復(fù)合材料及其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用（鳳山書屋）

1、復(fù)合材料及其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用1陽山書屋概 述先進(jìn)復(fù)合材料是20世紀(jì)60年代崛起的一種新材料與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為航空航天的四大結(jié)構(gòu)材料2陽山書屋概 述 飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究和發(fā)展一直與采用性能優(yōu)越的新材料密切相關(guān)。20世紀(jì)30年代鋁合金的問世，取代了帆布和木材，曾給飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了一次革命性的飛躍。今天，先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用，同樣引起了一場飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的重大技術(shù)變革。3陽山書屋概 述 先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、性能可設(shè)計(jì)和易于整體成形等許多優(yōu)異特性，將其用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，可比常規(guī)的金屬結(jié)構(gòu)減重25%30%，并可明顯改善飛機(jī)氣動(dòng)彈性特性，提高飛行性能。4陽山書屋概 述 先進(jìn)復(fù)合

2、材料的廣泛應(yīng)用還可進(jìn)一步推進(jìn)隱身和智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，因此，先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用的部位和用量的多少現(xiàn)已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。 5陽山書屋復(fù)合材料的應(yīng)用概況 從20世紀(jì)40年代 玻璃/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料 操縱面、整流罩和雷達(dá)罩等零部件。直升機(jī)旋翼槳葉。剛度，特別是對(duì)高速飛機(jī)來說，是一個(gè)和強(qiáng)度同樣重要的設(shè)計(jì)要求。6陽山書屋Advanced CompositeApplicationCC22643019.pptF-4 Phantom IIBoron EpoxyRudder7陽山書屋Boron/Epoxy RudderCC22643020.pptF-4 Phantom II8陽山書

3、屋CC22643020.ppt 上世紀(jì)60年代復(fù)合材料最初的應(yīng)用是Boron/epoxy 的F-14的水平安定面蒙皮和F-15水平與垂直安定面蒙皮。 第一個(gè)Carbon/Epoxy 在軍機(jī)上的應(yīng)用是F-15 的減速板，占結(jié)構(gòu)重量的2%。9陽山書屋CC22643020.ppt10陽山書屋CC22643020.ppt 上世紀(jì)70年研制的 F/A-18A/B ，采用了Carbon/3501-5復(fù)合材料機(jī)翼、控制面、垂尾和機(jī)身蒙皮，占結(jié)構(gòu)重量的12%。 在上世紀(jì)70年代后期研制了AV-8B，當(dāng)時(shí)使用復(fù)合材料的動(dòng)力是追求性能和減重，復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量的28%，主要的材料是 Carbon/3501-6

4、 epoxy ，用于機(jī)翼蒙皮、控制面、前機(jī)身蒙皮前中央機(jī)身蒙皮，并開始用于機(jī)翼、控制面和機(jī)身骨架，在受熱零件上使用了BMI。11陽山書屋CC22643020.ppt 在上世紀(jì)80年代復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上增加應(yīng)用的目的是隱身，在此期間研制的F-117和B2，復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量的40%，主要使用Carbon/epoxy，以及一些特殊的樹脂和增強(qiáng)體。 上世紀(jì)90年代復(fù)合材料在軍機(jī)上的用量有所降低 (F/A-18E/F 和 F-22 的用量為22-26%)， 這是由于從追求減重（性能）變?yōu)橐紤]成本因素，以及從前面應(yīng)用得到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。 12陽山書屋CC22643020.ppt13陽山書屋B2轟炸機(jī)

5、復(fù)合材料38%遠(yuǎn)程轟炸機(jī)14陽山書屋15陽山書屋RTM整體尾翼CoRTM整體進(jìn)氣道進(jìn)氣道纖維鋪放Z-pin X-Cor設(shè)備大型整體機(jī)翼蒙皮三維編織型加筋型連接前機(jī)身整體結(jié)構(gòu)F-35戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料用量36%16陽山書屋A400M復(fù)合材料應(yīng)用部位大型軍用運(yùn)輸機(jī)17陽山書屋復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用直升機(jī)上復(fù)合材料的用量已達(dá)結(jié)構(gòu)重量的60%80%，如美國的武裝直升機(jī)RAH-66，其復(fù)合材料用量達(dá)結(jié)構(gòu)重量的50%以上。美國的垂直起落、傾轉(zhuǎn)旋翼后又可高速巡航的V-22“魚鷹”，幾乎是一個(gè)全復(fù)合材料飛機(jī)。世界上已有許多小型的全復(fù)合材料飛機(jī)問世，其中著名的“星舟一號(hào)”客貨兩用機(jī)已通過適航鑒定；舉世聞名的“旅

