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      現(xiàn)代大飛機復(fù)合材料應(yīng)用與制造技術(shù)淺析

      2019-09-10 23:05:06付天宇
      E動時尚·科學工程技術(shù) 2019年19期
      關(guān)鍵詞:制造技術(shù)

      付天宇

      摘 要:由于復(fù)合材料具有比強度高、比剛度大、可設(shè)計性強及良好的抗疲勞損傷性能和耐腐蝕性能的優(yōu)點,大批飛機零、部件相繼采用復(fù)合材料,并且采用復(fù)合材料的部位、面積和重量也日趨增加。將先進復(fù)合材料應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)中可相應(yīng)減重20%~30%,這是其他先進技術(shù)很難實現(xiàn)的效果。復(fù)合材料已成為鋁、鋼、鈦之后,迅速發(fā)展的四大航空材料之一,所占比例也越來越高,在民用飛機上獲得了大量應(yīng)用。

      關(guān)鍵詞:現(xiàn)代大飛機;復(fù)合材料應(yīng)用;制造技術(shù)

      復(fù)合材料工藝技術(shù)的發(fā)展為實現(xiàn)民用飛機大部件的整體設(shè)計與整體制造提供了可能,使得飛機結(jié)構(gòu)零部件的數(shù)量大大減少,提高了飛機的生產(chǎn)效率和可靠性。目前采用復(fù)合材料取代金屬和非金屬等常規(guī)材料制造結(jié)構(gòu)件已經(jīng)成為世界民機制造業(yè)的主流趨勢,這對中國自主研制的大型民用飛機的市場競爭力提出了嚴峻的考驗

      一、大型飛機復(fù)合材料制造技術(shù)

      1.1 復(fù)合材料成本過高仍是制約飛機結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用復(fù)合材料的主要障礙,造成成本下不來、用量上不去的狀況。復(fù)合材料成本的70%以上來自制造工藝,因此,低成本的制造技術(shù)仍是復(fù)合材料發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵問題。目前,國外復(fù)合材料最新的制造理念是整體制造(即盡量將復(fù)合材料設(shè)計成整體結(jié)構(gòu)),采用諸如像自動鋪放、共固化或共膠接等技術(shù)實現(xiàn)整體制造。在滿足結(jié)構(gòu)總體性能要求的前提下,復(fù)合材料整體成型技術(shù)的意義在于可以通過減少零件數(shù)目、緊固件數(shù)量和協(xié)調(diào)/連接裝配工作量進一步減輕結(jié)構(gòu)重量,降低成本(尤其是制造成本)。同時,由于相應(yīng)釘孔數(shù)量下降,可改善結(jié)構(gòu)的承載能力,采用整體成型技術(shù)還可以減少分段、對接、間隙和臺階,使機體表面光滑,降低RCS值,提高隱身性能。

      1.2 采用自動鋪放技術(shù)可顯著降低具有復(fù)雜形狀復(fù)合材料構(gòu)件的制造成本。最早的自動鋪放技術(shù)研究始于復(fù)合材料機身的制造,由于采用纏繞技術(shù)制造機身時纏繞張力使凹面產(chǎn)生縫隙,并使纖維滑移而偏離原來位置,且傳統(tǒng)的纏繞工藝無法有效改變厚度,纖維鋪放技術(shù)解決了上述問題,在大型復(fù)雜型面上鋪放和壓實連續(xù)預(yù)浸纖維,使得纖維在芯模上的鋪放完全在無壓力狀態(tài)下進行;鋪放預(yù)浸帶時可按要求調(diào)整其寬度,還能通過加熱或冷卻調(diào)節(jié)其粘度,自動鋪放精度可達0.005ram。自動鋪放(ATL/AFP)自動化制造技術(shù)可以提高制件質(zhì)量和工藝效率,減少零件數(shù)量,降低制造及裝配成本,目前該技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。

      1.3 自動鋪帶適用于尺寸較大,曲率相對較小的零件,如整體壁板類零件、大梁、長桁等,而纖維自動鋪放適用于尺寸較大,形狀相對較復(fù)雜的零件,如機身段、進氣道等。目前哈飛集團已經(jīng)引進了自動鋪帶設(shè)備,下面以自動鋪帶為例,簡要介紹機翼整體壁板的制造流程。大型飛機機翼整體壁板結(jié)構(gòu)尺寸較大,不適于手工制造,只能采用自動鋪帶制造技術(shù)。整體壁板分為包括橫、縱向加強筋的格柵式整體壁板和只包括橫向加強筋的整體壁板。加強筋還分為工字形、T形等結(jié)構(gòu)形式,帶有工字形加強筋的格柵式整體壁板成型最為復(fù)雜,而只帶有橫向T形加強筋的整體壁板相對較易制造,但無論采用何種形式,其制造流程基本是一致的。

