發(fā)布時(shí)間：2012-10-18 11:08:16
復(fù)合材料因其優(yōu)越的可設(shè)計(jì)性、抗疲勞、抗腐蝕以及較高的減重效率，已經(jīng)成為目前各種先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的必選材料。復(fù)合材料在國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)上的應(yīng)用比例逐年提高，波音787飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用比例已經(jīng)超過(guò)50%，空客從A310的5% 復(fù)合材料到A380的25%，最新研制的A350XWB已經(jīng)超越波音787的復(fù)合材料用量，達(dá)到53%。
復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用遵循由小到大、由簡(jiǎn)到繁、從次承力結(jié)構(gòu)到主承力結(jié)構(gòu)的規(guī)律，機(jī)翼作為飛機(jī)主承力構(gòu)件，由于其結(jié)構(gòu)尺寸大、受力復(fù)雜等原因，也是先在小型飛機(jī)和軍用飛機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中積累了大量的設(shè)計(jì)、成型、使用和維護(hù)等工程經(jīng)驗(yàn)后，才逐步在大飛機(jī)上展開應(yīng)用。本文結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外大飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼的研制現(xiàn)狀，主要對(duì)大飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼的結(jié)構(gòu)形式、選材、成型工藝以及先進(jìn)的成型技術(shù)進(jìn)行分析匯總，以期為國(guó)內(nèi)大飛機(jī)的研制提供借鑒意義。
復(fù)合材料機(jī)翼設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)形式
設(shè)計(jì)是復(fù)合材料的基礎(chǔ)，先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和思路對(duì)后續(xù)的復(fù)合材料研制至關(guān)重要，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以更好地發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮更好的結(jié)構(gòu)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
目前，國(guó)外大飛機(jī)機(jī)翼多采用全復(fù)合材料整體壁板，翼盒結(jié)構(gòu)布局為雙梁多肋結(jié)構(gòu)型式，機(jī)翼壁板采用復(fù)合材料蒙皮加筋結(jié)構(gòu)形式， 筋條采用“T”形和“工”字型等形式?？湛虯350XWB機(jī)翼長(zhǎng)約35m，壁板采用是“T”形加筋形式（見(jiàn)圖1），波音787機(jī)翼壁板采用“工”字型加筋形式?？湛秃筒ㄒ粼跈C(jī)翼壁板口框的設(shè)計(jì)上稍有區(qū)別，空客采用的是單排連續(xù)排列形式，波音采用的是雙排分段連續(xù)排列形式。
機(jī)翼壁板選材
復(fù)合材料材料體系的發(fā)展推動(dòng)著復(fù)合材料在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，同時(shí)先進(jìn)的飛機(jī)設(shè)計(jì)理念及更高性能的結(jié)構(gòu)要求又促進(jìn)材料體系的發(fā)展改進(jìn)。
第1代復(fù)合材料呈現(xiàn)脆性材料性能特征，層合板對(duì)橫向載荷（如沖擊載荷） 引起的沿厚度方向的損傷，特別是分層損傷敏感，并不適用機(jī)翼等主承力構(gòu)件。為此, 波音開發(fā)了增韌環(huán)氧樹脂基體和改進(jìn)結(jié)構(gòu)損傷容限特性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并提出采用沖擊后壓縮強(qiáng)度CAI作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]。
