微波1924复合材料结构分析

微波1924复合材料结构分析

2007年7月8日，作为最后一个系统设备、内部装饰和实验设备的安装，声波787完全停止。华盛顿州的埃尔堡工厂将继续完成这一过程。波音787复合材料构件重量占全机结构重量的50%左右,是迄今为止复合材料用量最多的一个机型:其机身、机尾翼采用碳纤维层合结构;而升降舵、方向舵却保留了过去采用的碳纤维夹芯结构;发动机舱除受力大的发动机吊架外均采用碳纤维夹芯结构;整流罩采用玻璃纤维夹芯结构。其复合材料件的生产分布在全世界各地进行,而且采用了许多新工艺、新设备和新材料。除少数部件外,这些外包件一般是通过分包商自行投资,按总体设计要求自行设计并交付完整的产品来实现。主要工艺方法及设备1采用hexmc生产的客舱材料采用这种工艺方法的主要有窗框、客货舱地板、以及一些小件等。机翼前缘的成型也基本属于此类。作为复合材料最简单也最原始的工艺方法之一,模压成型现在继续被采用,因为它工艺流程和工装都比较简单,不需进热压罐,而且质量可靠性较高。但这种工艺方法仅适用于中小型产品,另外模压也会受到压力机尺寸的限制。波音787的客舱采用了大窗户设计,增加了乘客的视界和舒适感,但也对强度提出了新的要求。Hexcel公司根据波音的要求开发了新材料HexMc。这是一种新的预浸料,将提供给Nordan公司作为制造窗框之用。Nordan公司制成成品后分送机身生产的各个厂家(Vought、Alenia、Kawasaki、SpiritAerosystems)安装到机身蒙皮上去。这种新材料很适合于模压,模压件棱角分明,抗疲劳性能比大部分金属好,抗腐蚀,和同体积的铝合金构件相比减重约50%。Hexcel公司也用HexMc为波音787模压一些小型零组件,如角撑、盘形件、托架、夹子等。另外也用模压方法生产碳纤维的客货舱地板、旅客门和货舱门上的一些零组件。机翼前缘由Hexcel以机加和组合胶接好的蜂窝组件状态提供给在美国堪萨斯州的SpiritAerosystems公司,由其在夹具内进行成型、模压和加温固化。2复合材料织物的制备波音787的整个机身和机翼都是碳纤维复合材料层合结构。在波音787的复合材料构件生产中,中央翼盒和主翼蒙皮以及机身47段(后机身前段)都应用了铺带工艺。水平尾翼和垂直尾翼在生产波音777时即已用铺带机,在波音787上的应用更会驾轻就熟。位于美国德克萨斯州的VoughtAerospace北查里斯顿工厂生产机身47段,它用的是辛辛那提公司(美国肯塔基州Herbon)生产的铺带机,并配备有迄今世界上最大的热压罐——23.2m×9.1m(美国加利福尼亚州的ASCProcessSystem公司生产)。机身在一个相当于其内径(5.74m)的模胎上用铺带机将预浸带缠绕成一个筒形件,模胎上有与长桁、大梁外形一致的槽,将预成型的长桁与梁(均由碳纤维预浸料铺设压实而成)在缠绕前预先放在槽内,工作时模胎随其心轴在设备上转动,并留出窗口位置,缠绕后退出模胎,将机壳与梁、长桁一同进入热压罐共固化,成为一个整体的复合材料机身段。机身固化以后用专用的AGV自动小车将产品推到超声检验区,那里有西班牙M.Torres生产的专为波音787机身开发的Torressonic超声检测系统,设备沿着机身旋转扫描,对蒙皮外轮廓(OML)和机内桁条内廓线(IML)进行扫描检查。其他机身段分别安排在意大利的AleniaAeronautics、日本川崎、美国堪萨斯的SpritAerosystems以及加拿大的Winnipeg,根据曲面情况分别用铺带机和铺丝机进行生产,虽外形条件和设备有所不同,但程序基本相同(如SpiritAerosystems用的超声检测设备是位于美国密苏里州StLouis的BoeingAutomatedSystemsGroup生产的NDIAussxⅫ自动超声扫描系统17代产品)。中央翼盒和主翼蒙皮用的铺带机都是法国Forest-Line公司的LinearAtlas铺带机,它们普遍是2个工作头,一个用于下料,一个用于铺设。其中日本三菱公司负责生产的主翼蒙皮用的LinearAtlas铺带机是目前全世界最大的铺带机,尺寸达40m×8m,铺设速度60m/min。所有铺带机都能根据设计要求自动调整不同位置的铺层厚度、角度,并能留出窗口位置。47段所铺层数,最薄处为12层,而最厚处接近100层。对于铺设翼面、机身的铺带机和铺丝机的工作情况,可参考文中的配图。3波布达拉宫ro波音787的中机身44、46段在意大利AleniaAeronautics公司生产,前机身段(含最复杂的41段)在美国堪萨斯州的SpiritAerosystems公司生产,均是碳纤维复合材料层合结构。并且都用了铺丝工艺。铺丝指对纤维丝束或窄的纤维丝带的铺设,一般是窄的纤维丝带即可满足需求,适用于双曲面以上的产品表面制备,铺设时没有皱折,无须作剪裁或其他处理。铺丝可以代替铺带,只是成本较高;但铺带代替不了铺丝,复杂的曲面加工必须用铺丝解决。铺丝的工作程序与操作和上述的铺带无大区别,工装也无大的区别。波音787机身的铺丝也是用的与机身内径相同的模胎,沿轴向旋转后铺丝头向其铺丝,留出窗口位置,一切按预设的程序自动进行,结束后退出模胎,送热压罐固化,然后超声检测。