复合材料及其在飞机结构中的应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,复合材料及其在飞机结构中的应用,1,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,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,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,概 述,先进复合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,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,Advanced CompositeApplication,CC22643019.ppt,F-4 Phantom II,Boron Epoxy,Rudder,7,Boron/Epoxy Rudder,CC22643020.ppt,F-4 Phantom II,8,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,CC22643020.ppt,10,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 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,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,CC22643020.ppt,13,B2,轰炸机复合材料,38%,远程轰炸机,14,15,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,A400M,复合材料应用部位,大型军用运输机,17,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,直升机材料的发展,型号,H-34,CH-53E,UH-60A,S-76,RAH-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%,19EC135,复合材料应用,20,V-22,复合材料,40%,21,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,将复合材料应用到飞机的次承力构件,美国：,ACEE,计划（,1976,1986,）,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,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,美国：,ACT,计划（,19881997,）,成果,C-130,大型运输机复合材料中央翼盒,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,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,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,美国：,CAI,计划（,19962006,）,实现高效能设计和低成本制造技术的飞跃,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,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,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,新一代大型客机复合材料应用现状,31,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,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,A380,更安全、更经济、更舒适、更环保,每座油耗比,747-400,降低,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,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%,35,36,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,787,6,年,12,年,37,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,轮档燃油,/,座,现金使用成本,/,座,目前所获订单（架）,270,8300,基准,基准,基准,362,242,7900,+2%,+6%,+8%,900,38,迫于商业竞争压力不断修改设计方案，提高复合材料用量,2004,2006,2006,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,40,A350,39,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,最新公布的,A350XWB,各类材料分布,41,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,ATL,，,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,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,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,Advantages,Automated Tape Laying,Disadvantages,Greater Pounds/Hr.,Very Consistent,No Debulking Required,Significant Equipment Cost,Recurring Maintenance,Limited Contour Capability,45,Fiber Placement,Advantages,Concave Contours,True 0,Plies Possible,Consistent Product,Disadvantages,Significant Equipment Cost,Complex Programming,Somewhat Slow,46,Resin Transfer Molding,Advantages,Complex Structures,Near Net Molding,Excellent Surfaces,Disadvantages,High Tooling Costs,Preform Costs,47,Resin Transfer Molded Part Complexity,48,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,Pressure Application-Integrally Cocured Structure,50,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%,。,51,50%,Cost Reduction,20%,Weight Reduction,C-17 Composite Horizontal Stabilator,52,December 15 2009,低成本复合材料技术已进入工程化应用的标志,53,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,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,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,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 Aerostructures,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。,57,58,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,我国航空复合材料结构发展史,1981,1990,年,结构强度研究发展的第一阶段，特点是,：,与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,我国航空复合材料结构发展史,1981,1990,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,我国航空复合材料结构发展史,1981,1990,年,成果代表,：,复合材料设计手册,62,我国航空复合材料结构发展史,1991,2000,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，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,我国航空复合材料结构发展史,1991,2000,年,成果代表,复合材料结构设计手册,64,我国航空复合材料结构发展史,1991,2000,年,复合材料连接手册,复合材料飞机结构耐久性,/,损伤容限设计指南,复合材料结构稳定性分析指南,复合材料结构修理指南,航空工业标准,HB 7491-97,军用飞机复合材料结构强度验证要求,航空工业标准,HB/Z 322-98,军用飞机复合材料结构设计指南,65,我国航空复合材料结构发展史,2001,2010,年,结构强度研究发展的第三阶段，特点是,：,在前,20,年的研究与应用和国外军用规范的基础上编制了军用飞机复合材料结构强度规范,GJB 67.14-2008,；,复合材料已在国内几乎所有在研和改型军用和民用飞机结构中得到大量应用，应用的部件已不再限于次承力部件，计划用量可达结构重量的,2030%,；,66,我国航空复合材料结构发展史,2001,2010,年新一代韧性树脂复合材料体系已用于结构；,已成功研制了与,T300,相当的国产碳纤维,CCF300,，已装机使用；,通过适航审定的民机复合材料结构部件已装机试飞；,整体成形高效低成本的复合材料工艺和相应的设计技术已进入设计应用阶段。,67,我国复合材料应用的瓶颈问题,总体来说，制约复合材料在我国飞机结构中扩大应用的主要问题仍然是成本（研制成本、制造成本和全寿命成本）、时间（研制周期）、技术（包括原材料、制造工艺与设备、设计手段、分析方法和验证技术及设计人员）和信心（是否能优于金属结构），其中成本是关键中的关键。,过去所有的复合材料飞机结构预研和型号研制项目均刻意回避对研制成本、制造成本和全寿命成本的分析与计算，并且普遍认为复合材料飞机结构的成本一定远远高于金属结构，通常只从发展技术角度去进行课题研究和用于型号；,所有的型号总师在采用复合材料结构时是以其作为先进性的标志来接受的，从而不可能大范围采用复合材料结构。,68,Boeing787,的成功试飞和即将交付使用标志着低成本复合材料结构技术已达到了工程化应用的新阶段，即实实在在表明了复合材料结构是可以低成本应用的！,69,