复合材料及其在飞机结构中的应用（凤山书屋）

1、复合材料及其在飞机结构中的应用1阳山书屋概 述先进复合材料是20世纪60年代崛起的一种新材料与铝合金、钛合金、合金钢一起成为航空航天的四大结构材料2阳山书屋概 述 飞机结构设计的研究和发展一直与采用性能优越的新材料密切相关。20世纪30年代铝合金的问世，取代了帆布和木材，曾给飞机结构设计带来了一次革命性的飞跃。今天，先进复合材料的应用，同样引起了一场飞机结构设计上的重大技术变革。3阳山书屋概 述 先进复合材料具有比强度和比刚度高、性能可设计和易于整体成形等许多优异特性，将其用于飞机结构上，可比常规的金属结构减重25%30%，并可明显改善飞机气动弹性特性，提高飞行性能。4阳山书屋概 述 先进复合

2、材料的广泛应用还可进一步推进隐身和智能结构设计技术的发展，因此，先进复合材料在飞机上应用的部位和用量的多少现已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。 5阳山书屋复合材料的应用概况 从20世纪40年代 玻璃/环氧树脂复合材料 操纵面、整流罩和雷达罩等零部件。直升机旋翼桨叶。刚度，特别是对高速飞机来说，是一个和强度同样重要的设计要求。6阳山书屋Advanced CompositeApplicationCC22643019.pptF-4 Phantom IIBoron EpoxyRudder7阳山书屋Boron/Epoxy RudderCC22643020.pptF-4 Phantom II8阳山书

3、屋CC22643020.ppt 上世纪60年代复合材料最初的应用是Boron/epoxy 的F-14的水平安定面蒙皮和F-15水平与垂直安定面蒙皮。 第一个Carbon/Epoxy 在军机上的应用是F-15 的减速板，占结构重量的2%。9阳山书屋CC22643020.ppt10阳山书屋CC22643020.ppt 上世纪70年研制的 F/A-18A/B ，采用了Carbon/3501-5复合材料机翼、控制面、垂尾和机身蒙皮，占结构重量的12%。 在上世纪70年代后期研制了AV-8B，当时使用复合材料的动力是追求性能和减重，复合材料用量占结构重量的28%，主要的材料是 Carbon/3501-6

4、 epoxy ，用于机翼蒙皮、控制面、前机身蒙皮前中央机身蒙皮，并开始用于机翼、控制面和机身骨架，在受热零件上使用了BMI。11阳山书屋CC22643020.ppt 在上世纪80年代复合材料在飞机结构上增加应用的目的是隐身，在此期间研制的F-117和B2，复合材料用量占结构重量的40%，主要使用Carbon/epoxy，以及一些特殊的树脂和增强体。 上世纪90年代复合材料在军机上的用量有所降低 (F/A-18E/F 和 F-22 的用量为22-26%)， 这是由于从追求减重（性能）变为要考虑成本因素，以及从前面应用得到的经验教训。 12阳山书屋CC22643020.ppt13阳山书屋B2轰炸机

5、复合材料38%远程轰炸机14阳山书屋15阳山书屋RTM整体尾翼CoRTM整体进气道进气道纤维铺放Z-pin X-Cor设备大型整体机翼蒙皮三维编织型加筋型连接前机身整体结构F-35战斗机复合材料用量36%16阳山书屋A400M复合材料应用部位大型军用运输机17阳山书屋复合材料在飞机结构中的应用直升机上复合材料的用量已达结构重量的60%80%，如美国的武装直升机RAH-66，其复合材料用量达结构重量的50%以上。美国的垂直起落、倾转旋翼后又可高速巡航的V-22“鱼鹰”，几乎是一个全复合材料飞机。世界上已有许多小型的全复合材料飞机问世，其中著名的“星舟一号”客货两用机已通过适航鉴定；举世闻名的“旅

