飞机的复合材料及应用毕业设计论文正文

飞机的复合材料及应用毕业设计论文正文飞机的复合材料及应用摘要本重点述了ApplicationofcompositematerialsandaircraftSummaryThisarticlefocusesonthecompositionofthecompositematerialtypeperformanceandaircraftapplicationsCompositematerialiscomposedoftwoormorekindsofrawmaterialsprocessmethodscombinedintoavarietyofnewmaterialsForamodernaircrafttheapplicationofcompositematerialscorrosionresistanceandweightlosscostplaysanimportantroleLightoftheaircraftstructureminiaturizationandhighperformanceplaysavitalroleCompositematerialstructuralcharacteristicsandapplicationresultsinhigh-performancefighteraircrafttoachievestealthsupersoniccruisestallflightcontrolfront-wingaircraftthepracticalapplicationofadvancedaerodynamiclayoutKeywordCompositematerialsLaminates

目录1概述 12复合材料的探究 121复合材料的构成 122材料的分类 1com增强纤维 1com体 323复合材料的特性 4com复合材料缺陷∕损伤特性 4com料的疲劳特性 63复合材料在飞机上的应用 73．1机翼上的应用 7com功用 7com构设计要求 8com复合材料机翼特点 8com复合材料机翼结构设计要点 10com机翼翼盒结构方案 11com盒设计实例 1232整体油箱的设计 14com料油箱设计要求 14com油箱密封设计 1433机身结构设计 15com机身的功用 15com构设计要求 15com复合材料前机身结构设计原则 16com料前机身结构设计实例 16com料中机身结构设计 18结束语 20谢辞 21参考文献 221概述复合材料是由两种或两种以上的原材料通过各种工艺方法组合成的新材料它既可以保持原材料的某些特点又具有原材料所不具备的新特征并可根据需要进行设计与单一均质材料相比它具有较多的优越性复合材料飞机结构技术是以实现高结构效率和改善飞机气动弹性与隐身等综合性能为目标的高新技术对飞机结构轻质化小型化和高性能化起着至关重要的作用复合材料结构特点和应用效果在高性能战斗机实现隐身超声速巡航过失速飞行控制前翼飞机先进气动布局的实际应用以飞翼著称的B-2巨型轰炸机的隐身飞行舰载攻击∕战斗机耐腐蚀性改善和轻质化对于客机来说复合材料的应用对减重、耐腐蚀和降低成本有着重要作用如波音777和空中客车A330∕A340上的应用标志着飞机复合材料结构设计发展已经成熟我国从20世纪80年代开始将复合材料应用技术研究列入重点发展领域复合材料应用基本实现了从次承力构件到主承力构件的转变复合材料的垂直安定面、水平尾翼方向舵前机身等构件已在多种型号飞机上使用可以小批量生产带整体油箱复合材料机翼等主承力结构已装机试飞成功航空先进复合材料已进入实际应用阶段2复合材料的探究21复合材料的构成复合材料是由两种或两种以上材料独立物理相通过复合工艺组合构成的新型材料其中连续相称为基体分散相称为增强体两相彼此之间有明显的界面它既保留原组分