，例如波音777、波音787夢幻客機以及A350wxb等先進的民用飛機型號，大大提高地板結構的強度、剛度、疲勞和防腐蝕性能，同時也顯著減輕結構重量。

材料選擇

復合材料主要由增強纖維-樹脂基體組成。首先應選擇合適的增強纖維，增強纖維有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維和凱夫拉纖維。地板結構主要考慮的是強度、剛度（地板變形量不能太大，否則影響乘客舒適性）、重量和耐腐蝕性能。碳纖維相對其它纖維具有較高的比強度和比模量；潤滑性、耐磨和耐腐蝕性能優(yōu)秀；熱膨脹系數(shù)小且在高溫下尺寸穩(wěn)定性好，故對于地板結構來說碳纖維是比較合適的增強纖維材料。典型的碳纖維材料抗拉強度≥3103MPa，彈性模量≥221 GPa，斷裂伸長率≥1.28%。

接下來選擇樹脂基體材料。樹脂基體分為熱固性和熱塑性材料，目前飛機機體結構一般選擇熱固性樹脂。常用的熱固性樹脂有酚醛、環(huán)氧和聚酯樹脂，其中環(huán)氧樹脂的密度最小，抗拉、彎曲和熱變形強度最高，固化后的力學性能、電性能、耐腐蝕性、粘接性都很優(yōu)良，固化收縮率小，尺寸固定。綜上，選擇碳纖維-環(huán)氧樹脂作為地板結構材料。

模具材料主要有鋼模具、鋁模具、復合材料（碳纖維-環(huán)氧樹脂）模具、鎳鋼合金等4種，鋼模具線膨脹系數(shù)比碳纖維-環(huán)氧樹脂高，焊接部位容易出現(xiàn)裂紋而造成報廢；鋁模具由于表面硬度小而產生劃痕和凹陷；復合材料是最新采用的模具材料，其與制件線膨脹系數(shù)相同，但多次使用后容易開裂且使用溫度偏低，吸濕現(xiàn)象嚴重；鎳鋼合金是目前成熟的模具材料，線膨脹系數(shù)與制件相當，不易變形，質量穩(wěn)定。綜上比較，可以選擇鎳鋼合金作為模具制造材料。

圖1　飛機地板結構示意圖

其余的輔助材料包括固化劑、脫模劑、脫模布、真空袋和透氣袋。固化劑可選用鹵代芳香胺類化合物；脫模劑可采用水性脫模劑如Coating7569；脫模布采用聚四氟乙烯布；真空袋采用聚酰亞胺薄膜以便于滿足180℃的固化溫度要求；透氣材料采用玻璃布。

圖2　預浸料-熱壓罐工藝流程圖

復合材料地板結構的制造工藝

目前航空復合材料的主要制造工藝是預浸料-熱壓罐工藝。這種工藝方法的優(yōu)點是工藝手段成熟、零件具有均勻的樹脂含量、致密的內部結構和優(yōu)良的內部質量。缺點是耗費能源、工藝設備較為昂貴。但是隨著自動化和信息化水平的提高，這些缺點逐步得到改善。此外，地板橫梁、地板立柱和地板滑軌等一般都是等截面、長細比較大的零件，也可以采用拉擠成型工藝，但其工藝技術還不夠成熟，故本文仍然采用預浸料-熱壓罐工藝，其主要工藝流程如圖2所示。

其中預浸料制造工藝采用干法預浸料層貼工藝，其具有如下優(yōu)點：

（1）制造過程便于機械化、自動化，大大改善了工作環(huán)境和勞動強度；

（2）制造過程的質量控制很嚴格，可靠性高；

（3）碳纖維和環(huán)氧樹脂之間的比例易于調節(jié)，樹脂含量便于控制；

（4）可按需要調節(jié)碳纖維角度、單層厚度和層數(shù)，充分實現(xiàn)復合材料的可設計性。

材料具體牌號可選擇T700碳纖維單向預浸料，固化溫度180℃，該溫度下27分鐘之內凝膠，最高工作溫度170℃，熱壓罐成形。

地板零件的單向預浸料一般采用樹脂膜法進行制造，樹脂膜法可調節(jié)樹脂含量并使樹脂分布均勻，也可以很好地控制預浸料密度；且樹脂膜法不需要使用溶劑，對環(huán)境無污染，不易造成生產事故。

預浸料的下料和鋪堆疊一般采用層疊滑移工藝。該工藝是國內研發(fā)的專門用于類似地板梁等大長細比零件的毛坯制造工藝。首先將零件三維模型展開成平面，并用自動鋪帶機鋪疊成展開后的平面毛坯，再將其放入專用設備進行加熱軟化，通過施加壓力使其貼合于模具表面，形成最終三維的疊層制件毛坯。

疊層毛坯形成以后，將其置入熱壓罐中對其進行抽真空，并形成真空、隔離、透膠、吸膠和透氣系統(tǒng)，實現(xiàn)控制樹脂流動方向和流出量、排除夾雜氣體以及外部壓力的均勻分布。最終形成熱壓罐的真空封裝系統(tǒng)。復合材料在熱壓罐中固化時要通過纖維及樹脂性能來確定熱壓罐壓力-溫度控制曲線。

對于脫模環(huán)節(jié)，脫模難易程度及脫模質量和模具設計優(yōu)劣息息相關。產品脫模后，應按地板零件的外邊緣進行切邊或打磨。

復合材料地板結構設計關鍵技術

地板橫梁或立柱一般為工字形，在實際鋪層的時候由2個背靠背的C形、一個上緣板和一個下緣板組成，為防止三者之間的結合面發(fā)生剝離，結合面處應都采用0°鋪層；兩個C形梁進行背靠背貼合時，頂部會形成空腔，空腔內應用填充料填充。地板橫梁或立柱的截面應采用等截面形式，以避免應力集中；在零件的彎邊處應采用圓弧過渡，內圓半徑應大于板厚；鋪層相對模具的位置應正確，同時保證鋪層纖維方向與設計圖紙保證一致，每一層預浸料的表面要保持清潔避免雜物進入，隔離層應被剝離；預浸料應保持平整防止扭曲；應盡量采用對稱鋪層，以消除熱變形和內應力；鋪疊時間應盡量短；應根據(jù)溫度壓力曲線嚴格控制溫度和壓力參數(shù)以及加壓時間。各個地板梁結構零件在熱壓罐中應均勻排布，防止發(fā)生堵塞和干涉。在滿足該條件的情況下，應盡量布置更多的零件以提高生產效率。

結束語

目前民用飛機碳纖維-環(huán)氧樹脂復合材料的地板結構越來越多的在各民用飛機型號所采用，其具有較高的比強度和比模量，性能可設計和易于整體成形等一系列優(yōu)異特性，相對常規(guī)金屬地板可減重25%～30%。復合材料地板的設計方法和金屬地板有比較大的差異，應主要從選材、工藝流程和關鍵技術參數(shù)來考慮。本文介紹的設計方法對國內研制先進復合材料飛機結構具有一定參考意義。

孫健宇

上海飛機設計研究院結構設計研究部

孫健宇，男，碩士研究生，上海飛機設計研究院結構部，研究方向為飛行器設計。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.014