1982年波音公司提出了新的復(fù)合材料預(yù)浸料標(biāo)準(zhǔn)BMS82276，概述了主承力結(jié)構(gòu)復(fù)合材料性能目標(biāo)，根據(jù)新規(guī)范要求，波音公司提出改進(jìn)碳纖維性能，要求碳纖維拉伸彈性模量提高30%、拉伸強(qiáng)度提高50%, 同時(shí)，開發(fā)高抗分層能力的韌性樹脂基體，欲將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用應(yīng)變由第1代復(fù)合材料的0.3%~0.4% 提高到0.6%~0.8%，以使新一代復(fù)合材料適合民機(jī)主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用。1989 年中模量、高強(qiáng)度型碳纖維T800 達(dá)到波音公司碳纖維材料標(biāo)準(zhǔn)BMS9217要求，并與同期研發(fā)的180℃固化（使用溫度80~100℃） 韌性環(huán)氧樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料（如T800H/ 3900-2）達(dá)到波音公司材料標(biāo)準(zhǔn)BMS82276要求。并在波音777尾翼蒙皮、桁條、翼梁和地板梁上得到了應(yīng)用驗(yàn)證。
從標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維（T300 級(jí)）到現(xiàn)在的高強(qiáng)中模（T800 級(jí)），以及與之相匹配的改性高韌性環(huán)氧樹脂，材料的發(fā)展極大地促進(jìn)了復(fù)合材料在飛機(jī)各種結(jié)構(gòu)上的廣泛應(yīng)用。
復(fù)合材料機(jī)翼的成型
復(fù)合材料設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，成型是關(guān)鍵。成型技術(shù)和設(shè)備是成型復(fù)合材料的重點(diǎn)，隨著復(fù)合材料在飛機(jī)上的廣泛使用，各種相對(duì)應(yīng)的先進(jìn)成型技術(shù)也迅速發(fā)展，先進(jìn)的預(yù)浸料制備技術(shù)、自動(dòng)鋪帶（絲）技術(shù)及設(shè)備、激光投影、激光跟蹤儀以及工裝設(shè)計(jì)和加工等都為復(fù)合材料的成型提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1 機(jī)翼壁板成型工藝
目前，大尺寸加筋壁板成型工藝常見(jiàn)有以下4 種：
（1）二次膠接（長(zhǎng)桁和蒙皮分別固化，然后組裝二次膠接）；
（2）共固化（蒙皮與長(zhǎng)桁分別鋪疊預(yù)成型，再組裝膠接共固化）；
（3）膠接共固化（長(zhǎng)桁先固化，再與預(yù)成型蒙皮膠接共固化）；
（4）膠接共固化（蒙皮先固化，再與預(yù)成型長(zhǎng)桁膠接共固化）。
3種成型工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，在選擇成型方式時(shí)必須結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式、外形尺寸和設(shè)計(jì)使用要求等確定適合的成型方式。
大尺寸機(jī)翼復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)的成型目前普遍選擇膠接共固化工藝，相對(duì)于二次膠接，膠接共固化有較好的膠接質(zhì)量，節(jié)省了一次熱壓罐的使用，成型效率較高。相對(duì)于共固化，膠接共固化模具結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，工裝設(shè)計(jì)加工成本低。
波音787復(fù)合材料機(jī)翼長(zhǎng)30m,其復(fù)合材料機(jī)翼壁板成型選用膠接共固化成型方式，筋條先固化，再和蒙皮定位組裝后進(jìn)行膠接固化。
空客在機(jī)翼壁板結(jié)構(gòu)上同樣采用膠接共固化成型方式，A400M（見(jiàn)圖2）和A350XWB（見(jiàn)圖3）復(fù)合材料機(jī)翼采用長(zhǎng)桁先固化，再和蒙皮膠接共固化的成型方式。采用膠接共固化成型方式，可以保證長(zhǎng)桁的成型質(zhì)量和加工精度，長(zhǎng)桁在和預(yù)成型蒙皮膠接共固化時(shí)膠接質(zhì)量較易保證，長(zhǎng)桁定位方便，工裝成本低。
