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1、 商用飞机复合材料机翼壁板 商用飞机复合材料机翼盒段 三、国外民机结构技术发展计划成果的应用情况 ACT计划复合材料机身 B7E7机体结构、机翼主承力盒 段将采用碳纤维复合材料-钛合金层 压板，复合材料机身，以及采用非热 压罐的真空辅助树脂传递模塑工艺（ VaRTM）制造的复合材料前机身等 。先进复合材料、下一代合金以及纤 维金属层合板的最终用量会达到 50%以上。787的设计思想与ACT和 AST计划所取得的成果有着直接的 关系。 B787复合材料机身整体结构验证样段(7米长、 6米宽)，可显著减少零件数量，减重约达20%。 飞机复合材料机翼主起落架接头 三维编织机身舷窗窗框 复合材料机身壁
2、板 比强度和比刚度 飞机结构上使用的复合材料以碳纤维/环氧树脂为代表，它具 有高的比强度(b/)和比刚度(E/)，可使飞机的结构重量大幅度减 小。表1-3列出了几种单向复合材料与常用金属材料性能的比较。 更为先进的T800/改性环氧树脂的比强度可高出铝合金10倍，比刚 度高出4倍。 表1-3 几种结构材料性能比较 拉伸强度 (MPa) 拉伸模量 (GPa) 比强度 MPa/(g/cm3) 比刚度 GPa/(g/cm3 ) 密度 (g/cm3) 铝合金42072.0151.125.92.78 钢(结构用)1 200206.0152.926.37.85 钛合金1 000116.7221.225.8
3、4.52 玻璃纤维 /聚酯复合材 料 1 24548.2623.024.12.0 高强度碳/环氧树脂1 471137.31 01494.71.45 高模量碳/环氧树脂1 049235.0656.0146.91.60 芳纶/环氧树脂1 37378.4981.056.01.40 一、民机发展与复合材料应用 B707 B737 B747 B757 B767B777 B787 B727 B717 A350 B747-8 更安全更安全 更经济更经济 更舒适更舒适 更环保更环保 技术发展方向技术发展方向 产品发展方向 全谱化 系列化 A380 复合材料应用水平不断提高 复合材料机身与机翼 复合材料机翼 A
4、380复合材料部件 (用量23%) Boeing 787 结构材料构成 复合材料层合板 复合材料夹芯结构 玻璃钢复合材料 铝合金 钛合金 结构的主要材料构成 Boeing 787 机身结构特征 桁条抗剪带 蒙皮 地板带 框 全复合材料机身具有良好的抗疲 劳与抗腐蚀性能，可以使座舱： 承受更大的压力 提高的湿度 安装更大的视窗 空客飞机进化技术特征 双人驾驶舱驾驶舱 双发发双通道飞飞机 侧侧杆控制器 碳纤维纤维复合材 料中央翼盒 全新气动动技术术机翼 A310A300A320A380A340 A300B2A310-200 A320-200 A330-300 A340-300A340-600 碳纤
5、维纤维复合材 料垂尾 第二代数字飞飞控系统统 变频发电变频发电 机 碳纤维纤维复合材料 乘客舱舱后端密封 球形隔墙墙 1970198019902000 A380 高性能轻质结构用量达62% 空客第一架全复合材料机翼飞机 在中型民机中燃油消耗最低 百 公里2.5升/ 人 机组人员休息不占用座舱空间 超宽客机 A350 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 197019751980198519901995200020052010 复合材料结构重量与飞机结构重量之比% A300 A310-200 A320A340-300 A340-600 A380 A400M 服役起始年 空客飞机