6、游者”曾创下不加油、不着陆，连续9天环球飞行的世界纪录。 18阳山书屋直升机材料的发展 型号H-34CH-53EUH-60AS-76RAH-66技术水平50年代60年代70年代80年代90年代金属材料87%85%72%59%22%复合材料-5%12%18%50%其他材料13%10%16%23%28%19阳山书屋EC135复合材料应用20阳山书屋V-22复合材料40%21阳山书屋CC22643020.ppt 民机复合材料在结构中应用长期以来主要是尾翼级结构，主要原因是如何突破低成本技术。本世纪中，随着A380，Boeing787和A350在机翼和机身结构中大量应用复合材料，标志着低成本复合材料技

7、术已有了突破，进入了新纪元，民机结构的复合材料用量得到了大幅度增加。 22阳山书屋将复合材料应用到飞机的次承力构件美国：ACEE计划（19761986）成果复合材料应用于DC-10方向舵、L-1011副翼、波音727升降舵等部件23阳山书屋美国：ACT计划（19881997）针对复合材料在飞机机翼及机身上的主承力结构部件突破高损伤容限复合材料主结构设计、制造和应用的关键技术，降低成本为运输类飞机机翼、机身大量应用复合材料提供技术支持降低生产成本20%30%提供材料和结构性能预测的科学依据使飞机结构减重30%24阳山书屋美国：ACT计划（19881997）成果C-130大型运输机复合材料中央翼盒

8、复合材料广泛应用于F-22主承力结构件长达12.8米的缝合复合材料大型客机机翼试验盒段25阳山书屋美国：AST计划（19922002）进一步扩大复合材料在主承力构件的应用范围研究目标完成全尺寸复合材料机翼盒段的设计和地面试验验证为大型客机飞机复合材料机翼复合材料结构应用提高技术储备采用VARTM-PB工艺制造的机翼壁板先进的缝纫设备26阳山书屋美国：AST计划（19922002）MD-90-40X飞机机翼作为缝合复合材料机翼的基准平台建立材料的基本性能数据库和结构设计许用值设计和制造技术得到评估分析了结构性能与成本的综合效能27阳山书屋美国：CAI计划（19962006）实现高效能设计和低成本

9、制造技术的飞跃目的开发高精度结构设计、分析和制造工艺模拟及成本控制分析工具实现在高效、低成本复合材料结构技术上的突破，达到综合成本下降50 %的指标28阳山书屋美国：CAI计划（19962006）进气道纤维铺放Z-pin X-Cor设备大型整体机翼蒙皮三维编织型加筋型连接前机身整体结构RTM整体尾翼波音787采用了多项研究成果成果29阳山书屋AADP (Aircraft Aging & Durability Project)飞机老化&耐久性工程计划指出：由于缺乏对材料蜕变、损伤演化和疲劳等内在物理机制的理解，不能有效预测服役环境下结构可靠性。导致复合材料部件设计依赖经验和安全系数过大等方法开展

10、性能演化和疲劳机理研究，为结构可靠性奠定基础Workforce by Challenge Problem主要包括感知诊断、损伤演化、无损检测、多学科交叉及综合评价系统等内容美国：AvSP 航空安全专项（2007-2016 ）30阳山书屋新一代大型客机复合材料应用现状31阳山书屋干线客机各种材料结构重量百分比（%）材料结构重量百分比（%）机型32阳山书屋 复合材料在国外先进军用飞机上的应用水平在上世纪末产生飞跃。 更值得注意的是，进入二十一世纪，这种飞跃同时出现在对结构可靠性和经济可承受性具有苛刻要求的大型民用飞机上。33阳山书屋A380更安全、更经济、更舒适、更环保每座油耗比747-400降低

11、17%每座DOC比747-400降低20%更低的维护费用“庞然大物”最大起飞重量：560吨三舱布局载客：555人最大航程：15000公里轻质高性能材料与结构在主要承力构件上采用复合材料34阳山书屋A380复合材料应用情况后压力隔框中央翼盒J-型热塑性复合材料固定前缘上层客舱地板梁水平安定面垂直安定面非承压后机身翼肋、机翼后缘操纵面GLARE机身上壁板复合材料25%铝合金61%钛合金10%35阳山书屋36阳山书屋大量采用复合材料舷窗的抗裂纹扩展性能维护性能舒适性大修时间A330波音7876年12年37阳山书屋波音787的竞争机型A350波音787座位数（3级布局）设计航程（海里）最大空重/座轮档

