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1、复合材料及其在飞机结构中的应用,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,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。,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。,概 述,先进复合材料的广泛应用还可进一步推进
2、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。,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。,Advanced CompositeApplication,CC22643019.ppt,F-4 Phantom II,Boron Epoxy,Rudder,Boron/Epoxy Rudder,CC22643020.ppt,F-4 Phantom II,CC22643020.ppt,上世纪60年代
3、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%。,CC22643020.ppt,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，
4、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。,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。,CC22643020.ppt,B2轰炸机复合材料38%,远程轰炸机,A400M复合材料应用部位,大型军用运输机,复合材料在飞机结构中的应
5、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。,直升机材料的发展,EC135复合材料应用,V-22复合材料40%,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
6、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。,将复合材料应用到飞机的次承力构件,美国：ACEE计划（19761986）,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,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%,美国：ACT计划（19881997
7、）,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,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,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,美国：CAI计划（
8、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,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,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
9、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 ）,新一代大型客机复合材料应用现状,干线客机各种材料结构重量百分比（%）,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。,A380,更安全、更经济、更舒适、更环保 每座油耗比747-400降低17%
10、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,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%,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,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）
11、 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,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,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,最新公布的A350XWB各类材料分布,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，
12、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,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,Advantages,Automated Tape Laying,Disadvantages,Greater Pounds/Hr. Very Consistent No Debulking Required,
13、Significant Equipment Cost Recurring Maintenance Limited Contour Capability,Fiber Placement,Advantages,Concave Contours True 0 Plies Possible Consistent Product,Disadvantages,Significant Equipment Cost Complex Programming Somewhat Slow,Resin Transfer Molding,Advantages,Complex Structures Near Net Mo
14、lding Excellent Surfaces,Disadvantages,High Tooling Costs Preform Costs,Resin Transfer Molded Part Complexity,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,Pressure Application- Integrally Cocured Structure,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
15、减少90%（2000个），紧固件减少80%（42000个），工装减少70%，成本降低50%。,50% Cost Reduction,20% Weight Reduction,C-17 Composite Horizontal Stabilator,December 15 2009 低成本复合材料技术已进入工程化应用的标志,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%,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
16、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,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。,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
