大型飞机复合材料主结构的设计与发展(二)

(3)表明材料性能的提高和规范的完善。

    一代材料支持一代飞机的理念,在近代飞机结构中得到再次验证。没有T800S/2900-2,没有IM6系列材料,就没有高效率的复合材料结构。也正是有了BMS 8-276诸如此类的企业材料选用规范,才有了波音787大量使用复材结构之结果。其中成系列地详尽规范了材料的规格与性能要求,涵盖了热塑性复材和热固性复合材料(包括各种纤维、树脂、预浸织物、胶膜、加速剂、脱模剂及其辅助材料等)。有了规格齐全的材料及其配套性能参数资源,产品设计才能多样化,按功能设计做到物尽其用。Toray(东丽)、Toho( 东邦) 等公司高品质碳纤维(第三代纤维)及其与之配套的新型树脂体系是其延绵不断发展进步动力之源。

    国内材料体系单一,规范不全,材料数据覆盖面窄,与国外材料代沟加大的趋势不容小觑。即便是针对复合材料结构的连接件,国内目前都基本是全部选用有限的进口品种。



波音787的翼复合结构

(4)表明大型整体结构制造成本的降低及其质量的稳定。

    低成本材料和制造工艺的使用,特别是自动铺带技术、非热压罐成型技术的应用等提高了制造效率,降低了生产成本,稳定了产品质量。

    对大型壁板类构件,选用模块格栅成型方法是稳定批量质量的有效方法之一,但这里涉及到复杂模块设计制造技术,还有低膨胀模块材质的选用,其核心是用分配的模具膨胀量及其重量对周边结构施加压力,从而达到稳定固化过程温度梯度对构件的影响(该方法在空客德国复合材料制造厂Stade大量使用,包括A400m机翼壁板之制造),达到缓解大尺寸结构次生应力,稳定产品质量的效果。

结束语

    复合材料本身就是在与高性能轻质铝合金的竞争中前进的,经常是此消彼长,难分伯仲,特别是7000系列高纯度铝合金,对其竞争之势不可小视,如7150高强铝合金拉伸强度达到560MPa以上,常规性能比目前采用的高强铝合金高10%以上,而且具有优良的综合使用性能,在飞机上使用可带来明显的结构效益。多家研究表明,7075铝合金用于制造机翼上壁板的优势,是当下高性能复合材料不能取代的,这就是说,单单对于机翼上壁板,再好的设计师,以目前的复材体系是不能够设计出在重量上低于7000系列铝合金材料的机翼上壁板。

    纵观波音与空客复材飞机结构,相比之下,A380使用复材结构更为慎重,以继承发展为主,将全复材翼盒用在了高湿区与避免冲击的飞机部位(上有机身包围,下有机身整流罩保护);而波音787使用复材结构则是以全面创新性为主,其核心是基于高强度、中模量碳纤维与高韧性树脂材料的结构。设计理念较为大胆前瞻,但近代飞机发展研究的型号很多,后经过用户的使用筛选留下来,形成大批量机队的才是成功的机型。

    目前,飞机主结构使用复材结构的问题主要表现在以下方面。

(1)复材主结构设计、分析、验证还需要实践,其基本参照目标判据是比传统结构节省重量20%左右,全寿命使用成本相当。而欧洲现在正在执行的面对民用飞机的SWK研究计划的目标是;减重30%,降低成本40%,由此也可窥见复材结构发展端倪。

(2)材料性能有待提高,材料品种需要扩大, 特别是T800级别的纤维和增韧树脂。

(3)制造质量需要稳定,研究机构的试制质量不等于企业化产品质量。

(4)使用维护要简单可行。

(5)民机与军机结构的差异(设计规范、使用环境)。细节设计、连接设计、功能设计(气密、油密、导电、隔噪等)、蜂窝夹心结构刚度等代、损伤裂纹抑制设计等都是结构设计者需要不断进修实践的。

可以预见,这些问题不得到根本性解决,市场化应用复合材料主结构的实践就走不出试制的襁褓。探索的道路还很长,还要做面向工程使用的研究与验证,在工程发展的起始阶段,为权衡结构的先进性与安全性和经济性,将重点放在传统结构上也不失为一种战略选择。