自动铺丝，以取代新型中型商用客机上复合材料后梁的胶带铺放/褶皱形成工艺。

图1. 空客A350 XWB的内部后梁演示器。翼梁在根部的高度接近2m/6.5英尺，在翼尖处逐渐变细至约0.25m/10英寸。

图2. 吉凯恩的一台AFP机器正在进行生产试验。

吉凯恩（GKN）公司的航空航天部门总部位于英国伍斯特郡Redditch，在很大程度上依靠其在复合材料结构生产方面的专业知识，继续保持强劲增长。即使是不专注于复合材料的50%的业务，也主要基于材料技术，如复杂的钛航空发动机部件和具有真空沉积表面以增强隐身性能的座舱罩。这并不令人惊讶，因为吉凯恩首次利用材料技术获得市场份额是在19世纪60年代，当时吉凯恩是英国第一家采用成本效益高的Bessemer工艺生产钢铁的公司，主导了铁路供应业务。截至1871年，该公司每年的钢铁产量超过5600万磅（25400公吨）。

随着吉凯恩航空的业务扩张，吉凯恩航空收购了英国以外的公司。截至2008年底，吉凯恩一半以上的业务在美国开展。2009年，吉凯恩以1.36亿英镑/2.1亿美元的价格收购了位于英国菲尔顿的空客制造业务，从而恢复了欧洲和美国业务之间的平衡。吉凯恩不满足于这一大规模收购，承诺额外投资1.25亿英镑/19.2亿美元，将菲尔顿发展成为复合材料机翼结构的全球卓越中心。这一决定是吉凯恩被选为空客A350 XWB项目参与者的结果。

A350后翼梁项目

吉凯恩获得了一份合同，根据该合同，吉凯恩将为A350提供完全组装的后梁。吉凯恩副总裁兼总工程师克里斯·吉尔（Chris Gear）解释说，该公司的职责是成为预装有所有后缘组件的后梁的设计师、集成商和供应商。吉凯恩全权负责交付组件，但空中客车公司已选定了许多组件的供应商。例如，通用电气航空系统公司（GE Aviation Systems）将在其位于英国汉普郡汉布尔（Hamble）的工厂制造后缘的许多组件。

使用Advanced Composites Group（ACG，Heanor，Derbyshire，英国）的可热固化MTM 44-1预浸料系统，将在热压罐外工艺中制造大量的牵引边缘板，这是该技术首次用于主要生产应用。吉凯恩将负责将30m/97英尺长的翼梁分为三段，然后将所有框、肋柱、起落架连接接头和其他附件连接到每段翼梁上。

图1显示了后梁。翼梁在根部的高度接近2m/6.5英尺，在翼尖处逐渐变细至约0.25m/10英寸。

将零件连接到翼梁各段后，完成三段分之间的连接，以创建整个后翼梁子组件。然后，为了便于运输到位于威尔士/英格兰边境的布劳顿的最终机翼装配线，该组件三段，每个段约10米/32英尺长。

设计责任沿着供应链向下流动。吉凯恩使用空中客车公司的方法和设计工具来计算后梁和后缘组件中的应力和应变。然后，空中客车公司负责将吉凯恩和其他制造商的组件集成到机翼中。翼梁中的主要载荷来自机翼蒙皮。这些载荷来源于空客机翼的全球有限元模型。此外，还有来自连接到翼梁的起落架附件的着陆载荷以及燃料载荷，这些载荷包括燃料本身的重量和当燃料箱部分空时的晃动载荷。GKN在设计复合材料翼梁时必须分析所有这些载荷类型。

空中客车公司要求翼梁制造方法包括使用自动纤维放置（AFP）机器。吉凯恩将使用MTorres（西班牙纳瓦拉Torres de Elorz）提供的AFP设备。

吉凯恩已经开发出一种翼梁的生产方法，用于为空中客车军用公司（西班牙马德里）的A400M运输机铺设翼梁。然而，这种方法对于A350翼梁来说并不实用。简单地说，该方法包括对平坦层压板进行高速胶带铺设，然后将材料热褶皱成形为“C形剖面”的翼梁。

乍一看，成型似乎相对简单，但仔细检查任何一个翼梁都会发现许多衬垫区域，其中固定了襟翼轨道梁和肋等附件。这些堆积要求层压板在褶皱形成过程中允许复杂的层间和层内滑动。使用为A400M选择的氰特公司（Cytec亚利桑那州坦佩市）Cytec 977-2预浸料可以实现这一点，但使用空客为A350上的所有结构部件选择的更复杂的赫氏公司（Hexcel）M21E预浸料则不可能实现这种移动。