材料的主要特点并通过复合效应获得原组分材料所不具备的性能通过材料设计可以使各组分材料的性能互相补充彼此联系从而获得优越性能22材料的分类com增强纤维增强纤维是复合材料主要组分材料之一复合材料承载主体选定纤维品种及基体的含量即可预估出复合材料沿纤维方向纵向力学性能单位体积纤维含量V结构用复合材料单向板约为60织物增强板约为40飞机结构上应用的增强纤维有碳纤维芳纶kevlar玻璃纤维和硼纤维碳纤维由于其性能好纤维类型和规格多成本适中等因素在飞机结构上应用最广芳纶性能虽然上佳但在湿热环境下性能有明显下降一般不用作飞机主承力结构多与碳纤维混杂使用玻璃纤维由于模量低仅用于次要结构整流罩舱内装饰结构但其电性能透波性适宜制作雷达罩等硼纤维因纤维直径太粗有刚性成形和加工性不好价格又十分昂贵故应用十分有限几种飞机结构上常用纤维的性能比较表2-1所示几种常用纤维性能比较纤维品种 拉伸模量GPa 拉伸强度MPa 断裂伸长率 密度g∕cm3 纤维直径um 碳纤维 T300AS4HTAT700SIM6IM7T800H 230248235230300300294 35304070360043004900510054005490 1501651518210175185190 176180176180175180181 7777555 芳纶 Kevler49Kevlerl49 130185 36203500 2620 144147 1212 S玻璃纤维 86 4500 45 249 814 硼W纤维 400 3800 10 250 100200 铝合金 70 400 5 27 钛合金 120 710 5 45 钢 200 420 5 78 增强材料的基本形式有纤维丝束编织布和针织布纤维丝束是增强材料的最基本形式纤维丝束一般以预浸渍树脂基体的按同一方向径向平行排列成的纤维束带即单向带供工艺成形结构使用为了改善单向带工艺性能将纤维丝束用少量维持纤维丝束经向排列的非承载作用的纬向纤维织成一种特殊的单向织物又称无纬布或无纺布无纬布浸渍树脂后也成为单向带其纤维增强作用效果与纤维丝束单向带基本相同但其铺覆工艺性大为改善编织布织物是由经向纤维与纬向纤维编制而成分平纹布和缎纹布见图2-2平纹布的经向与纬向纤维比例为1∶1，布形稳定，不易弯折缎纹布按经线与纬线编织时相交所间隔的纬线数目458不同的编织方式，有4综段、5综段、8综缎等缎纹布，各有各自的特点如8综缎布浸渍树脂后体现了单向带特点，且整体性好，易铺贴不同纤维混合编织物，为设计选材提供了更多的便利植物可制成预浸渍使用图2-2编织布示图a平纹布b5综缎布c8综缎布针织布是用非增强纤维机线将增强纤维编织在一起形成的织物如图2-3所示其特点是增强纤维布扭曲可有效传递载荷针织布是制作预成形件的材料不制成预浸渍图2-3针织布示图com体树脂基体是复合材料另一个主要组分材料在复合材料结构构件成形过程中树脂基体参与化学反应并固化成形为结构因此树脂基体固化工艺决定了结构件成形工艺和制作成本不同树脂体系有不同工艺参数而不同工艺方法要求不同的树脂体系树脂基体对纤维起支撑保护作用并传递载荷因此树脂基体性能直接关系到复合材料的使用温度和压缩性能横向90°性能和剪切性能包括层间剪切强度等基本性能以及耐湿热性能抗冲击损伤性能和冲击后压缩强度CAI等复合材料在飞机结构上应用的愈广对树脂基体提出的要求也就愈多愈苛刻因此树脂的品种类型将会不断增加性能不断改进图2-4树脂基体的分类图2-4树脂基体分类23复合材料的特性com复合材料缺陷∕损伤特性复合材料缺陷与损伤包括：制造缺陷使用损伤和环境损伤制造缺陷通常有两类∶一类是复合材料预浸和成型过程中产生的缺陷；另一类是机械加工组装过程中产生的缺陷典型制造缺陷有空隙、富胶、贫胶、外来夹杂、不正确的纤维取向和铺层顺序、划伤、有缺陷孔和过紧连接等典型使