大型民用飛機(jī)復(fù)合材料承壓框結(jié)構(gòu)及工藝發(fā)展分析

李俊斌　付友波　孟要偉

摘? 要：飛機(jī)是現(xiàn)代人出行過程中常用的交通工具，隨著應(yīng)用的增多，人們對(duì)其使用性能、安全等各項(xiàng)內(nèi)容都提出了更高的要求，這也促進(jìn)了對(duì)相關(guān)需求的研究。現(xiàn)代民機(jī)因復(fù)合材料的成功應(yīng)用，極大地滿足了人們對(duì)舒適性、安全性等要求。文章針對(duì)大型民用飛機(jī)復(fù)合材料承壓框結(jié)構(gòu)及工藝發(fā)展情況進(jìn)行詳細(xì)闡述，希望對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)選型論證工作有所幫助。

關(guān)鍵詞：大型民用飛機(jī);復(fù)合材料;承壓框結(jié)構(gòu);生產(chǎn)工藝

中圖分類號(hào)：V229.7? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）07-0109-02

Abstract： Aircraft is a commonly used means of transportation in the process of modern travel. With the increase of applications， people have higher requirements for its performance， safety and other contents， which also promotes the research of related requirements. Due to the successful application of composite materials， modern civil aircraft greatly meet people's requirements for comfort， safety and so on. In this paper， the structure and process development of composite pressure frame of large civil aircraft are described in detail， so as to be helpful to the selection and demonstration of aircraft composite structure.

Keywords： large civil aircraft; composite material; bearing frame structure; production process

后機(jī)身承壓框是大型民用飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)成部分，是客艙后部密封及承壓的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。其作用的發(fā)揮對(duì)大型民用飛機(jī)整體性能會(huì)產(chǎn)生直接影響，這也是在國內(nèi)外多個(gè)大型民用飛機(jī)的研發(fā)過程中，均需要對(duì)該項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行深入研究的主要原因。

1 復(fù)合材料應(yīng)用對(duì)于大型民用飛機(jī)制造的影響

飛機(jī)的性能和安全性都會(huì)受到材料影響，可以說一代材料造就一代飛機(jī)，在飛機(jī)制造過程中，要不斷對(duì)制造飛機(jī)應(yīng)用的各項(xiàng)材料進(jìn)行創(chuàng)新。在大型民用飛機(jī)制造過程中，應(yīng)充分考慮大型民用飛機(jī)在使用過程中的舒適性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性等多項(xiàng)內(nèi)容。在大型民用飛機(jī)制造時(shí)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行合理應(yīng)用，會(huì)對(duì)民用飛機(jī)制造行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生積極影響。

1.1 提升大型民用飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性

對(duì)于大型民用飛機(jī)的成本來說，在具體問題的分析過程中，不僅要考慮購買飛機(jī)的價(jià)格，還要考慮飛機(jī)在應(yīng)用過程中的能耗、維修成本、壽命長(zhǎng)度等多項(xiàng)因素。同鋁合金相比，雖然復(fù)合材料價(jià)格更高，但是，其在具體應(yīng)用過程中帶來的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)程超其負(fù)面影響[1]。例如，某大型民用飛機(jī)大量應(yīng)用復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)，使整個(gè)機(jī)身省去了縱向蒙皮拼接，減少了鋁合金零件和標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量，并且使整個(gè)機(jī)體結(jié)構(gòu)變得更加堅(jiān)固、輕盈。這一方面降低了飛機(jī)在飛行過程中的油耗，另一方面也減少了在飛機(jī)維修上的投入。

1.2 提升大型民用飛機(jī)舒適性

大型民用飛機(jī)在實(shí)際應(yīng)用期間，一些部位容易發(fā)生疲勞損傷，舷窗是其中容易發(fā)生損傷的位置。復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗疲勞特性，也正因如此，大型民用飛機(jī)的大尺寸舷窗設(shè)計(jì)成為了可能[2]。目前，多數(shù)大型民用飛機(jī)艙內(nèi)氣壓相當(dāng)于外界2400m高空處的氣壓，波音B787飛機(jī)客艙內(nèi)氣壓約為外界高空1800m處的氣壓，這就為旅客提供了更加舒適的環(huán)境。B787飛機(jī)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行大量應(yīng)用，艙壓提升只使機(jī)身重量增量約70kg，如果采用鋁合金材料，要想使艙壓達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)身重量則會(huì)升高1000kg。由此可見，采用復(fù)合材料對(duì)于大型民用飛機(jī)舒適性的提升十分明顯。