6、游者”曾創(chuàng)下不加油、不著陸，連續(xù)9天環(huán)球飛行的世界紀(jì)錄。 18陽山書屋直升機(jī)材料的發(fā)展 型號(hào)H-34CH-53EUH-60AS-76RAH-66技術(shù)水平50年代60年代70年代80年代90年代金屬材料87%85%72%59%22%復(fù)合材料-5%12%18%50%其他材料13%10%16%23%28%19陽山書屋EC135復(fù)合材料應(yīng)用20陽山書屋V-22復(fù)合材料40%21陽山書屋CC22643020.ppt 民機(jī)復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用長期以來主要是尾翼級(jí)結(jié)構(gòu)，主要原因是如何突破低成本技術(shù)。本世紀(jì)中，隨著A380，Boeing787和A350在機(jī)翼和機(jī)身結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用復(fù)合材料，標(biāo)志著低成本復(fù)合材料技

7、術(shù)已有了突破，進(jìn)入了新紀(jì)元，民機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料用量得到了大幅度增加。 22陽山書屋將復(fù)合材料應(yīng)用到飛機(jī)的次承力構(gòu)件美國：ACEE計(jì)劃（19761986）成果復(fù)合材料應(yīng)用于DC-10方向舵、L-1011副翼、波音727升降舵等部件23陽山書屋美國：ACT計(jì)劃（19881997）針對(duì)復(fù)合材料在飛機(jī)機(jī)翼及機(jī)身上的主承力結(jié)構(gòu)部件突破高損傷容限復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，降低成本為運(yùn)輸類飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身大量應(yīng)用復(fù)合材料提供技術(shù)支持降低生產(chǎn)成本20%30%提供材料和結(jié)構(gòu)性能預(yù)測的科學(xué)依據(jù)使飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重30%24陽山書屋美國：ACT計(jì)劃（19881997）成果C-130大型運(yùn)輸機(jī)復(fù)合材料中央翼盒

8、復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于F-22主承力結(jié)構(gòu)件長達(dá)12.8米的縫合復(fù)合材料大型客機(jī)機(jī)翼試驗(yàn)盒段25陽山書屋美國：AST計(jì)劃（19922002）進(jìn)一步擴(kuò)大復(fù)合材料在主承力構(gòu)件的應(yīng)用范圍研究目標(biāo)完成全尺寸復(fù)合材料機(jī)翼盒段的設(shè)計(jì)和地面試驗(yàn)驗(yàn)證為大型客機(jī)飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用提高技術(shù)儲(chǔ)備采用VARTM-PB工藝制造的機(jī)翼壁板先進(jìn)的縫紉設(shè)備26陽山書屋美國：AST計(jì)劃（19922002）MD-90-40X飛機(jī)機(jī)翼作為縫合復(fù)合材料機(jī)翼的基準(zhǔn)平臺(tái)建立材料的基本性能數(shù)據(jù)庫和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用值設(shè)計(jì)和制造技術(shù)得到評(píng)估分析了結(jié)構(gòu)性能與成本的綜合效能27陽山書屋美國：CAI計(jì)劃（19962006）實(shí)現(xiàn)高效能設(shè)計(jì)和低成本

9、制造技術(shù)的飛躍目的開發(fā)高精度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和制造工藝模擬及成本控制分析工具實(shí)現(xiàn)在高效、低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)上的突破，達(dá)到綜合成本下降50 %的指標(biāo)28陽山書屋美國：CAI計(jì)劃（19962006）進(jìn)氣道纖維鋪放Z-pin X-Cor設(shè)備大型整體機(jī)翼蒙皮三維編織型加筋型連接前機(jī)身整體結(jié)構(gòu)RTM整體尾翼波音787采用了多項(xiàng)研究成果成果29陽山書屋AADP (Aircraft Aging & Durability Project)飛機(jī)老化&耐久性工程計(jì)劃指出：由于缺乏對(duì)材料蛻變、損傷演化和疲勞等內(nèi)在物理機(jī)制的理解，不能有效預(yù)測服役環(huán)境下結(jié)構(gòu)可靠性。導(dǎo)致復(fù)合材料部件設(shè)計(jì)依賴經(jīng)驗(yàn)和安全系數(shù)過大等方法開展