12、燃油/座现金使用成本/座目前所获订单（架）2708300基准基准基准3622427900+2%+6%+8%90038阳山书屋迫于商业竞争压力不断修改设计方案，提高复合材料用量200420062006年底拟定复合材料用量增加到45称为“A350XWB”方案复合材料用量飙升到52碳纤维复合材料用量约为40A35039阳山书屋A350复合材料应用情况选材特点继承和发展A380选材方案大幅提高复合材料应用水平40阳山书屋最新公布的A350XWB各类材料分布41阳山书屋CC22643020.ppt 低成本的解决途径 原材料大丝束 加工工艺RTM，RFI，VARTM，低温固化，非热压罐工艺等制造自动化AT

13、L，AFP（提高工效和降低废品率）设计技术整体化（利用共固化和共胶接技术，减少零件数和装配工时）降低维护成本和提高出勤率利用优良的抗疲劳和耐腐蚀性能42阳山书屋总成本材料和制造50%紧固件和装配50%制造成本铺贴(46%)铺层切割(8%)NDI(15%)修边(6%)装袋与固化(13%)模具(12%)降低成本的潜力43阳山书屋CC22643020.ppt制造方法 低成本高质量的铺贴 (特别是大型复合材料制件) 和高精度可重现的复合材料制件。自动铺带机（ATP）自动丝束铺放（AFP）RTM VARTM RFI降低成本的途径44阳山书屋AdvantagesAutomated Tape LayingD

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

15、hat Slow46阳山书屋Resin Transfer MoldingAdvantages Complex Structures Near Net Molding Excellent SurfacesDisadvantages High Tooling Costs Preform Costs47阳山书屋Resin Transfer Molded Part Complexity48阳山书屋CC22643020.ppt设计技术采用共固化、共胶接等形成的整体化结构 降低成本的途径49阳山书屋Pressure Application- Integrally Cocured Structure50阳山

16、书屋 C-17的水平安定面于1994年重新设计，从第51架C-17开始，由原来的7150-T77合金改成金属与AS4/环氧的混合结构，使复合材料用于次承力结构，减重20%（213kg），零件减少90%（2000个），紧固件减少80%（42000个），工装减少70%，成本降低50%。51阳山书屋50%Cost Reduction20%Weight ReductionC-17 Composite Horizontal Stabilator52阳山书屋December 15 2009低成本复合材料技术已进入工程化应用的标志53阳山书屋复合材料用量增加带来的效益复合材料机翼、机身降低制造成本20%54

17、阳山书屋复合材料技术的发展已经解决了应用中的瓶颈问题，复合材料的大量应用成为新一代大型客机的重要标志空客A350结构方案几经修改，大幅提高复合材料用量的事实，表明复合材料应用对新一代大型客机市场竞争具有重要作用波音787飞机和空客A350飞机结构复合材料应用的历史性突破标志着大型客机结构复合材料化时代已经到来55阳山书屋热塑性复合材料发展加快热塑性复合材料G650 当前复合材料发展的趋势之一是用热塑性复合材料代替传统的热固性环氧复合材料。原因之一是热塑性复合材料可以通过简单加热、熔化及冷却成型，可以像金属一样进行焊接，在2012年服役的G650，飞机是用TenCate公司的Cetex热塑性复合

18、材料制造方向舵，在民机主承力结构上用热塑性复合材料还是相当新的。福克、湾流等公司为此获得2010年JEC航空创新奖。肋条用压力机成形，然后用机器人进行感应焊接从而取消紧固件及相关的精密钻孔工具。TenCate公司首创体积60%以上碳纤维热塑性复合材料。A380的机翼前缘用Ticona公司提供的模压成型的热塑性CFRP材料。56阳山书屋 Fokker Aerostructures 公司（荷兰）和其合作伙伴 Ticona GmbH 公司（德国）、 Ten Cate 公司 ( 荷兰 ) 及 KVE Composites Group 公司 ( 荷兰 ) 摘得了 2010JEC 航空类创新奖，他们在焊接