相反的两个翼梁是在安装在AFP机器上的CFRP心轴上一次性制成的。然后，将铺放的产品切成两半（用于左舷和右舷梁），并用真空设备将其转移到凸因瓦工具上进行固化。然后，在Brötje Automation GmbH（德国Wiefelstede）提供的自动化机器人单元中对梁进行机加工。该单元钻出所有的孔并修整翼梁边缘。它还将翼梁凸缘的外表面加工到接近公差，因为表面的位置对于控制机翼的深度至关重要。

GKN的第一台AFP机器在西班牙的MTorres制造了原型机器。从那时起，这台机器和第二台机器已经安装在吉凯恩的专用梁工厂，该工厂目前正在距离菲尔顿约8英里的Weston Approach成形。所有的翼梁制造操作——起吊、固化、机加工、无损检测和组装——都将在这个位置进行。最终将安装5台AFP机器，以满足每月10架份配套的需求。（图2显示了正在进行试验的GKN AFP机器。）这类工作对吉凯恩和空中客车都非常重要，标志着航空结构供应链正在发生的革命。吉凯恩希望这份合同能提升其作为结构集成商而非零部件制造商的地位。同时，这也是空客通过将许多以前的职责委托给新一代“超一级”供应商来简化装配操作的努力的一部分。

原文见，《GKN A350 spar program update 》 2011.1.1

杨超凡 2024.4.9

附：

 

空客A400M翼梁设计和工艺

空客A400M飞机推出了新的翼梁设计和新的制造系统。

设计结果：

• 巨大的扭矩负载需要在发动机连接点处进行局部铺层。
• “C型剖面”翼梁在高载荷区域具有复杂的轮廓。
• 制造系统旨在实现高速胶带在平面上铺设，然后形成双隔膜的通道形梁。

无论出于何种目的，大型飞机的复合材料翼梁都是一项新技术，过去在著名但有限的飞机项目中只使用过两次。第一个例子是霍华德·休斯的胶合板机身H-4大力神飞行艇，更为人所知的是云杉鹅（一种薄木层和塑料树脂的复合材料），它是二战期间为美军制作的原型，飞行过一次，但从未投入生产。另一架是B2 Spirit隐形轰炸机，其中只有21架从1993年开始为美国空军建造并服役。吉凯恩航空公司（英国怀特岛考斯）最近加入了这一选择小组，完成了法国飞机制造商空客公司A400M军用运输机18.3m/60英尺主翼梁的设计并制造了第一批复合材料组件。

A400M被认为是欧洲老旧的C-130大力神和C-160跨大西洋军用运输机队的更大尺寸替代品。到目前为止，空客公司已经处理了192个空运订单，计划于2007年年中首航，2009年投入使用。A400M具有“软场地”功能，设计用于在短跑道（小于1150米/3773英尺）上起飞和降落，飞机由西方世界最强大的涡轮螺旋桨发动机提供动力。每个A400M翼梁必须承受飞机的所有正常飞行载荷，以及来自两个襟翼、副翼和四个扰流板的高度集中载荷。然而，前翼梁必须承载发动机载荷——这是翼梁开发的主要设计驱动因素。

发动机通过扭矩驱动飞机通过螺旋桨，扭矩在前翼梁上的连接点处产生反作用。每台发动机产生超过7500千瓦或10000马力（轴马力）的功率，通过减速箱驱动每台发动机的八个复合材料螺旋桨。四组八个螺旋桨中的每一个由Ratier Figeac（法国Figeac）制造，重量约为250公斤/550磅，每架飞机1公吨。螺旋桨以850转/分的起飞功率旋转，产生超过8700牛米（6500磅英尺）的扭矩。该扭矩通过螺栓连接到前翼梁上的配件获得。通常，翼梁腹板的厚度在发动机附接点附近为约5毫米至6毫米（约0.2英寸），但在发动机安装结构的附接点处，腹板和盖的厚度都加倍至约10毫米/0.4英寸。类似的厚度增加发生在翼梁连接到翼盒的根部附近。这些局部厚度变化给A400M项目的结构和制造工程师带来了重大的设计挑战。

针对性能和成本进行设计

A400M计划于2009年投入使用，将取代欧洲老化的C-130大力神和C-160跨大西洋军用运输机队。GKN的复合材料翼梁将处理所有机翼的空气载荷以及来自西方世界最强大的涡轮螺旋桨发动机的扭矩过载。

任何现代飞机项目的主要标准之一都是按照严格的成本目标进行设计。在这种情况下，这意味着创建一个可以通过自动化过程生产的翼梁设计，然后设计一个制造系统，该系统能够制造出如此大、复杂的零件，达到如此重负载的主结构所需的严格质量标准。