      二、復(fù)合材料在大型民用飛機中的應(yīng)用

      復(fù)合材料呈多層次結(jié)構(gòu),其復(fù)雜程度遠高于金屬材料,大型結(jié)構(gòu)件的整體成型和集成制造使得問題更加復(fù)雜化,因此其在大型民用飛機上的應(yīng)用歷經(jīng)坎坷。波音B757和波音B767中復(fù)合材料占總質(zhì)量的4%;波音B777和空客A340中復(fù)合材料的質(zhì)量分數(shù)上升到11%和14%;對于空客A380,復(fù)合材料的質(zhì)量分數(shù)為25%;對于代表當今世界民用飛機制造技術(shù)最高水平的波音B787和空客A350,復(fù)合材料的質(zhì)量分數(shù)高達50%和52%。

      可以說,先進復(fù)合材料質(zhì)量占飛機結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的多少,在某種程度上已經(jīng)成為評價該飛機技術(shù)先進程度和市場競爭力的重要指標。從國外的情況來看,復(fù)合材料在大型民用飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)為如下發(fā)展趨勢。

      2.1 復(fù)合材料在大型民用飛機中所占質(zhì)量分數(shù)越來越大

      以空中客車公司為例,復(fù)合材料占飛機結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分數(shù)從A310—300機型的5wt%,上升到A380的25wt%,再到A400M的35wt%,在A350飛機上這一質(zhì)量分數(shù)高達52wt%,第一次實現(xiàn)了復(fù)合材料的用量超過了金屬材料的用量,被稱為“塑料飛機”。

      2.2 復(fù)合材料被大量應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)

      復(fù)合材料最初應(yīng)用于飛機的艙門、整流罩、安定面等次承力結(jié)構(gòu),隨著材料性能的不斷提高,目前復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機身機翼等主承力結(jié)構(gòu)??罩锌蛙嘇380的中央翼盒、翼肋、機身上蒙皮壁板、機身后段、機身尾段、地板梁、后承壓框、垂尾等大量主承力結(jié)構(gòu)都采用碳纖維復(fù)合材料。

      2.3 由復(fù)合材料制造的復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件越來越多

      復(fù)合材料在復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用存在一定的挑戰(zhàn)性:(1)受制于制造變形的問題;(2)在鋪層設(shè)計方面也具有較大的難度。大量先進制造工藝的出現(xiàn)使得由復(fù)合材料制造的復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件越來越多,如A380機身19段和球面后壓力框等具有復(fù)雜曲面的大尺寸受力部件,分別采用復(fù)合材料纖維自動鋪絲技術(shù)和樹脂膜滲透(RFI)工藝制造。

      2.4 飛機結(jié)構(gòu)件的制造向整體成型和共固化方向發(fā)展

      復(fù)合材料之所以在大型民用飛機中所占質(zhì)量分數(shù)不斷提高,甚至能夠取代金屬材料大量應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)件的制造,不僅僅是因為其輕質(zhì)高強的特點,更重要的是因為復(fù)合材料易于集成制造,從而可實現(xiàn)大型構(gòu)件的整體成型。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的共固化和整體成型技術(shù)能夠顯著減少零件和緊固件的數(shù)量,縮短生產(chǎn)周期,減少制造和裝配工時,大幅度降低生產(chǎn)成本。

      結(jié)語

      (1)波音和空客公司在波音787和空客A350上大量使用復(fù)合材料的事實表明,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不僅減輕了飛機的結(jié)構(gòu)質(zhì)量,而且改善了飛機的耐腐蝕性能和抗疲勞性能,降低了飛機的維護費用,大幅度提高了民用飛機的經(jīng)濟性、舒適性和環(huán)保性,成為現(xiàn)代大型客機先進性和市場競爭力的標志。

      (2)經(jīng)過40多年的發(fā)展,國外民用飛機制造商已經(jīng)積累了大量的復(fù)合材料使用經(jīng)驗,解決了以往應(yīng)用中的瓶頸問題,新技術(shù)和新工藝的日益成熟以及自動化設(shè)備的廣泛采用大大降低了復(fù)合材料的生產(chǎn)成本和應(yīng)用風險。

      (3)當今世界大型民用飛機已經(jīng)進入了復(fù)合材料時代,中國自主研制的大飛機也正積極應(yīng)對挑戰(zhàn),在下一代國產(chǎn)大型民用飛機中復(fù)合材料的應(yīng)用必將有突破性的進展。

      參考文獻

      [1]邢麗英,蔣詩才,周正剛.先進樹脂基復(fù)合材料制造技術(shù)進展EJ].復(fù)合材料學報,2017,30(2):1—9.

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