2 機(jī)翼自動(dòng)鋪帶成型技術(shù)
隨著復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用比例的逐步增大，復(fù)合材料構(gòu)件的尺寸也隨著增加，傳統(tǒng)的手工鋪疊等方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大尺寸結(jié)構(gòu)件研制生產(chǎn)的需要。當(dāng)復(fù)合材料零件的尺寸較大時(shí)，人工鋪疊難度相應(yīng)增大、成型效率低、產(chǎn)品質(zhì)量也難以保證，因此，相應(yīng)的自動(dòng)鋪帶技術(shù)（Automated Tape Laying，ATL）和纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)（Automated Fiber Placement，AFP）等自動(dòng)化制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
自動(dòng)鋪帶效率可達(dá)20kg/h，而傳統(tǒng)手工鋪疊，即使是熟練操作工鋪疊效率一般也只有1.5kg/h[2]，因此自動(dòng)鋪帶技術(shù)從誕生后就飛速發(fā)展，目前在美國(guó)和歐洲已經(jīng)非常成熟，并大規(guī)模應(yīng)用于航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造。從20 世紀(jì)80 年代至今，美國(guó)采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)生產(chǎn)B1、B2 轟炸機(jī)的機(jī)翼蒙皮，F(xiàn)-22 戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼蒙皮，波音777 飛機(jī)機(jī)翼、水平和垂直安定面蒙皮，C-17 運(yùn)輸機(jī)的水平安定面蒙皮，波音787 機(jī)翼蒙皮等。歐洲采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)生產(chǎn)A330 和A340 水平安定面蒙皮，A340 尾翼蒙皮，A380 的機(jī)翼蒙皮和安定面蒙皮，A350 機(jī)翼蒙皮（見(jiàn)圖4）和中央翼盒，A400M 機(jī)翼蒙皮和機(jī)翼大梁等。
目前較為先進(jìn)的鋪帶機(jī)是法國(guó)Forest-Line 公司的“大力神”雙頭自動(dòng)鋪帶機(jī)。該機(jī)的特點(diǎn)是有兩個(gè)機(jī)頭進(jìn)行鋪帶, 一個(gè)用繞在線軸上的無(wú)緯帶鋪帶, 另一個(gè)用預(yù)先切割的材料, 可快速進(jìn)行復(fù)雜形狀的鋪疊。
3 翼梁成型
翼梁由于結(jié)構(gòu)尺寸大、變截面多和鋪層復(fù)雜，采用傳統(tǒng)手工鋪疊成型效率低下。鑒于此，國(guó)外開發(fā)出了成型效率較高的熱隔膜成型技術(shù)（Hot Drape Forming ，HDF）。
A400M 前后梁均長(zhǎng)19m，其中前梁由分別長(zhǎng)7m 和12m 的內(nèi)外段前梁連接而成，后梁由分別長(zhǎng)14m和5m 的內(nèi)外段后梁連接而成。用自動(dòng)鋪疊設(shè)備將翼梁鋪成平板，大在地提高了鋪疊效率，用熱隔膜成型設(shè)備預(yù)成型出”C”梁，再將其放置在殷瓦鋼模具中固化。材料選用Cytec公司較為適合熱隔膜成型技術(shù)[2] 的977-2 環(huán)氧樹脂（二代改性環(huán)氧樹脂，IM7/977-2 的CAI 值260~298MPa）。
由于熱隔膜成型技術(shù)對(duì)材料體系有特殊的要求，進(jìn)而限制了新型材料體系在翼梁結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，因此A350 翼梁舍棄熱隔膜成型技術(shù)，而采用自動(dòng)鋪絲技術(shù)。
A350 復(fù)合材料翼梁在筒形工裝上用自動(dòng)鋪絲機(jī)進(jìn)行鋪疊，固化后切為兩件C 形梁，提高了鋪疊效率和精度，相對(duì)于熱隔膜成型降低了翼梁R角區(qū)的缺陷率。材料選用三代增韌的M21E/IMA 預(yù)浸料，M21E/IMA 是T800/M21 的改型，CAI 值接近T800S/3900-2（T800S /3900-2 的沖擊后壓縮強(qiáng)度CAI 達(dá)到315~345MPa）。
