新一代大型客机复合材料结构

V线。杨机第29卷第3期航空学报Vol29No32008年5月ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICAMay2008文章编号10006893200803059609新一代大型客机复合材料结构特邀杨乃宾北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083CompositeStructuresforNewGenerationLargeCommercialJetYangNaibinSchoolofAeronauticScienceandEngineeringBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsBeijing100083China摘要大量采用复合材料结构是新一代大型客机机体结构设计的突出特点用量已达结构重量50。复合材料结构不仅带来了明显的减重效益而且带来了结构耐腐蚀、疲劳和维护等性能的改善提高。波音787飞机人性化设计的全复合材料机身使乘坐舒适性和便利性得到显著改善。民机复合材料结构技术重点研究解决了复合材料自然环境老化、大型翼面壁板整体成型、机身大开口区载荷重新分布和应力集中、地面维护装备冲击损伤、健康检测等关键技术问题并且建立了以中模高强碳纤维韧性环氧树脂复合材料热压罐成形工艺为主的大型客机复合材料结构材料体系。对复合材料机翼和机身结构的设计和工艺关键技术问题做了较为详尽的介绍。关键词复合材料大型客机机体结构应用效益中图分类号2148文献标识码AAbstractExtensiveuseofcompositematerialsisaprominentcharacteristicofairframedesignforthenewgenerationlargecommercialaircraftTheamountofcompositematerialshasreachedupto50oftheairframeweightCompositestructuresnotonlysignificantlydecreasethestructuralweightbutalsoimprovetheperformanceofcorrosionresistancefatigueandmaintenanceBoeing787shumanitydesignoftheentirecompositefuselagesignificantlyimprovedpassengercomfortandconvenienceTechnologyforlargecommercialjetcompositestructuresfocusesonstudyingandresolvingthenaturalagingofthecompositemateriallargewingpanelintegralmanufactureloadredistributionandstressconcentrationinlargefuselageopeningareasgroundmaintenanceequipmentimpactdamagehealthtestingandotherkeytechnicalproblemsAlargecommercialaircraftcompositestructurematerialsystemisestablishedbasedmainlyonmiddlemodulehighstrengthcarbonfibertoughnessepoxycompositematerialautoclavetechnologyDetailedintroductiontothekeytechnicalproblemsofcompositewingandfuselagestructuraldesignispresentedinthispaperKeywordscompositeslargecommercialaircraftairframeapplicationefficiency新一代大型客机主要指使用效率、经济、超凡的乘座舒适和便利以及环保Environmental等综合性能比当前航线使用的客机有很大提高的大型商用运输机12。新一代大型客机的研发始于20世纪90年代以欧洲空中客车公司的A380和美国波音公司的波音787为典型代表。空中客车公司强调航空枢纽间的交通对整个市场的重要性研发了双层客舱555座超大型客机A3802005年4月首飞34。波音公司也曾尝试研发500座级超大型客机收稿日期20071220修订日期20080117通讯作者乃宾Emailmilaoshu0527163com波音763246C1999年公布和声速巡航客机2001年公布但市场调查结果表明场间点对点运输市场潜力巨大。因此改变计划研发具有超凡的乘座舒适和便利的人性化设计的200～300座波音7E7即波音7872007年7月8日下5为与波音787抗衡2005年5月空中客车公司宣布研发250座级客机A350预计2010年投入运营。新比空波海拔2400m高度的压力从而使机身座舱GM第3期杨乃宾一代大型客机复合材料结构5971大型客机复合材料结构效益新一代大型客机机体结构材料分配如表1所示。大量采用复合材料结构是最突出特点之一也是机体结构减重的主要措施。机体结构减重潜力分析见图1表明只有机翼、机身主承力结构均采用复合材料才可取得明显的结构明显减重效果。