复合材料在飞机上的应用评述

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1、新 视 点NEW VIEWPOINT64航空制造技术2 0 0 6年第3期目前， 复合材料在飞机上的应用 已非常广泛，但在2 0 世纪9 0 年代初 复合材料市场曾一度陷入低靡， 究其原因是由于复合材料设计制造的复杂 性造成了成本壁垒， 人们开始认识到 只有重视性能和成本的平衡， 才能使 复合材料展现辉煌。 随着复合材料先进技术的成熟， 使其性能最优和低成 本成为可能， 大大推动了复合材料在 飞机上的广泛应用。 本文在介绍国外 复合材料在飞机上广泛应用的基础上， 对作为技术保障的数字化设计技 术和先进制造技术进行了分析研究。从国外情况看， 各种先进的飞机 都与复合材料的应用密不可分， 复合 材

2、料在飞机上的用量和应用部位已成 为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。 下面介绍复合材料在飞机上应用 的发展趋势。 ( 1 ) 复合材料在飞机上的用量日 益增多。复合材料在飞机上 的应用评述北京航空航天大学机械工程及自动化学院 张丽华 范玉青复合材料用量通常用其所占飞机 机体结构重量的百分比表示， 纵观复 合材料在民机上的发展情况发现， 无论是波音公司还是空中客车公司， 随 着时间推移， 复合材料的用量都呈增 长趋势。 最具代表意义的是空客公司 的A 3 8 0 客机和波音公司最新推出的7 8 7 客机。 在A 3 8 0 上仅碳纤维复合材 料的用量就达3 2 t 左右， 占结构总重 的1 5

3、% ，再加上其他种类的复合材 料， 估计其总用量可达2 5 % 左右。 7 8 7上初步估计复合材料用量可达5 0 % ， 远远超过了A 3 8 0 。另外，复合材料 在军机和直升机上的用量也有同样的 增长趋势。( 2 ) 应用部位由次承力结构向主 承力结构过渡。 飞机上最初采用复合材料的部位 有舱门、 整流罩、 安定面等次承力结构， 目前已广泛应用于机翼、 机身等 部位， 向主承力结构过渡。 从1 9 8 2 年 开始用复合材料制造飞行操纵面 （如 A 3 1 0 - 2 0 0 飞机的升降舵和方向舵） ，空客公司在主承力结构上使用复合材 料已有2 0 多年的经验。在A 3 8 0 上采 用

4、的碳纤维复合材料大型构件主要有中央翼盒、翼肋、机身上蒙皮壁板、 机身后段、机身尾段、地板梁、后承 压框、 垂尾等， 大量的主承力结构都 采用了复合材料。7 8 7 复合材料的应用则更让世人瞩目， 其机身和机翼部 位采用碳纤维增强层合板结构代替铝 合金; 发动机短舱、水平尾翼和垂直 尾翼、 舵面、 翼尖等部位采用碳纤维增强夹芯板结构; 机身与机翼衔接处 的整流蒙皮采用玻璃纤维增强复合材 料。与A 3 8 0 相比其用量更大，主承 载部位的应用更加广泛， 这将是世界上采用复合材料最多的大型商用喷气 客机。 ( 3 ) 复合材料在复杂曲面构件上 的应用越来越多。飞机上复杂曲面零件很多， 复合 材料的

5、应用也越来越多，比如A 3 8 0 机身1 9 段、1 9 . 1 段和球面后压力隔 框等均为采用复合材料的具有复杂曲复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一; 复合材料构件的整体成型、共固化技术不断进展，复杂曲面构件 不断扩大应用；复合材料的数字化设计， 设计、制造一体化， 以及基于三维模型铺层展开的专用设计/ 制造软件等技术的开发是先进复合材料发展 的基本技术保障复合材料在飞机上的应用NEW VIEWPOINT新 视 点65航空制造技术2 0 0 6年第3期面的大尺寸受力组件， 分别采用纤维铺放技术和树脂膜渗透（R F I ）工艺 制造。 在大型复杂曲面构件上