用损伤有∶划伤、擦伤、边缘损伤以及冲击引起的分层、脱胶、凹痕和穿透损伤等典型环境损伤有∶雷电冲击引起的表面烧蚀和分层、冰冻∕融化引起的湿膨胀和热冲击造成的分层和脱胶、加芯结构水分浸入引起的分层等损伤容限问题中主要研究孔、冲击损伤、分层3种损伤形式这3种损伤形式冲击损伤形式与冲击能量水平密切相关间图2-5高能量冲击如弹丸冲击可以对层合板造成穿透孔损伤并带有一些边缘附近的局部分层中等能量冲击虽然不产生穿透损伤但在冲击范围内造成层合板局部损伤和内部分层以及背面纤维的断裂低能量冲击在层合板表面产生难以目视检查的损伤BVID并在层合板内部形成圆锥形的分层区低能量冲击和中等能量水平的冲击可以造成层合板表面损伤相对容易检测和及时进行修理低能量冲击对层合板的损伤通常要用无损检测手段才能检测出来因而对层合板承载能力形成潜在的威胁特别是对压缩载荷冲击对层合板造成的损伤是突发性的层合板性能刚度强度与其相对应亦发生徒然下降如图26所示按目前设计需用应变水平层合板损伤的扩展将是缓慢的或基本不扩展故归入慢慢裂纹扩展范围研究如图25不同冲击能量水平造成的层合板冲击损伤破坏形式a高能量冲击损作b中等能量冲击损伤c低能量冲击损伤图26冲击事件造成的层合板性能突变示图com料的疲劳特性各向同性金属材料在疲劳载荷作用下可以观察到明显的单一主裂纹有规律的扩展而各向异性复合材料大量试验结果表明疲劳载荷作用下表现出非常复杂的破坏机理复合材料本身存在有基体开裂分层界面脱胶和纤维断裂等多种损伤形式同时复合材料对应变特别是压缩应变尤为敏感较大的施加应变将纤维与基体变形不一致引起机体开裂界而脱胶乃至分层形式疲劳源复合材料疲劳特性以应力寿命S-N[04590-45]疲劳强度的影响见图2-7[04590-45]层合板拉伸和压缩强度相等其等寿命曲线基本与R-1轴零平均应力轴对称偏略偏向拉伸一侧这说明平均应力的影响是可以忽略的或者说与拉一拉、拉一压和压一压加载方式无关而[0±30]层合板拉伸强度比压缩强度大一倍其等寿命曲线峰值整体向拉伸方向偏移这说明平均应力对[0±30]层合板疲劳寿命有显著影响 图2-7平均应力对疲劳寿命的影响温度和湿度是影响聚合物基复合材料力学性能的主要环境因素不仅使材料固有性能模量和强度恶化下降而且吸湿会降低聚合物基体的玻璃化转变温度疲劳试验结果表明80℃95RH试验条件下R01和R-1疲劳载荷情况S-N曲线比室温40RH情况下降10～20低温对疲劳寿命的影响几乎可以忽略综上所述复合材料优异的疲劳性能使复合材料结构寿命设计可采用静力覆盖疲劳设计的疲劳门槛方法3复合材料在飞机上的应用机翼采用复合材料结构是提高飞机结构效率改善飞机气动弹性飞行品质控制特性的重要技术途径之一美欧各国20世纪70年代中期以后研制的新型高性能战斗机均采用了复合材料机翼结构；前掠翼飞机的的试飞成功和飞翼隐身轰炸机的服役也充分说明了复合材料机翼的独特效能3．1机翼上的应用com功用机翼是飞机的主升力面机翼连接在机身上其主要功用是产生飞机飞行所需的升力机翼及安装其上的副翼襟翼缝翼扰流板减速板等还为飞机提供横侧稳定性操作性以及增升增阻效能机翼又可作为发动机起落架等部件的安装固定基础机翼内部空间还可利用来收藏起落架装载燃料武器设备设备仪表等内部空间小薄翼型机翼或不够用时副油箱和武器装备火箭导弹等只好挂在机翼外面成为机翼的外挂物因此机翼结构是飞机的主承力结构承受多种高载荷翼面外形复杂设计有许多特点com构设计要求机翼主承力结构的功用承受多种高载荷和复杂外形特征等因素决定机翼结构设计除应满足前面已列出的对飞机结构设计的基本要求外主要设计要求有1保证机翼外形准确表面光滑机翼的外形参数和翼型是在飞机总设计阶段确定的关系到飞机的飞行特性机翼结构设计必须首先予以保证2一般情况下翼面外翼和中翼按刚度气动弹性要求设计机翼根部按强度要求设计翼面刚度不足不仅影响机翼的气动特性和载荷分布而且还会引起颤振操纵面反效等气动弹性问题因此翼面设计多数按照刚度要求设计同时满足稳定性要求机翼根部与机身的连接区载荷集中传递又有起落架收藏大开口形成高应力区需按强度要求设计3在满足刚度强度条件下还要满足寿命要求