此外，復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用過程中，其性能與鋁合金結(jié)構(gòu)相比，前者具有更好的耐腐蝕性，這也使采用復(fù)查材料的大型民用飛機(jī)座艙中濕度與采用鋁合金的飛機(jī)相比，濕度更高。這種優(yōu)勢(shì)能夠避免少數(shù)旅客在飛行過程中，由于脫水而引起的不適[3]。同時(shí)，整體成型復(fù)合材料機(jī)身與采取鉚釘連接的鋁合金機(jī)身相比，采用的緊固件更少，這就提高了機(jī)身表面光潔度，減少了機(jī)身表面發(fā)生的湍流噪聲，進(jìn)而為旅客提供一個(gè)相對(duì)舒適的環(huán)境，提升乘座體驗(yàn)。

1.3 提升環(huán)保性

現(xiàn)代燃油價(jià)格不斷升高，同時(shí)，隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)重視程度的提升，污染物排放標(biāo)準(zhǔn)變得更加嚴(yán)格。復(fù)合材料飛機(jī)在具體應(yīng)用期間，在節(jié)能減排方面具備的優(yōu)點(diǎn)十分明顯。復(fù)合材料與鋁合金材料相比，自身重量降低，這可以提高飛機(jī)在實(shí)際飛行期間的效率，降低能耗[4]。采用復(fù)合材料的大型民用飛機(jī)與相同類型的采用鋁合金材料的大型民用飛機(jī)相比，能耗量節(jié)省十分明顯，這可以減少燃料在燃燒過程中各種氣體的排放量。這種優(yōu)勢(shì)一方面可以減少不可再生能源的消耗量，另一方面也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)[5]。

2 國外民用飛機(jī)對(duì)復(fù)合材料承壓框應(yīng)用情況分析

2.1 承壓框結(jié)構(gòu)

空客A340飛機(jī)承壓框采用的材料為PMI（聚甲基丙烯酰亞胺）泡沫填充加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，空客A350飛機(jī)在設(shè)計(jì)過程中仍然對(duì)該結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行繼承應(yīng)用，目的就是盡量對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝進(jìn)行合理優(yōu)化。泡沫填充帽形加筋結(jié)構(gòu)同其它結(jié)構(gòu)相比，其在具體應(yīng)用過程中，能夠承受更大的外部荷載，并且，在復(fù)雜應(yīng)力情況下，有著較高的結(jié)構(gòu)效率。同時(shí)，因?yàn)槊毙渭訌?qiáng)筋結(jié)構(gòu)承壓框自身有多路荷載傳遞路徑，這也就使承壓框結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，具有良好的損傷容限性能。相關(guān)研究結(jié)果表明，帽形加筋結(jié)構(gòu)承壓框與其他結(jié)構(gòu)相比，在特定荷載區(qū)域內(nèi)，在自身重量上能夠節(jié)省約20%[6]。PMI泡沫芯材在制造期間不僅起到了雛形作用，而且其還作為結(jié)構(gòu)材料被應(yīng)用在大型民用飛機(jī)中，此材料在屈服前，可以確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和形狀，從而使失穩(wěn)荷載率能夠提升接近100%。

從概念上來說，波音B787飛機(jī)復(fù)合材料承壓框結(jié)構(gòu)形式有顯著不同，其設(shè)計(jì)者應(yīng)用了仿生學(xué)原理，按照蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式，將其設(shè)計(jì)成格柵結(jié)構(gòu)形式，且格柵加筋和蒙皮是一體化的，通過分析可知，其性能優(yōu)異。

2.2 承壓框的新材料與工藝

空客A380飛機(jī)復(fù)合材料承壓框結(jié)構(gòu)尺寸6.2m×5.5m，高1.6m，如果采用傳統(tǒng)手工鋪貼方式進(jìn)行制造，整個(gè)制造過程中顯然面臨著較大困難。在實(shí)際制造過程中，為了降低制造費(fèi)用，達(dá)到降低成本的目的，最終采用NCF（不起皺織物）編織材料預(yù)制體和RFI樹脂膜方法完成對(duì)A380承壓框的制造[7]。

制造A380復(fù)合材料承壓框采用的主要材料有NCF、RFI樹脂膜，PMI填充泡沫。對(duì)于制造過程中采用的纖維是東邦絲公司生產(chǎn)的高拉伸模量6K和12K碳絲，其性能良好且能夠滿足制造需求。采用的NCF的各項(xiàng)性能指標(biāo)情況如下：

制造過程中應(yīng)用的NCF拉伸性能：與預(yù)浸料式層合板相比拉伸性能略低;在應(yīng)用過程中裂紋主要發(fā)生在纖維束內(nèi)部，不會(huì)在纖維束之間出現(xiàn)裂紋，同時(shí)，出現(xiàn)的裂紋并不會(huì)貫穿90度鋪層;壓縮性能：壓縮強(qiáng)度為拉伸強(qiáng)度的50%。