4 熱壓罐智能控制技術(shù)
熱壓罐成型是目前大型復(fù)合材料構(gòu)件主要成型手段，針對(duì)大尺寸構(gòu)件固化過(guò)程中溫度場(chǎng)不均勻、溫差大等現(xiàn)象，國(guó)外開發(fā)出超大尺寸的熱壓罐系統(tǒng)和先進(jìn)的熱壓罐空氣循環(huán)系統(tǒng)，圖5所示為三菱重工新型熱壓罐。
該系統(tǒng)將熱壓罐分為3個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)有3個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的氣流控制單元，所有氣流控制單元由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可根據(jù)不同區(qū)域的溫度進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整，能有效降低大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件成型過(guò)程中的溫差，降低單位重量復(fù)合材料構(gòu)件的能耗，且有利于保證復(fù)合材料構(gòu)件的成型質(zhì)量。
Ashida Mfg. Co. Ltd 和Hiroshima Ryoju Engineering Co. Ltd 設(shè)計(jì)研發(fā)出全球最大的先進(jìn)空氣循環(huán)系統(tǒng)熱壓罐，該熱壓罐有效內(nèi)徑8m，長(zhǎng)40m，重700t，可滿足30m 長(zhǎng)復(fù)合材料機(jī)翼的成型。三菱重工用這套熱壓罐系統(tǒng)為波音787 生產(chǎn)復(fù)合材料機(jī)翼。
5 新型雷擊防護(hù)技術(shù)
復(fù)合材料正逐漸取代鋁合金成為飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，但它的導(dǎo)電性很差，因此不進(jìn)行保護(hù)的話，在雷擊時(shí)比一般金屬結(jié)構(gòu)損傷要嚴(yán)重得多。此外，復(fù)合材料導(dǎo)致大量的電流進(jìn)入機(jī)載系統(tǒng)，不能為機(jī)內(nèi)電氣系統(tǒng)提供足夠的雷電防護(hù)。
目前使用較為普遍的是表面火焰噴涂鋁和復(fù)合材料固化時(shí)表面覆蓋銅網(wǎng)或者鋁網(wǎng)。典型的即為波音787，它機(jī)翼表面主要采用“全屏蔽”方案，即在復(fù)合材料機(jī)翼表面鋪放銅網(wǎng)，但又使得使飛機(jī)增重，僅電防護(hù)裝置就增重達(dá)1t。
鑒于此，空客A350XWB 采用多功能電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，拋棄了傳統(tǒng)的銅網(wǎng)屏蔽方案而代之以銅帶方案，用金屬條帶代替一般回流用的電纜，另外在靠近機(jī)載設(shè)備、座椅滑軌、復(fù)合材料框架等處安裝金屬型材及條帶，這樣做的效果是減輕屏蔽裝置的重量，提高效率?？湛凸疽延?063 鋁合金條帶做了模擬試驗(yàn)，取得良好效果，可保證設(shè)備電流的回流、導(dǎo)體的所有部位處于同一電位、雷擊感生電流的引出等，保持電的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)與金屬機(jī)身等同的電網(wǎng)絡(luò)。
復(fù)合材料機(jī)翼加工、無(wú)損檢測(cè)
1 復(fù)合材料高壓水切削
復(fù)合材料制件成型后，需進(jìn)行機(jī)械加工，復(fù)合材料屬脆性各向異性材料，常規(guī)加工方法不能滿足大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料加工質(zhì)量要求。傳統(tǒng)切割方式在加工纖維材料時(shí)具有切割速度慢、效率低、切割精度難以保證、易發(fā)生分層破壞等缺點(diǎn)；在切割高韌性材料時(shí)，刀具和鉆頭等磨損快、損耗大。因此要求復(fù)合材料生產(chǎn)需配備大型自動(dòng)化高壓水切割機(jī)、超聲切割設(shè)備和數(shù)控自動(dòng)化鉆孔系統(tǒng)等專用設(shè)備，以滿足復(fù)合材料制件經(jīng)加工后無(wú)分層磨損且符合裝配尺寸精度的要求。