431EAPEF2000原型机机翼结构示图a机翼结构设计图b机翼结构立体图2机翼蒙皮壁板可进行气动弹性剪裁设计翼面气动弹性剪裁设计时复合材料机翼独特的设计技术现已实现工程化应用美国X-29前掠翼先进技术验证机19848和俄罗斯S-37金雕前掠翼战斗机19979的机翼就是按复合材料气动弹性剪裁设计制造的这项技术在其他复合材料机翼蒙皮设计中都不同程度地得到应用3设计制造一体化共固化整体成型纤维增强树脂基复合材料结构建成形与材料形成同时完成的工艺特点要求复合材料更加强调设计制造一体化共固化整体成形对复合材料机翼大型部件更强调这一点复合材料机翼结构采用紧固件连接装配工艺与采用共固化成形工艺对比列表32所示表3-2复合材料机翼结构紧固件连接装配与共固化成形比较工艺方法 复合材料制造时间 装配时间 劳动量 总成本 紧固件连接装配共固化成形节约 100638362 1004951 100654346 1007921 复合材料机翼翼盒下翼面蒙皮与辅梁墙或长桁图33复合材料机翼结构布局①内侧端②中间段③邮箱段④外端图34复合材料机翼结构剖面示图图35加强肋连接示意图图36普通肋连接示意图com盒设计实例ATP72机翼由金属材料中央翼盒和左右两个复合材料外翼翼盒构成复合材料外翼翼盒为双梁多肋加加筋蒙皮结构12号肋到23号肋为油箱见图3-7前梁后梁和带帽形加强筋的加筋蒙皮为碳环氧复合材料构件所用材料为T30091420个翼肋为金属肋复合材料构件与金属肋之间进行了电偶腐蚀防护并且使用青铜网防雷击复合材料外翼翼盒减重135kg提高有效载重节油减少维护提高疲劳强度和寿命复合材料外翼翼盒细节件和结构件试样取样示图和全尺寸翼盒实验装置示图分别见图38至310所示图3-7ATR72复合材料外翼翼盒图3-8外翼翼盒细节件实验取样示意图图39外翼翼盒结构件试验取样示意图图3-10外翼翼盒全尺寸翼盒试验装置示意图32整体油箱的设计机翼整体油箱是机翼结构中参与机翼整体总受力的相对独立的密封多闭室结构是集中结构承载功能与油箱功用为一体同时满足结构设计要求和油箱设计要求的机翼盒段复合材料机翼整体油箱设计同样包括结构设计和油箱设计两大主要方面的要求com料油箱设计要求复合材料油箱设计要求与金属材料油箱相比由于复合材料与金属材料在导电性和成形工艺的显著差异使复合材料油箱密封静电防护和雷击防护显得十分重要com油箱密封设计1油箱密封设计要求机翼整体油箱应在滑行爬升航行着陆等各种载荷状态下和由内部充压引起的重复载荷下在规范的期限内战斗机一般为2000h此期限不包括分散系数不应因发生漏油而影响使用2复合材料油箱密封设计一般原则①整体油箱部位使用的层合板其孔隙率应不大于1以保证不渗漏油②尽量采用共固化整体成形构件可明显缩短密封的总长度③油箱周边零构件应避免分段和采用装配式加强件周边零构件的弯边应朝向非密封区一侧见图3-11④应保证密封处有足够的刚度以减少密封在外载荷作用下的相对变形避免产生不利于密封的变形图311所示密封区密封槽和蒙皮对缝的正确位置就是一例图311密封区密封槽和蒙皮对缝位置示意图⑤密封区机械连接紧固件的直径应不小于连接外层合板总厚度其间距和排距确定必须考虑密封要求密封处耳片螺栓连接正确位置精心设计图312说明了这点图312密封区耳片螺栓连接示意图3密封区复合材料骨架设计修合余量为05mm对复合材料金属混合骨架复合材料骨架零件设计制成负偏差金属骨架零件为正偏差以便修合4油箱密封效果需经实验验证33机身结构设计com机身的功用机身是飞机的躯干机翼尾翼起落架发动机等部件均固定其上