6、复合材料应用发展历程 A350 Airbus复合材料技术发展历程 1980-19901990-20001970-19802000-20101970-1980 1980-19901990-20002000-2010 A310-300 + 升降舵 + 垂尾盒段件 A400M + 机翼 + 机身 A300-B2 整流装置 雷达罩 A310-200 +方向舵 +扰流片 +阻力板 A320-200 + 发动机整流罩 +高抗扭盒段件 + 起落架舱门 + 副翼 + 襟翼 +油箱高抗扭盒段件 A330-300 A340-300 + 机翼前缘 + 龙骨梁 + 客舱后密封球形隔墙 A340-600/500 A38
7、0 + 中央翼盒 + 翼肋 在过去的三十多年里， AIRBUS 不断地把加大复合材料在飞机的应用时 不时，积累了丰富的经验与教训 单通道飞机 A320 系列 襟、副翼，扰流片 机翼前缘/ 导流片 发动机整流罩 垂尾 平尾 密封球形隔墙 长航程 A340-600 J-形机翼前缘 龙骨梁 空中巨无霸A380-800 中央翼盒 后机身19截面 后机身19.1截面 副翼导轨安装梁及 侧壁板 翼肋 预浸料 自动预浸带铺迭制件 A340 高抗扭壁板 A380 襟翼蒙皮 A380 中央翼盒壁板 纤维铺放 A380 后机身 大型复杂形状复合材料构件 优化后的复合材料铺层 在A380上的首次 使用 纤维铺放机
8、液体树脂渗透技术的应用 铺覆编织带 客舱后密封加筋球形隔墙 A380客舱后密封加筋球形隔墙 树脂转移模塑工艺 A380 后机后框 A380 副翼梁 A380 连接件 A380 centre wing boxA380 中央翼盒 大型商用运输机复合材料应用发展 大型商用运输机复合材料用量 Airbus : A-340复合材料用量占飞机总重13% A-380复合材料用量占飞机总重20% Boeing : B-777复合材料用量占飞机总重10% B-7E7复合材料用量计划占飞机总 重50%以上 B-777复合材料使用情况 A-380复合材料使用情况 军用飞机复合材料应用发展 F-18EF战斗机复合材料
9、占19% AV8-B鹞式战斗机复合材料占26% EF-2000中机身复合材料上壁板 F-22复合材料用量占飞机总重26% F-22复合材料应用情况 机 翼：蒙皮碳/双马 中梁碳/环氧 机 身：钛合金、铝合金、复合材 料 平尾安定面：碳/双马蒙皮铝蜂窝夹层板 垂尾安定面：碳/双马蒙皮、碳/环氧梁 操 纵 面：复合材料蜂窝夹层板 F-22复合材料机翼组装情况 B-2轰炸机（1989年首飞） B-2轰炸机复合材料使用情况 机翼：蒙皮和内部结构为碳/环氧的蜂窝夹 层板 机身：大量使用复合材料 C-17军用运输机复合材料使用情况 原型机复合材料用于：次要结构和操纵面 1994年将平尾改为复合材料（AS4
10、/Epoxy） 1998年通过静力试验： 133% Ultimate Load 破坏 2001年70架飞机全换为复合材料平尾 C-17军用运输机平尾 C-17军用运输机复合材料应用效果 复合材料使用量占总重量8% 减 重：20% 减少零件数：90% 减少紧固件数：80% 降 低 成 本：50% V-22 旋 翼 机 V-22旋翼机复合材料使用情况 机 翼：IM6/3501-6 机身和尾翼：AS4/3501-6 复合材料使用量占总重量41% 减 重：13% 减少零件数：35% 降 低 成本：22% 科 曼 奇 直 升 机 全球鹰无人侦查机 捕食者无人侦查机 X-45无人战斗机 无人直升机 表1-
11、1 国外复合材料在军机上的应用情况 国别机 种 用量 (%) 首飞 时间 复合材料体系应 用 情 况 美 F-1411969硼/环氧树脂水平安定面 F-151.21972硼/环氧树脂水平安定面、垂直安定面、方向舵 F-163.41976 碳/环氧树脂 (AS4/3502) 进气道斜板、垂尾、平尾。 机翼蒙皮（碳/双马来酰亚 胺） F/A-18A121978碳/环氧树脂 除前机身外，包括机翼在内的所有蒙皮结构。前机身边条、 翼根延伸段等 AV-8B26.31982碳/环氧树脂 机翼蒙皮和亚结 构骨架，其机翼70%重量为复合材料结构。 比金属结构减重20%以上。机翼梁和肋为“工”形剖面，腹板 为正