19、的 4 米长的方向舵及 6 米长的连续纤维增强层压结构升降舵中使用了碳纤维增强 Fortron 聚苯硫醚 (PPS) ，该方向舵和升降舵是用在 Gulfstream G650 喷气式飞机上的。 Gulfstream 公司表示，他们已经有 200 架飞机的新订单，该公司平均每年销售的飞机有 70 到 80 架。据称，复合材料的使用已消除了制作过程中的数百个铆钉，感应焊接替代了他们。 Gulfstream G650 飞机新的热塑性方向舵操纵面采用了“后弯曲”多翼肋设计，与先前环氧复合材料为芯材的操纵面相比，重量减少了 10% ，生产费用也减少了 20% 。根据 Fokker Aerostructu

20、res 公司所示，这种热塑性复合材料主要结构部件，与同等铝制或轻合金制成部件相比，重量减轻了 50% 。 这种应用标志着一个走向低成本热塑性“物理处理”解决方案，远离热固化树脂“化学加工”复合材料和铝的持续趋势， Fokker Aerospace 公司研发主管 Arnt Offringa 说道，至少在小型飞机制造中是这样。 57阳山书屋58阳山书屋我国航空复合材料结构发展史 1975年（开创阶段）320厂 625所 623所我国第一个先进复合材料飞机结构部件J12进气道壁板1977年12月28日首飞59阳山书屋我国航空复合材料结构发展史 19811990年结构强度研究发展的第一阶段，特点是：与

21、国外的发展过程一样，以“等代设计”作为起点，选用以刚度设计为主的飞机部件如垂尾和前机身为设计研制对象，作为预研项目，包括Q5和J8-II的垂尾、Q5前机身，其他还有J7垂尾等60阳山书屋我国航空复合材料结构发展史19811990年从1985年起开始转入以带整体油箱机翼蒙皮为代表的主承力结构等代设计、新机复合材料结构设计和以Y7垂尾为代表，以通过适航作为目标的民机复合材料结构等待设计。由于基础差，上述项目的进展比较缓慢，困难重重；使用的材料体系：碳/环氧树脂，如T300/4211（即648）环氧树脂，T300/LWR-1等，由于可以从国外非正常渠道进口T300碳纤维，国产碳纤维退出了航空结构；开

22、始Z9复合材料国产化（主要是中温和高温环氧树脂基体和与T300复合的材料体系）和军机结构用耐高温双马树脂和与T300复合的复合材料体系研制；设计、分析和验证以静强度为主，仿照金属结构仅进行了少量的疲劳和损伤容限验证，设计用参数基本上照抄国外数据；开始进行以冲击损伤为重点的损伤容限设计研究；61阳山书屋我国航空复合材料结构发展史 19811990年成果代表： 复合材料设计手册62阳山书屋我国航空复合材料结构发展史 19912000年结构强度研究发展的第二阶段，特点是：研制方法由“等代设计”逐步过渡为“新机设计”；研制对象由以刚度设计为主的垂尾级飞机部件变为以强度设计为主的机翼和鸭翼级的主承力部件

23、，由军机部件发展到需考虑与国际接轨要进行适航审定的民机部件；由飞机结构部件推广应用到以外涵道为代表的发动机冷端结构部件；复合材料飞机部件不是仅停留在预研阶段，有大批复合材料部件研制成功，已装备或即将装备在投入使用的航空结构中；采用的复合材料体系已与国际接轨，除了改性碳/环氧树脂外，在军机上普遍采用碳/双马树脂如T300/QY8911和T300/5405，在发动机冷端部件上已有自行研制的碳/聚酰亚胺T300/BMP316和T300/KH304等；已遵从已颁布的军机标准（包括航标），充分考虑飞机结构完整性要求，能从设计开始即按静强度、刚度、耐久性和损伤容限要求，对研制的复合材料部件进行设计、分析和验证。63阳山书屋我国航空复合材料结构发展史19912000年成果代表复合材料结构设计手册64阳山书屋我国航空复合材料结构发展史 19912000年复合材料连接手册复合材料飞机结构耐久性/损伤容限设计