6、应用复 合材料最典型的例子，当属洛克希 德马丁公司在J S F 项目中的复合材料进气道。 采用纤维铺放技术制造的 J S F 进气道，通道截面沿S 形轴线由 矩形向圆形过渡，同时直径逐渐变 小，形状非常复杂。该进气道由4 部分碳环氧复合材料结构组成， 采用 夹芯结构增强刚度， 实现减重并降低 了成本。 在复杂曲面轮廓上应用复合材料存在潜在的制造变形问题， 与铺层边 界吻合的复杂曲面的铺层展开形状难 以确定， 更严重的是铺层甚至无法展 开，在设计制造方面具有很大的难度，该类零件的设计具有挑战性。 ( 4 ) 构件向整体成型、 共固化方 向发展。 飞机上大量采用复合材料的一个主要目的就是减重， 而

7、复合材料构件 的共固化、 整体成型能够成型大型整 体部件， 可以明显减少零件、 紧固件 和模具的数量。 减少装配是复合材料结构减重的重要措施， 也是降低成本 的有效方法。 构件整体成型最有代表性的例子 是P r e m i e 商务机采用纤维铺放技术制造的整体成型机身结构。 该机身 厚度为2 0 . 6 m m ，采用碳纤维增强复 合材料作为面板的蜂窝夹层结构， 消 除了传统铝制机身中需要的桁条和框架，由此比相同尺寸的飞机增加了 3 3 % 的客舱空间，并带来了2 5 % 的减 重。 P r e m i e 商务机的机身只有两个 整体成型的部件构成， 整个机身质量小于2 7 3 k g ， 而

8、同样大小的铝合金机 身结构将包括加强筋、框架、舱壁、 外蒙皮等， 零部件数目超过3 0 0 0 个， 质量至少为4 5 4 k g 。 零部件数目的减少在很大程度上缩短了生产周期， 减 少了在制造和装配部件过程中的工 时，从而大幅度降低成本。然而，当 越来越多的功能被集成到单一部件中时， 复杂程度大大增加， 使设计和制造具有更大难度， 需要设计的创新以 及制造集成零件的先进技术来保证。由于复合材料设计制造的独特 性，设计、材料、工艺要求一体化以 及在主承力结构、 复杂曲面轮廓上应 用复合材料和构件整体成型所带来的问题， 使复合材料构件的成本、 性能 都受到影响。 大量复合材料的应用具 有很大的

9、挑战性， 必须以先进的复合 技术作为技术保障， 主要包括复合材料数字化设计、 先进制造技术以及设 计、制造一体化等。1 复合材料数字化设计 在复合材料数字化设计、 制造环 境下进行复合材料构件的结构设计、 铺层设计、 铺层展开以及制造数据准备等工作， 复合材料专用设计/ 制造 软件是不可缺少的工具。 目前世界领 先的复合材料专用设计/ 制造软件有 C A T I A C P D ( C A T I A - C o m p o s i t eD e s i g n ) 模块和V I S T A G Y 公司开发 的F i b e r S I M 软件。前者与C A T I A 系 统全面集成，后

10、者亦能完全集成到 C A T I A 、P r o / E以及U G等C A D 软件中。 复合材料设计/ 制造软件与已有C A D系统的集成提供了高效的复 合材料数字化设计/ 制造工具。 复合材料数字化设计不仅包括构 件的几何建模， 更为关键的是体现制造信息的铺层设计。 复合材料数字化 设计分为初步设计、 详细设计和制造 准备3 个阶段。 在初步设计阶段，先采用三维C A D 软件构建三维数字样机，定义 构件的形状以及定位特征， 以便在其 工装设计以及数字化装配中应用。 在 几何建模的基础上， 定位构件的结构区域，完成层合板的定义。 初步设计之后， 进入详细设计阶段。 依据分析软件的区域划分

11、以及各 区域的详细铺层定义数据， 设计者定 义构件的铺层集以及铺层集中的每一 个铺层，包括几何轮廓、铺设角度、辅设顺序、材料类型、参考坐标系、 相邻铺层集之间的铺层递减信息以及 铺层集中铺层数目的定义等。 完成铺 层定义后， 利用铺层分析工具对定义好的铺层进行分析， 如指定位置的夹 芯检查、 剖切面检查以及重量和面积 计算等， 检验实际铺层与预期铺层定 义的差别，并指导铺层的修改。技术保障飞机机翼装配现场新 视 点NEW VIEWPOINT复合材料的制造准备阶段完成材 料余量定义、 三维实体生成、 铺层展开以及技术文档的自动生成等。 一旦 设计者对铺层几何感到满意， 一方面 生成构件的三维实体