機(jī)翼蒙皮一般采用大型高壓水切割機(jī)進(jìn)行切割，目前世界上最大切割機(jī)的床身為36m×6.5m，由Flow International 公司制造。這種磨粒噴水切割機(jī)可以快速切割厚的層合板而不致產(chǎn)生層合板過(guò)熱，25mm 厚的層合板可以0.67m/min 速度切割，對(duì)6mm 薄的層合板，切割速度可以高達(dá)3m/min，厚的蒙皮可以0.39m/min速度切割[3]。
2 大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件精確加工
大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件的精確加工也是復(fù)合材料加工的難點(diǎn)，因?yàn)楣ぜ蜋C(jī)床床身之間的熱膨脹系數(shù)不同，機(jī)床床身是鋼制的，熱膨脹系數(shù)高（12×10-6/℃），而碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)接近于0。
保證梁的長(zhǎng)度不變的傳統(tǒng)方法是將機(jī)床放在空調(diào)室內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。但其設(shè)備投資大、效率低，對(duì)此GKN 與某大學(xué)合作開發(fā)了一個(gè)軟件，該軟件可對(duì)機(jī)床床身溫度、工件的環(huán)境進(jìn)行傳感，然后對(duì)軟件發(fā)給切削頭的指令進(jìn)行修正，這樣可以消除兩者的溫差帶來(lái)的影響，使機(jī)床實(shí)現(xiàn)工件所需的精度。由于這種方案可使切削加工不必在專門的空調(diào)環(huán)境中進(jìn)行，不僅減少了部分固定資產(chǎn)的投資，也降低了能耗，該技術(shù)在A400M 翼梁的加工上成功應(yīng)用。
3 復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)（NDT）
由于復(fù)合材料機(jī)翼構(gòu)件尺寸大，結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜，采用普通超聲掃描設(shè)備很難滿足其無(wú)損檢測(cè)需要，因此需要配置大型超聲C 掃描設(shè)備，從而提高檢測(cè)效率和檢測(cè)精度。
英國(guó)超聲波科學(xué)有限公司（USL）為英國(guó)宇航系統(tǒng)公司提供的17軸全自動(dòng)超聲C 掃描檢測(cè)系統(tǒng)能夠在0.5m/s 的掃描速度下，檢測(cè)出復(fù)合材料約4mm×4mm 的制造缺陷，并且擁有最高可達(dá)2μm 的分辨率，最高可重復(fù)性亦可達(dá)5μm，能夠準(zhǔn)確標(biāo)注缺陷位置，提高了定量檢測(cè)缺陷的能力以及定量分析的精度。
結(jié)束語(yǔ)
國(guó)外通過(guò)幾十年復(fù)合材料的研制應(yīng)用，復(fù)合材料在各種機(jī)型上的應(yīng)用比例逐步提高，形成了相對(duì)成熟的設(shè)計(jì)理念和方法，相應(yīng)地開發(fā)出各種先進(jìn)的成型工藝、設(shè)備、檢測(cè)方法和高效的裝配工藝等，這都為國(guó)內(nèi)研發(fā)復(fù)合材料機(jī)翼提供了大量可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
一流的企業(yè)做標(biāo)準(zhǔn)，二流的企業(yè)做品牌，三流的企業(yè)做技術(shù)，四流的企業(yè)做產(chǎn)品。在注重復(fù)合材料設(shè)計(jì)、成型和設(shè)備等開發(fā)的同時(shí)，積極制定民機(jī)復(fù)合材料研制的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范更是重中之重，只有有組織地統(tǒng)一制訂標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，才能將復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和成型文件化、規(guī)范化，形成統(tǒng)一的指南，為國(guó)內(nèi)復(fù)合材料研制奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（責(zé)編 小城）