表1新一代大型客机机体结构材料分配重量百分56Table1Materialdistributionoftheairframeoflargecommercialaircraftweightpercentage56机型复合材料铝合金钛合金合金钢其他材料度上取决于飞机结构设计师包括结构分析师和工艺师对复合材料认知水平和经验积累及其合作的程度。复合材料结构给新一代大型客机带来的效益在A380和波音787中有所不同。A380超大型客机首先要解决尽可能减轻结构重量问题。使用复合材料的最大好处是减轻了结构质量从而大大减少了油耗和排放并降低了运营成本。摘自中客车A380技术和创新人民日报2005616广告波音787客机不仅复合材料结构重量百分比远超过A380大大提高了结构效率而且人性化设计的全复合材料机身使乘坐舒适性和便利性得到显著改善从而带来可观的经济效益。具体讲音787客机把巡航时座舱的压A380CFRP2220050427首飞GLARE361波音787CFRP4520070708下线GFPR5201010415105力提高到有利于乘客健康的相当于海拔1800m高度的压力而不是现在一般客机的相当于7结构承受的压差增大比现有客机大。同时A350＊正在研发52201477加大了机身窗口达到483mm279mm使乘客有更大视野。由此引起的设计增重复合材料注LARE是一种铝箔和玻璃纤维环氧层交替铺层压制的板材。＊2007年资料数据。随研发工作进展材料分配还有可能变化。图1大型客机机体结构减重潜力分析示意图1Fig1Weightreductionpotentialoftheairframestructure1复合材料结构是以设计为主导、材料为基础、综合制造、工艺检测、维修诸方面成果的结晶。复合材料结构效益不仅由材料具有的高比强度、高比刚度带来的减重效益而且还应包括通过结构优化设计、材料和工艺改进带来的结构性能和功能、效能的改善与提高以及运营成本下降等综合效益。因此复合材料结构的效益在相当大的程机身为70kg而铝合金机身则要1000kg充分体现了复合材料性能的可设计性和优异的疲劳性能带来的效益。再有复合材料不易腐蚀允许设计人员增加客舱湿度从而解决了铝合金易腐蚀、客舱湿度不能提高的难题。复合材料优异的疲劳性能和采用健康监控技术使波音787客机维护间隔延长到1000h而不是目前波音767的500h。2民机复合材料结构技术研发历程281020世纪60年代以硼环氧为代表先进复合材料问世源于军机结构减重需求。此后碳纤维成为主要增强纤维。美国飞机复合材料结构技术研究大致经历了4个阶段。民机着重研究了与安全性、可靠性、经济性相关的复合材料性能和设计、工艺技术。1复合材料飞机结构试用与航空工业认可20世纪6070年代中在F14F15和F16尾翼上试用完成了航空工业对碳纤维聚合物基复合材料结构应用的认可并建立规范ILHDBK17A聚合物基复合材料197101用于指导复合材料结构设计选材和材料性能许用值确定。结598航空学报第29卷2复合材料结构应用技术研究与新型纤维树脂开发20世纪70年代中80年代末军机民机F18复合材料机翼研制1978和AV8B复合材料前机身、机翼研制1982用于研究复合材料结构完整性。X29前掠翼验证机气动弹性剪裁技术研究198412首飞。1982年10月1987年3月空军执行复合材料飞机主结构损伤容限研究计划解决复合材料特殊的低能量冲击损伤问题。B2轰炸机大型整体壁板翼身融合体研究1989NASARP11421985公布MILHDBK17B198802公布MILA87221USAF198502公布T300环氧热压罐成形工艺为主。NASA19761985年主持ACEE计划AircraftEnergyEfficiency飞机节能计划结构减重、节省燃油、增加商载突破尾翼级结构复合材料应用。波音737平尾、DC10垂尾装机使用。FAAAC20107复合材料飞机结构197807公布用于指导民机复合材料结构设计。不久FAAAC20107A198404公布1989年T800增韧环氧复合材料达到主承力结构应用材料标准性能指标要求。NASA组织实施为期10～15年复合材料世界各地环境自然老化性能研究。结果表明经自然老化后复合材料性能下降十分有限制件状态良好11。3复合材料主承力结构应用技术研究20世纪80年代中90年代军机民机复合材料结构应用已从为了结构减重扩大到提高飞机综合性能代表机型为F22。机翼整体蒙皮壁板、前掠翼壁板、翼身融合体、机身主承力框和梁、S进气道、水平尾翼枢轴等主承力结构件装机。建立规范JSSG2006199810公布MILHDBK17F200206公布NASA首先实施了ATCAS计划先进技术复合材料飞机结构计划19881998年NASA主持实施了先进复合材料技术计划AdvancedCompositeTechnologyACT。目的在于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并降低成本为运输类飞机机翼、机身大量应用复合材料提供技术支持。要求结构件减重30～50成本降低20～30。研究成果已用于波音777复合材料结构。4可买得起复合材料结构技术研究20世纪90年代至今军机民机复合材料在飞机主承力结构上的成功应用降低成本要求提上日程使复合材料结构具有高性价比可买得起又用得起。F35首次将可买得起列为飞机结构设计重要指标要求最佳性能与最低成本之间作出折衷和平衡。1996年国防部联合NASAFAA和航空工业界执行低成本复合材料计划CompositeAffordabilityInitiativeCAI。用大约10年时间实现复合材料生产成本下降50能与铝合金等金属材料结构相竞争。重点研究构设计制造一体化、结构大型整体化、纤维铺放AFP、自动铺带ATL、预制