互相连在一起成为完整的一架飞机同时机身又是飞机装载的主体设备舱空勤人员客舱油箱武器舱货舱均安排在机身上因此机身是整架飞机载荷协调的基础是带多舱门口盖的主承力结构com构设计要求机身的功用决定了机身结构设计结构设计要求应侧重考虑一下几点1机身结构形式选择与主要受力构件的布置既能承受各装载物的质量力又应与各相连部件的受力构件载荷传递相协调2机身结构应有足够的强度和刚度以保证相连各部件正常工作3机身应有足够的开敞性多舱门和舱盖以便安装设备和武器空勤人员与乘客进出以及维护修理4前机身中机身后机身三段功能任务不同设计要求重点亦有区别以战斗机为例前机身有机头罩电子设备舱前油箱等组成结构按刚度要求设计外形按隐身和气动要求确定电子设备舱应有良好的电磁兼容性中机身是全机的主承力部位机翼与机身在此对接连接下部左右两侧主起落架中间装发动机上部还装有减速板内部装管路油箱弹舱等并挂有导弹副油箱等多种外挂物因此结构协调与载荷平衡十分突出高性能战斗机要求中机身为机翼机身融合结构要求用S进气道满足隐身要求后机身是尾翼连接固定的基础并且受到发动机尾喷气流加热影响要求结构有足够的刚度以保证尾翼的效能并且不发生震动或颤振问题5机身油箱设计要求与机翼油箱设计基本上相同由于机身是细长的半硬壳式结构其刚度低于机翼盒式结构并且机身油箱是在进气道和发动机的振动环境中工作若燃油渗漏易引起飞机起火因此机身邮箱的密封要求更高并要进行复杂环境下的密封性考核com复合材料前机身结构设计原则复合材料前机身结构设计遵循下列原则1结构按刚度设计在舱门口盖全部打开单侧满载情况下结构扭转刚度为严重载荷情况结构多采用上下壁承扭闭室纵梁纵墙的Ⅰ形结构布局多口盖是内部可达性好2上下壁按共固化整体成形设计成可承扭闭室以提高抗扭刚度减轻结构重量3口框设计利用梁框作为口框边框以减少框补强增重口框边缘采取包边等措施以防止边缘分层4舱门口盖采用蜂窝夹层结构共固化成形碳纤维芳纶混杂面板可提高抗冲击损伤能力采用热塑性树脂基体制造口盖不仅可以提高抗冲击损伤能力而且便于修理5图3-14格栅结构上壁盒和下壁盒示意图图315蜂窝夹层结构口盖示意图com料中机身结构设计中机身复合材料蒙皮壁盒设计1EF2000战斗机中机身蒙皮是一个复杂大型整体的高承载结构中机身长49m宽22上下两块蒙皮采用碳纤维复合材料层合板内部支持结构由于承受高的集中载荷以及考虑到战斗机损伤大部分采用铝合金上蒙皮设计成带4根长桁和22个J形剖面周向加强框的整体蒙皮蒙皮与长桁和周向加强框采用共固化成形大大减少了紧固件数目减重达32中机身结构布置示意图见图316图316EF2000中机身结构布置示意图2材料选择及设计许用值为降低成本机身机翼尾翼采用同一种碳纤维复合材料要求材料的工作温度为-55～100℃平衡吸湿量由85相对温度条件确定最后选定T8805245碳双马复合材料压缩设计许用应变采用冲击后压缩CAI强度综合实验结果确定见图317所示2mm厚度合板为-3000μè4mm后层合板为-3600υè7mm厚层合板不同冲击能量冲击后压缩许用应变可达到-4000μè～-5000μè3图317T8005245冲击后压缩许用应变图318机身蒙皮部位油箱的密封4制造与装配蒙皮长桁和加强框均用75mm宽的无纬预浸制造并采用共固化成形固化工艺175℃07Mpa压力下2h固化然后在190℃后处理8h中机身蒙皮的质量保证由层间剪切强度测定玻璃化转变温度测定热重量分析压缩性能试验电镜分析以及纤维体积含量测定超声扫描试验X射线检验等破坏试验和非破坏建议来实现蒙皮与金属支持结构装配间隙为0715mm分别用液体和固体垫片封严油箱部位密封见图3-18所示 结束语时间荏苒两个多月已经过去我所写的《飞机复合材料及应用》也将近尾声从开始挑选论文题目到现在论文文章的完成每一步对我来说都是新的尝试和挑战这也是我在大学期间独立完成的最大