波音787机身连铺丝铺带共制造了9个模胎,其中4个是用殷伐钢(Invar)制作的,最大重量达68t,价格很高;5个用复合材料制作的,其中有一个产品质量超声检查时出了问题(有孔穴),估计是模具制造过程中压实不够,空气渗入所致。铺丝机在21世纪初全世界才20台,其中波音在西雅图用于民机制造就有2台。在波音787生产中,意大利AleniaAeronautics(生产44,46段)和美国堪萨斯州SpritAerosystems(生产前机身)都购买了美国IngersollInc(美国伊利诺斯州Rockford)的铺丝机,其中在意大利的铺丝机是最新的。现在欧州AutomatedDynaMico和M.Torres等公司都在开发辅丝机,预计2010年全球可达60台。4材料和工艺的改进波音787主要用了VARTM技术。VARTM技术是在RTM(树脂转移成型技术)基础上增加了抽真空设备因而提高成型效果的一种方法。波音787的襟副翼和扰流片原来是波音本部自行生产,2003年转到了澳大利亚的De-Havilland进行生产。在实践中他们运用了VARTM技术,并采用了新的注射胶料和新的碳纤维丝束编织的无纬布,将纤维布缝合放入设备并预成型后注胶,在热压罐外加温模压固化,过去一般动翼都是蜂窝夹心结构,波音787的上述动翼是层压结构,由于采用了新材料,工艺方法和设计结构又有改变,其质量比常规的夹芯结构和采用热压罐工艺有所提高。机身后压力框(大锅盖)的VARTM制造也是波音公司引以为豪的一个项目。机身后压力框(4.3m×4.6m)对机身气密性和安全起着至为关键的作用,因此过去都不敢采用复合材料结构,现在新的工艺和设备解决了这个问题。加工后压力框使用的VARTM有其特别之处,它由位于德国的EADS集团Augsburg分部生产。其过程是先用碳纤维布缝合成预制件,然后VARTM技术注胶固化,同时用了新的胶料。空客A380的同样产品也在此生产。现在EADS和EDAS-CRC合作开发了不需进热压罐的“真空辅助浸渍法”——VAP,对原来的VARTM又进行了改进。5ri-fi树脂模糊性苯基涂层技术大部分地板横梁用此技术制造。6双组分纤维丝的生产波音787的起落架撑杆(Braces)先是在美国新罕布什尔Rochester的AlbanyEngineeredComposite(AEC)公司将Haxcel生产的纤维丝通过成型编织机Jacquard3-D编成一层层的网状结构并预成型,然后送往法国LeHarve的MssierDowty公司通过RTM技术固化。7采用新结构、新材料的试验验证尽管波音787在生产中采用了许多新的工艺方法,但它仍保留了许多常规工艺,包括数控自动下料、激光定位、热压罐固化、共固化等工艺手段。发动机舱外壳用碳纤维蜂窝夹心结构,是外包到北卡罗来纳州的Goodrich集团公司生产的,用的基本上都是常规工艺。但其进气道唇道部分未见报导,这是常规工艺是处理不了的,而波音747、767的进气道整流罩都是用的铺丝进行的,所以据分析如果Goodrich缺少铺丝设备最好的办法是外协解决。主翼固定后缘、翼尖、客货门和其他各种口盖、整流罩基本上目前都还是常规工艺生产。尽管它们中有的是层合结构,有的是夹心结构。水平面的翼盒部分其上下蒙皮壁板预成型后通过共固化使之形成一个整体的翼盒。大力采用新结构、新材料加强工艺试验波音787在设计上采用了许多新结构,最突出的特点一是机体采用了整体的桶形结构,这对过去的壁板整合结构是个革命性的改变;二是客舱的大窗口,扩大了旅客的视野,增加了舒适感。结构改进和新材料、新设备、新工艺的应用都是分不开的。波音787采用了大量新型复合材料,这些材料普遍强度高,成型性能好,有的材料是供应商专为波音787研制而开发的。波音787客舱采用了波音引以自豪的大窗口,是基于Hexcel为它开发了新材料HexMC,这是一种“准各向同性”的预浸料,适用于模压工艺,压后棱角分明,韧性很好,重量轻。为达到预期目的,Nordon制作了5个试验件,花了18个月的时间进行各项试验和修正,最后得到批准。Hexcel提供的HexFlowRTM6为De-Havilland采用VARTM注射树脂制造优质气动操纵面创造了条件。共制造了3个大的蒙皮试验件,每个长度大于9m,送波音进行鉴定批准,合格后正式生产交付。波音787机翼用了钛-石墨复合材料(TIGR)。为验证工艺质量,波音787的机翼盒制造了3个相当于其长度2/3的试件,试验合格后正式投产。为了验证机身新结构,共生产了8双组分纤维复合材料工装的制备Toray公司在为波音777供货基础上改进了预浸带,并用于波音787,由3800系列改进为韧性更好的3900系列预浸料,适合于铺带铺丝各种工艺。Cytec公司为波音787开发了SurfaceMaster905涂膜,用于喷漆前修整机体表面气孔、沙眼等小缺陷之用。Hexcel公司提供的高温树脂BMI(Bis-maleimide)为机身大模胎的制造改进了条件,SpiritAerosystems用于41段机身成型的模胎就是用此材料制造的。比早些