10、性能演化和疲勞機(jī)理研究，為結(jié)構(gòu)可靠性奠定基礎(chǔ)Workforce by Challenge Problem主要包括感知診斷、損傷演化、無損檢測、多學(xué)科交叉及綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)等內(nèi)容美國：AvSP 航空安全專項(xiàng)（2007-2016 ）30陽山書屋新一代大型客機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀31陽山書屋干線客機(jī)各種材料結(jié)構(gòu)重量百分比（%）材料結(jié)構(gòu)重量百分比（%）機(jī)型32陽山書屋 復(fù)合材料在國外先進(jìn)軍用飛機(jī)上的應(yīng)用水平在上世紀(jì)末產(chǎn)生飛躍。 更值得注意的是，進(jìn)入二十一世紀(jì)，這種飛躍同時(shí)出現(xiàn)在對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性和經(jīng)濟(jì)可承受性具有苛刻要求的大型民用飛機(jī)上。33陽山書屋A380更安全、更經(jīng)濟(jì)、更舒適、更環(huán)保每座油耗比747-400降低

11、17%每座DOC比747-400降低20%更低的維護(hù)費(fèi)用“龐然大物”最大起飛重量：560噸三艙布局載客：555人最大航程：15000公里輕質(zhì)高性能材料與結(jié)構(gòu)在主要承力構(gòu)件上采用復(fù)合材料34陽山書屋A380復(fù)合材料應(yīng)用情況后壓力隔框中央翼盒J-型熱塑性復(fù)合材料固定前緣上層客艙地板梁水平安定面垂直安定面非承壓后機(jī)身翼肋、機(jī)翼后緣操縱面GLARE機(jī)身上壁板復(fù)合材料25%鋁合金61%鈦合金10%35陽山書屋36陽山書屋大量采用復(fù)合材料舷窗的抗裂紋擴(kuò)展性能維護(hù)性能舒適性大修時(shí)間A330波音7876年12年37陽山書屋波音787的競爭機(jī)型A350波音787座位數(shù)（3級(jí)布局）設(shè)計(jì)航程（海里）最大空重/座輪檔

12、燃油/座現(xiàn)金使用成本/座目前所獲訂單（架）2708300基準(zhǔn)基準(zhǔn)基準(zhǔn)3622427900+2%+6%+8%90038陽山書屋迫于商業(yè)競爭壓力不斷修改設(shè)計(jì)方案，提高復(fù)合材料用量200420062006年底擬定復(fù)合材料用量增加到45稱為“A350XWB”方案復(fù)合材料用量飆升到52碳纖維復(fù)合材料用量約為40A35039陽山書屋A350復(fù)合材料應(yīng)用情況選材特點(diǎn)繼承和發(fā)展A380選材方案大幅提高復(fù)合材料應(yīng)用水平40陽山書屋最新公布的A350XWB各類材料分布41陽山書屋CC22643020.ppt 低成本的解決途徑 原材料大絲束 加工工藝RTM，RFI，VARTM，低溫固化，非熱壓罐工藝等制造自動(dòng)化AT

13、L，AFP（提高工效和降低廢品率）設(shè)計(jì)技術(shù)整體化（利用共固化和共膠接技術(shù)，減少零件數(shù)和裝配工時(shí)）降低維護(hù)成本和提高出勤率利用優(yōu)良的抗疲勞和耐腐蝕性能42陽山書屋總成本材料和制造50%緊固件和裝配50%制造成本鋪貼(46%)鋪層切割(8%)NDI(15%)修邊(6%)裝袋與固化(13%)模具(12%)降低成本的潛力43陽山書屋CC22643020.ppt制造方法 低成本高質(zhì)量的鋪貼 (特別是大型復(fù)合材料制件) 和高精度可重現(xiàn)的復(fù)合材料制件。自動(dòng)鋪帶機(jī)（ATP）自動(dòng)絲束鋪放（AFP）RTM VARTM RFI降低成本的途徑44陽山書屋AdvantagesAutomated Tape LayingD

14、isadvantages Greater Pounds/Hr. Very Consistent No Debulking Required Significant Equipment Cost Recurring Maintenance Limited Contour Capability45陽山書屋Fiber PlacementAdvantages Concave Contours True 0 Plies Possible Consistent ProductDisadvantages Significant Equipment Cost Complex Programming Somew