相關(guān)研究結(jié)果表明，NCF沖擊后壓縮強(qiáng)度CAI與預(yù)浸料層合板相比，前者要超過后者約80%。NCF織物應(yīng)用的加工工藝方法會(huì)對(duì)其沖擊性能產(chǎn)生一定影響，進(jìn)行樹脂注入法完成對(duì)NCF復(fù)合材料層壓板的制備，其在具體應(yīng)用過程中，在遭受沖擊后的損傷程度與采用預(yù)浸料NCF層壓板、預(yù)浸料單向帶層壓板相比更小。

3 我國復(fù)合材料承壓框的實(shí)際發(fā)展情況

3.1 承壓框的制造

3.1.1 材料選擇

對(duì)于制造過程中應(yīng)用的材料，應(yīng)選擇國外機(jī)型已取得成功應(yīng)用的材料，保證采用的材料可以滿足需求，最大程度減少材料的試驗(yàn)次數(shù)及成本，降低應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2 結(jié)構(gòu)形式

C919飛機(jī)承壓框?yàn)榈群穸惹蛎娑文z接泡沫芯填充加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過程中沿用了A340、A380的設(shè)計(jì)理念。以相同金屬結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，減重幅度約為兩種材料的密度差。但因復(fù)合材料價(jià)格較高，成本略有提升。

3.2 承壓框蒙皮復(fù)合材料的應(yīng)用

3.2.1 裁剪復(fù)合材料蒙皮方式

球面框在具體應(yīng)用期間因受均勻膜應(yīng)力影響，不同方面的荷載值大小基本相同。因此，進(jìn)行各向同性鋪層設(shè)計(jì)，從而滿足應(yīng)用需求。單層鋪層角度變化并不會(huì)受到外界因素限制，因此，可以采取等差方式完成對(duì)各層鋪層角布置，最終形成剛度在面內(nèi)具有各向同性性能的層壓板。

3.2.2 工藝流程

主要工藝流程

a. 承壓框蒙皮預(yù)浸料鋪疊，進(jìn)罐固化，獲取到球皮。b. 通過加強(qiáng)筋的方式獲取到加筋預(yù)制體。c. 將加筋和球皮進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)第二次固化。

3.3 改進(jìn)方案

如需進(jìn)行C919復(fù)合材料承壓框優(yōu)化改進(jìn)，則在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選材上，先應(yīng)對(duì)國外先進(jìn)的制造工藝進(jìn)行適當(dāng)參考。結(jié)合國內(nèi)復(fù)材制造整體水平，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可能會(huì)遇到鋪層錯(cuò)誤、效率偏低、施工鋪貼工作內(nèi)容繁瑣等各項(xiàng)問題，針對(duì)這些不足，建議可采取下列方式進(jìn)行改進(jìn)：

設(shè)計(jì)復(fù)合材料承壓框的關(guān)鍵是，能夠?qū)崿F(xiàn)與復(fù)雜曲面相符的復(fù)合材料預(yù)制體，可以形成預(yù)制體的織物有下列兩種：第一種，采用同A380相似的NCF，這一材料在實(shí)際應(yīng)用期間，具有較好的曲面適宜性，且性能良好。第二種，采取M2ESF ESFTM增韌經(jīng)編織物，該織物具備的特點(diǎn)如下：a. 2-7層中的每一層碳纖維類型，以及面密度都可以調(diào)整。b. 具有良好整體性，并且曲面成型好，能夠使預(yù)制工藝性得到改善。c. 抗沖擊損傷性能強(qiáng)。

目前，手工鋪疊單向帶預(yù)浸料方式已逐漸被纖維纏繞方式取代。我國的纖維纏繞技術(shù)，已能夠成功纏繞直徑超過1.0m的罐狀氣瓶，在實(shí)際作業(yè)過程中，可以對(duì)該方法進(jìn)行借鑒，從而改進(jìn)復(fù)合材料承壓框生產(chǎn)工藝，使產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量都能夠得到進(jìn)一步提高，滿足相關(guān)應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代大型民用飛機(jī)在設(shè)計(jì)、制造過程中會(huì)應(yīng)用到各種先進(jìn)的材料，復(fù)合材料作為一種先進(jìn)材料被合理的應(yīng)用到了承壓框結(jié)構(gòu)中，并且從具體應(yīng)用情況來看，也取得了不錯(cuò)的效果。復(fù)合材料承壓框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝歷來受到結(jié)構(gòu)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的重視，為了進(jìn)一步提高大型民用飛機(jī)性能，應(yīng)對(duì)其加強(qiáng)研究。

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