12、弦波纹板 A-612碳/环氧树脂机翼蒙皮 B-1 轰炸机 碳/环氧树脂、 硼/环氧树脂、 Kevlar49/环氧树脂 机身大梁、平尾、垂尾、前缘缝 翼、襟翼、进气道斜板、舱 门等 X-31A171990 碳/增韧环 氧 (IM6/6376) 机翼、机身蒙皮 YF-22231991 碳/增韧双马(IM7/5250 -2) 机翼、中机身隔框和蒙皮、尾翼 F-22241996 碳增韧双马 (IM6/5250-4) 机翼、中机身隔框和蒙皮、尾翼、前机身 俄米格297 S-3721前掠机翼等 雅克-14124机翼、尾翼、部分机身 1.4216 1.4430 法Rafale24碳增韧双马 (IM6/524
13、5C ) 机翼、垂尾、鸭翼、副翼、前机身蒙皮 幻影4000整体油箱翼盒、尾翼等 ASX10碳/环氧树脂机翼(壁板尺寸6.34m1.5m)、机身、垂尾 瑞典JAS-39301988碳/环氧树脂 (AS4/8552) 机翼、机身、鸭翼、垂尾、进气道 德、英 西、意 EF-2000301994 碳/增韧双马 (T800/5245) 机翼、前机身、中机身、尾翼蒙皮 日FS-X18整体机翼、垂尾、平尾等 英美洲豹虎碳/环氧树脂机翼、方向舵 占结构重量 百分比(%) 机型 材料 表1-2 民用飞机结构用材料重量百分比 复合材料铝合金钛合金钢 第1代Boing7070.2 第2代 Boing747 A300
14、 1 5 81 76 4 4 13 13 第3代 Boing767 Boeing757 A320 3 3 5.5 80 78 76.5 2 6 4.5 14 12 13.5 第4代 Boing777 A340 11 8 70 75 7 6 11 8 各向异性和可设计性 由单向预浸带铺叠并固化而成的层压结构是目前飞机复合 材料结构的主要形式。单向带呈现强烈的正交异性(沿纤维方向 的性能与垂直纤维方向的性能差别很大)，可以在不同的方向铺 设不同比例的单向带，来满足结构平面内所需方向性能的要求 。当然各向异性给结构设计、分析和制造增加了困难，这也是 复合材料结构设计的特点之一。 损伤、断裂和疲劳行为
15、 各向异性、脆性和非均质性，特别是层间性能远低于层内 性能等特点，使复合材料层压板的失效机理与金属完全不同， 因而它们的损伤、断裂和疲劳性能也有很大差别。另一方面， 复合材料构件制造目前主要靠人工铺贴和热压成形，再加上加 工、运输过程中可能受到的外来物冲击，其制件会比金属制件 更易带有程度不等的缺陷/损伤。表1-4概述了影响复合材料结构 与金属结构疲劳和损伤容限的因素比较。 (1) 主要的缺陷/损伤类型 裂纹是金属飞机结构的主要损伤形式。 复合材料结构的关键缺陷/损伤形式是界面脱胶、分层和低能量(特 别是低速)外来物产生的冲击损伤。冲击损伤的威胁在于当内部产 生大范围基体开裂和分层时，外表面往
16、往仍目视不可检，但其压 缩承载能力已大幅度下降(外表面目视勉强可检的冲击损伤可使其 压缩强度降为无损强度的40%)。分层是复合材料层压结构特有的 损伤形式。生产过程中工具坠落、撞击；使用过程中跑道碎石及 冰雹、鸟类等外来物冲击，以及局部层间应力集中或结构超载， 都可能引起内部分层。这类损伤的存在和扩展对层压板或结构强 度和刚度下降的影响是显著的。 (2) 缺口敏感性 金属一般都具有屈服阶段，而复合材料往往直 至破坏其应力-应变曲线仍呈现线性，所以复合材料的静强度缺 口敏感性远高于金属。但复合材料的疲劳缺口敏感性则远低于 金属，其疲劳缺口系数(一定循环次数下，无缺口试件疲劳强度 与含缺口疲劳强度之比)远小于静应力集中系数，并且在中长寿 命情况下接近于1。 (3) 疲劳性能 金属对疲劳一般比较敏感，特别是含缺口结构受 拉-拉疲劳时，其疲劳强度会急剧下降，但复合材料一般都 显示有优良的耐疲劳性能。另外含冲击损伤和分层的