12、以便在数字化预 装配、 工装设计等过程中应用；另一方面将构件的三维实体模型逐层展 开， 生成铺层展开数据， 为制造应用 做数据准备。 设计信息在模型内定义 后， 使用复合材料设计/ 制造软件基于三维C A D模型可以自动生成工程 图纸、 材料表、 工艺流程卡、 铺层页、 箭标、 铺层表等， 是指导复合材料构 件生产和装配的依据。 一旦设计模型有所改动，文档自动更新以适应变 化，极大缩短了设计时间。 2 复合材料设计、制造一体化 除上述的数字化设计功能之外，复合材料专用设计/ 制造软件还提供 数据接口以联系设计和制造环节， 使 制造与设计定义直接结合，实现设 计、 制造的一体化。 三维模型建好以

13、后， 一边用于工装的设计制造， 一边 输入复合材料专用设计/ 制造软件完 成基于三维模型的铺层展开。 铺层展 开数据进一步提取通过数据接口生成下料机专用的排样下料文件、 直接支 持V i r t e k 和G e n e r a l S c a n n i n g 激光 投影系统的激光投影编码 （或提供中 介A P T格式文件）以及用于纤维铺放的铺层文件等， 通过数据接口将上 述文件信息分别输入到排样系统、 自动剪裁机、 激光铺层定位系统和纤维 铺放机等制造设备， 自动进行优化排 样、 下料、 各铺层精确定位以及纤维 铺放等。 复合材料设计、 制造一体化实现了零件三维模型到制造的无缝集 成，

14、极大地减少了不准确的铺层尺寸 和铺设方向， 提高了产品质量， 同时 自动切割和优化排样减少了材料浪费， 激光铺层定位消除了手工切割样 板和手工铺层样本，降低了成本。 3 复合材料先进制造技术 传统的复合材料制造技术自动化程度低， 致使复合材料构件存在质量 分散性大，生产成本居高不下等问 题。 近年来出现的各种各样的自动化 程度较高的复合材料先进制造技术，比如纤维铺放、 树脂膜转移成型/ 树 脂膜渗透成型及电子束固化等， 对提 高生产效率、 提高构件质量、 降低成 本起到了关键作用。纤维铺放技术是自动铺丝束技术 和自动窄带铺放技术的统称， 是在已 有缠绕和自动铺放基础上发展起来的 一种全自动制造

15、技术， 适用于机身等大型、 复杂型面结构的制造。 纤维铺 放技术是近年来发展最快、 最有效的 复合材料自动化制造技术之一， 应用 也非常广泛。 预成型体复合材料液体成型工艺技术（L C M ）是先进树脂基 复合材料低成本制造技术的一个重要方面，目前已获得相当成功的有 R T M和R F I 工艺，为制造集成零件 的最先进技术之一。在零件固化方 面，传统的热压罐固化初期投资大，要求高温高压， 大型制品还受到成型 设备大小的限制， 采用电子束固化的 目的是显著降低大型、 复杂、 整体结 构复合材料构件的固化成本。另外，电子束固化与纤维铺放技术相结合， 能够成型大型整体部件， 对构件的整 体成型、共

16、固化有重要意义。 先进的复合材料技术为飞机制造企业带来了巨大的效益， 对提高飞机 的性能起着极重要的作用。例如， J S F 飞机在复合材料进气道的研制中 由于采用了数字化设计和纤维铺放等先进技术，最终将其设计时间由 3 0 0 h 减少到1 5 0 h ，制造时间由4 5 0 h 减少到2 0 0 h ；西科斯基公司在S - 9 2 直升机坐舱罩的研制中通过采用先进技术，降低开发时间2 7 % ，减少更改 超过9 0 % ；在整体成型P r e m i e 机 身的过程中采用了纤维铺放技术， 与 手工铺层相比，使结构重量减少了2 0 % ，材料浪费减少了6 0 % 。飞机的绝大部分结构将采用复合材料的这一预言已经实现， 人们期待 着复合材料在飞机上更广阔的应用前 景， 甚至全复合材料飞机的出现。 随 着材料方面的新进展， 比如智能复合材料的出现， 以及复合材料设计/ 制 造技术朝着数字化、 集成化、 知识化 等方向的不断发展， 将会大大加速这 一进程。近年来， 我国的复合材料技术得 到了迅速发展， 开始朝着实现复合材 料构件设计、 制造、 检测一体化方