15、hat Slow46陽山書屋Resin Transfer MoldingAdvantages Complex Structures Near Net Molding Excellent SurfacesDisadvantages High Tooling Costs Preform Costs47陽山書屋Resin Transfer Molded Part Complexity48陽山書屋CC22643020.ppt設(shè)計(jì)技術(shù)采用共固化、共膠接等形成的整體化結(jié)構(gòu) 降低成本的途徑49陽山書屋Pressure Application- Integrally Cocured Structure50陽山

16、書屋 C-17的水平安定面于1994年重新設(shè)計(jì)，從第51架C-17開始，由原來的7150-T77合金改成金屬與AS4/環(huán)氧的混合結(jié)構(gòu)，使復(fù)合材料用于次承力結(jié)構(gòu)，減重20%（213kg），零件減少90%（2000個(gè)），緊固件減少80%（42000個(gè)），工裝減少70%，成本降低50%。51陽山書屋50%Cost Reduction20%Weight ReductionC-17 Composite Horizontal Stabilator52陽山書屋December 15 2009低成本復(fù)合材料技術(shù)已進(jìn)入工程化應(yīng)用的標(biāo)志53陽山書屋復(fù)合材料用量增加帶來的效益復(fù)合材料機(jī)翼、機(jī)身降低制造成本20%54

17、陽山書屋復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)解決了應(yīng)用中的瓶頸問題，復(fù)合材料的大量應(yīng)用成為新一代大型客機(jī)的重要標(biāo)志空客A350結(jié)構(gòu)方案幾經(jīng)修改，大幅提高復(fù)合材料用量的事實(shí)，表明復(fù)合材料應(yīng)用對(duì)新一代大型客機(jī)市場競爭具有重要作用波音787飛機(jī)和空客A350飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用的歷史性突破標(biāo)志著大型客機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化時(shí)代已經(jīng)到來55陽山書屋熱塑性復(fù)合材料發(fā)展加快熱塑性復(fù)合材料G650 當(dāng)前復(fù)合材料發(fā)展的趨勢(shì)之一是用熱塑性復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱固性環(huán)氧復(fù)合材料。原因之一是熱塑性復(fù)合材料可以通過簡單加熱、熔化及冷卻成型，可以像金屬一樣進(jìn)行焊接，在2012年服役的G650，飛機(jī)是用TenCate公司的Cetex熱塑性復(fù)合

18、材料制造方向舵，在民機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上用熱塑性復(fù)合材料還是相當(dāng)新的。福克、灣流等公司為此獲得2010年JEC航空創(chuàng)新獎(jiǎng)。肋條用壓力機(jī)成形，然后用機(jī)器人進(jìn)行感應(yīng)焊接從而取消緊固件及相關(guān)的精密鉆孔工具。TenCate公司首創(chuàng)體積60%以上碳纖維熱塑性復(fù)合材料。A380的機(jī)翼前緣用Ticona公司提供的模壓成型的熱塑性CFRP材料。56陽山書屋 Fokker Aerostructures 公司（荷蘭）和其合作伙伴 Ticona GmbH 公司（德國）、 Ten Cate 公司 ( 荷蘭 ) 及 KVE Composites Group 公司 ( 荷蘭 ) 摘得了 2010JEC 航空類創(chuàng)新獎(jiǎng)，他們?cè)诤附?/p>

19、的 4 米長的方向舵及 6 米長的連續(xù)纖維增強(qiáng)層壓結(jié)構(gòu)升降舵中使用了碳纖維增強(qiáng) Fortron 聚苯硫醚 (PPS) ，該方向舵和升降舵是用在 Gulfstream G650 噴氣式飛機(jī)上的。 Gulfstream 公司表示，他們已經(jīng)有 200 架飛機(jī)的新訂單，該公司平均每年銷售的飛機(jī)有 70 到 80 架。據(jù)稱，復(fù)合材料的使用已消除了制作過程中的數(shù)百個(gè)鉚釘，感應(yīng)焊接替代了他們。 Gulfstream G650 飛機(jī)新的熱塑性方向舵操縱面采用了“后彎曲”多翼肋設(shè)計(jì)，與先前環(huán)氧復(fù)合材料為芯材的操縱面相比，重量減少了 10% ，生產(chǎn)費(fèi)用也減少了 20% 。根據(jù) Fokker Aerostructu