吉凯恩（GKN Aerospace）的技术总监兼首席技术专家菲尔·格兰杰（Phil Grainger）解释说，像早期A400M翼梁那样，手动建造如此大的零件是缓慢的，通常铺设速度为0.75kg/hr（1.5 lb/hr）。然而，在批量生产过程中，将使用自动胶带层（ATL）将零件铺平，随后热覆盖形成“C型剖面”。此时，可实现25公斤/小时（50磅/小时）的铺放速度。格兰杰强调，在实际零件上，这些是在一个转变过程中可以实现的平均速率。

图1，图片来源：GKN Aerospace

为了实现这一过程的自动化，吉凯恩（GKN Aerospace）投资了一个由MTorres（西班牙纳瓦拉）制造的带有20m/63英尺床的大型自动铺带机(ATL,图1）。自动铺带机能够使用氰特公司（Cytec）提供的977-2碳纤维/增韧环氧树脂单胶带，将复杂的预成型件从单向预浸料中铺设成其开发的形状。为了形成“C型剖面”预成型件将从胶带层移动到设备制造商Aeroform有限公司（Poole，Dorset，英国）提供的热褶皱成型器。

图片来源：GKN Aerospace

为了便于抽真空，叠层将夹在由杜邦电子技术公司（俄亥俄州Circleville）提供的Kapton聚酰亚胺薄膜制成的两个隔膜之间。薄膜之间的空间将被排空，然后从零件上方进行红外加热，在一小时内将温度提高到60°C/140°F。这确保了即使在根部最厚部分的中心处的材料也被均匀地加热到相同的温度。然后，将轻轻施加压力以形成层压板，由两个隔板约束在一个轻型工具上，该工具准确地表示翼梁的内表面。这种C形过程在20分钟的时间内非常缓慢地实现。（成型后，丢弃Kapton薄膜。）

设计该工艺的挑战在于，在发动机连接加强件处添加的额外材料中，帽中纵向纤维的路径长度（见图，右图）大于翼梁的其余部分。在大多数工艺中，这会导致起皱，导致翼梁最关键部分的性能出现不可接受的退化。然而，格兰杰报告称，在该过程中获得的温和的加工力允许层内滑动，这使得具有较短路径长度的材料能够从翼梁的端部挤出。

在盖布成型器完成在工具上形成翼梁后，叠层将转移到由因瓦钢制成的第二个凸模中。当翼梁就位时，将在几个关键区域手工铺设编织材料的工艺层，其目的如下所述。然后，将在热压罐中常规地固化翼梁。

每个机翼的翼梁分为两段。前翼梁分为12米/39英尺和7米/23英尺两段，后翼梁分别为14米/45英尺和5米/16英尺。每个翼梁两段之间使用的连接板也是复合“C形通道”，放置在接头的内侧和外侧，并用紧固件固定。因为翼梁和连接板之间的配合必须精确到0.25mm/0.01英寸以内，所以翼梁是在放置工艺层的区域中局部加工的。在通常的实践中，这种接头将使用金属连接板制成，但GKN认为，使用复合材料不仅可以节省重量，还可以降低热应力和腐蚀的可能性。

由于零件和由钢制成的床身之间的热膨胀系数（CTE）不同，因此加工14m/45英尺长的翼梁，这给设计带来了额外的挑战。钢的热膨胀系数（CTE）高（12 x 10-6/°C或6.6 x10-6/°F）；碳复合材料翼梁的热膨胀系数（CTE）接近于零。无论环境温度如何，确保翼梁长度相同的传统解决方案是在空调外壳中操作机床。吉凯恩航空有一个更聪明的想法。吉凯恩与哈德斯菲尔德大学（英国哈德斯菲尔德昆斯盖特）合作开发了一种软件，可以感应机床的温度、周围的车间环境和部件周围的空气。然后，它计算软件发送给切割头的指令的修正值，使机器能够在不考虑温差的情况下实现零件的尺寸精度。由于该解决方案允许在不使用特殊空调设备的情况下进行机加工，因此预计该方法不仅可以消除一部分资本投资，还可以降低项目寿命内的能源成本。

吉凯恩表示，自动化工艺将能够在24小时内生产出14米/45英尺的翼梁，而不是传统手工上篮所需的六到八天。

预浸料与树脂膜灌注

航空航天行业的许多人对空客公司和吉凯恩航空航天公司决定用传统预浸料制造这种翼梁感到惊讶。吉凯恩以其在ALCAS（欧盟复合材料开发计划）方面的开创性工作而闻名，在此期间，它通过树脂膜注入（RFI-resin film infusion ）工艺使用无卷曲织物（NCF）建造了翼梁。格兰杰解释说，对于A400M，客户需要一个可以在短时间内完成的低风险计划。然而，他并不排除在未来的翼梁中使用RFI和纺织技术，特别是在成本是主要驱动因素的情况下。

原文见，《Composite wing spars carry the enormous turboprop engines 》

更新日期：2023.12.14发布日期：2006.7.6

杨超凡 2024.4.8