复合材料在飞机上应用的发展趋势

2010-07-15 08:54:20 编辑:梁雪飞 来源:慧聪网

核心提示:从国外情况看,各种先进的飞机都与复合材料的应用密不可分,复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。下面介绍复合材料在飞机上应用的发展趋势。

    1复合材料在飞机上的用量日益增多

    复合材料用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比表示,纵观复合材料在民机上的发展情况发现,无论是波音公司还是空中客车公司,随着时间推移,复合材料的用量都呈增长趋势。最具代表意义的是空客公司的A380客机和波音公司最新推出的787客机。在A380上仅碳纤维复合材料的用量就达32t左右,占结构总重的15%,再加上其他种类的复合材料,估计其总用量可达25%左右。787上复合材料用量可达50%,远远超过了A380。另外,复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势。

    2应用部位由次承力结构向主承力结构过渡

    飞机上最初采用复合材料的部位有舱门、整流罩、安定面等次承力结构,目前已广泛应用于机翼、机身等部位,向主承力结构过渡。从1982年开始用复合材料制造飞行操纵面(如A310-200飞机的升降舵和方向舵),空客公司在主承力结构上使用复合材料已有20多年的经验。在A380上采用的碳纤维复合材料大型构件主要有中央翼盒、翼肋、机身上蒙皮壁板、机身后段、机身尾段、地板梁、后承压框、垂尾等,大量的主承力结构都采用了复合材料。787复合材料的应用则更让世人瞩目,其机身和机翼部位采用碳纤维增强层合板结构代替铝合金;发动机短舱、水平尾翼和垂直尾翼、舵面、翼尖等部位采用碳纤维增强夹芯板结构;机身与机翼衔接处的整流蒙皮采用玻璃纤维增强复合材料。与A380相比其用量更大,主承载部位的应用更加广泛,这是世界上采用复合材料最多的大型商用喷气客机。

    3复合材料在复杂曲面构件上的应用越来越多

    飞机上复杂曲面零件很多,复合材料的应用也越来越多,比如A380机身19段、19.1段和球面后压力隔框等均为采用复合材料的具有复杂曲面的大尺寸受力组件,分别采用纤维铺放技术和树脂膜渗透(RFI)工艺制造。在大型复杂曲面构件上应用复合材料最典型的例子,当属洛克希德·马丁公司在JSF项目中的复合材料进气道。采用纤维铺放技术制造的JSF进气道,通道截面沿S形轴线由矩形向圆形过渡,同时直径逐渐变小,形状非常复杂。该进气道由4部分碳-环氧复合材料结构组成,采用夹芯结构增强刚度,实现减重并降低了成本。

 

 

 在复杂曲面轮廓上应用复合材料存在潜在的制造变形问题,与铺层边界吻合的复杂曲面的铺层展开形状难以确定,更严重的是铺层甚至无法展开,在设计制造方面具有很大的难度,该类零件的设计具有挑战性。

    4构件向整体成型、共固化方向发展

    飞机上大量采用复合材料的一个主要目的就是减重,而复合材料构件的共固化、整体成型能够成型大型整体部件,可以明显减少零件、紧固件和模具的数量。减少装配是复合材料结构减重的重要措施,也是降低成本的有效方法。

    构件整体成型最有代表性的例子是PremieI商务机采用纤维铺放技术制造的整体成型机身结构。该机身厚度为20.6mm,采用碳纤维增强复合材料作为面板的蜂窝夹层结构,消除了传统铝制机身中需要的桁条和框架,由此比相同尺寸的飞机增加了33%的客舱空间,并带来了25%的减重。PremieI商务机的机身只有两个整体成型的部件构成,整个机身质量小于273kg,而同样大小的铝合金机身结构将包括加强筋、框架、舱壁、外蒙皮等,零部件数目超过3000个,质量至少为454kg。零部件数目的减少在很大程度上缩短了生产周期,减少了在制造和装配部件过程中的工时,从而大幅度降低成本。然而,当越来越多的功能被集成到单一部件中时,复杂程度大大增加,使设计和制造具有更大难度,需要设计的创新以及制造集成零件的先进技术来保证。

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