20、res 公司所示，這種熱塑性復(fù)合材料主要結(jié)構(gòu)部件，與同等鋁制或輕合金制成部件相比，重量減輕了 50% 。 這種應(yīng)用標(biāo)志著一個(gè)走向低成本熱塑性“物理處理”解決方案，遠(yuǎn)離熱固化樹脂“化學(xué)加工”復(fù)合材料和鋁的持續(xù)趨勢(shì)， Fokker Aerospace 公司研發(fā)主管 Arnt Offringa 說道，至少在小型飛機(jī)制造中是這樣。 57陽山書屋58陽山書屋我國航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)展史 1975年（開創(chuàng)階段）320廠 625所 623所我國第一個(gè)先進(jìn)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件J12進(jìn)氣道壁板1977年12月28日首飛59陽山書屋我國航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)展史 19811990年結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究發(fā)展的第一階段，特點(diǎn)是：與

21、國外的發(fā)展過程一樣，以“等代設(shè)計(jì)”作為起點(diǎn)，選用以剛度設(shè)計(jì)為主的飛機(jī)部件如垂尾和前機(jī)身為設(shè)計(jì)研制對(duì)象，作為預(yù)研項(xiàng)目，包括Q5和J8-II的垂尾、Q5前機(jī)身，其他還有J7垂尾等60陽山書屋我國航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)展史19811990年從1985年起開始轉(zhuǎn)入以帶整體油箱機(jī)翼蒙皮為代表的主承力結(jié)構(gòu)等代設(shè)計(jì)、新機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和以Y7垂尾為代表，以通過適航作為目標(biāo)的民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等待設(shè)計(jì)。由于基礎(chǔ)差，上述項(xiàng)目的進(jìn)展比較緩慢，困難重重；使用的材料體系：碳/環(huán)氧樹脂，如T300/4211（即648）環(huán)氧樹脂，T300/LWR-1等，由于可以從國外非正常渠道進(jìn)口T300碳纖維，國產(chǎn)碳纖維退出了航空結(jié)構(gòu)；開

22、始Z9復(fù)合材料國產(chǎn)化（主要是中溫和高溫環(huán)氧樹脂基體和與T300復(fù)合的材料體系）和軍機(jī)結(jié)構(gòu)用耐高溫雙馬樹脂和與T300復(fù)合的復(fù)合材料體系研制；設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證以靜強(qiáng)度為主，仿照金屬結(jié)構(gòu)僅進(jìn)行了少量的疲勞和損傷容限驗(yàn)證，設(shè)計(jì)用參數(shù)基本上照抄國外數(shù)據(jù)；開始進(jìn)行以沖擊損傷為重點(diǎn)的損傷容限設(shè)計(jì)研究；61陽山書屋我國航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)展史 19811990年成果代表： 復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊(cè)62陽山書屋我國航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)展史 19912000年結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究發(fā)展的第二階段，特點(diǎn)是：研制方法由“等代設(shè)計(jì)”逐步過渡為“新機(jī)設(shè)計(jì)”；研制對(duì)象由以剛度設(shè)計(jì)為主的垂尾級(jí)飛機(jī)部件變?yōu)橐詮?qiáng)度設(shè)計(jì)為主的機(jī)翼和鴨翼級(jí)的主承力部件

23、，由軍機(jī)部件發(fā)展到需考慮與國際接軌要進(jìn)行適航審定的民機(jī)部件；由飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件推廣應(yīng)用到以外涵道為代表的發(fā)動(dòng)機(jī)冷端結(jié)構(gòu)部件；復(fù)合材料飛機(jī)部件不是僅停留在預(yù)研階段，有大批復(fù)合材料部件研制成功，已裝備或即將裝備在投入使用的航空結(jié)構(gòu)中；采用的復(fù)合材料體系已與國際接軌，除了改性碳/環(huán)氧樹脂外，在軍機(jī)上普遍采用碳/雙馬樹脂如T300/QY8911和T300/5405，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件上已有自行研制的碳/聚酰亞胺T300/BMP316和T300/KH304等；已遵從已頒布的軍機(jī)標(biāo)準(zhǔn)（包括航標(biāo)），充分考慮飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性要求，能從設(shè)計(jì)開始即按靜強(qiáng)度、剛度、耐久性和損傷容限要求，對(duì)研制的復(fù)合材料部件進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證。63陽山書屋我國航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)展史19912000年成果代表復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)64陽山書屋我國航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)展史 19912000年復(fù)合材料連接手冊(cè)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)