数值模拟技术在飞机复合材料结构制造中的应用_免费下载
大型飞机复合材料机身结构设计
大型飞机复合材料机身结构设计 李晓乐 （北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100083） 摘要：本文研究了复合材料在大型飞机机身上的应用。利用相关机身结构数据，进行了结构形式的分析和选 择。参照有关规定，针对所设计的飞机机身在气密载荷作用下的情况进行了强度分析，并用这些分析结果来指 导复合材料的结构设计。复合材料选择为层合结构。并依据层合复合材料的特性，进行了层合板的铺层角度设 计和铺层顺序设计。对所设计的大型飞机复合材料机身结构进行了刚度分析，给出了主要构件的应力、应变结 果，证明了这种层合复合材料设计是合理可行的，为复合材料在我国大飞机项目上的应用提供了参考。 关键词：复合材料；大型飞机；机身结构；刚度 The Structural Design of Composites of Large Airplane Fuselage LI Xiaole (School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China) Abstract: This paper discusses the application of composite material in the large airplane fuselage. The concrete form of fuselage was analyzed and determined, which based on the data of some existing fuselage structure. Compared with some standard, the strength of the fuselage was analyzed under the pressure load. The result can conduct the structures design. The laminate of composites was chosen. The degree and the order of composite were also determined. The stiffness of the designed composite fuselage was computed, which also showed the result of strain and stress. Analysis manifested that the composites is designed appropriately, and the result can be consulted in the large-aircraft program. Keywords: Composites, Large Airplane, Fuselage Structure, Stiffness 机身是飞机的重要部件之一，它把机翼、尾翼、起落架等部件连接在一起，形成一架完整的飞机。对大型民用飞机来说，机身还能安置空勤组人员、旅客、装载燃油、设备和货物。现代飞机的机身是一种加强的壳体，这种壳体的设计通常称为“半硬壳式设计”。为了防止蒙皮在受压和受剪时失稳，就需要安装隔框、桁条等加强构件[1~2]。 随着时代的发展，复合材料在飞机设计中的用量越来越大，除了以前的非承力构件，现在主承力构件上也开始采用大量的复合材料设计。但到现在为止，虽然复合材料的用量有了相应的增加，可飞机机身仍然是有金属参加的[1]。 本文针对机身所承受的载荷，确定飞机机身的整体刚度、强度。然后以刚度、强度为基准，设计复合材料的结构形式，并对这种形式的机身进行初步的性能计算，旨在为复合材料在我国大飞机项目上的应用提供一些参考。 1 机身结构设计 作者介绍:李晓乐(1985-), 男, 硕士研究生. ft4331789@https://www.wendangku.net/doc/aa16133091.html,
复合材料在飞机上的应用
新视点 NEW VIEWPOINT 64航空制造技术２００６年第３期 目前，复合材料在飞机上的应用已非常广泛，但在２０世纪９０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Ａ３８０客机和波音公司最新推出的７８７客机。在Ａ３８０上仅碳纤维复合材料的用量就达３２ｔ左右，占结构总重的１５％，再加上其他种类的复合材料，估计其总用量可达２５％左右。７８７ 上初步估计复合材料用量可达５０％，远远超过了Ａ３８０。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１９８２年开始用复合材料制造飞行操纵面（如Ａ３１０－２００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２０多年的经验。在Ａ３８０上采用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。７８７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Ａ３８０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，复合材料的应用也越来越多，比如Ａ３８０机身１９段、１９．１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
航空航天复合材料技术发展现状
航空航天复合材料技术发展现状 2008-11-25 中国复合材料在线［收藏该文章］ 材料的水平决定着一个领域乃至一个国家的科技发展的整体水平；航空、航天、空天三大领域都 对材料提出了极高的要求；材料科技制约着宇航事业的发展。 固体火箭发动机以其结构简单，机动、可靠、易于维护等一系列优点，广泛应用于武器系统及航 天领域。而先进复合材料的应用情况是衡量固体火箭发动机总体水平的重要指标之 一。在固体发动机研制及生产中尽量使用高性能复合材料已成为世界各国的重要发展目标， 目前已拓展到液体动力领域。科技发达国家在新材料研制中坚持需求牵引和技术创新相结合，做到了需求牵引带动材料技术发展，同时材料技术创新又推动了发动机水平提高的良性发展。 目前，航天动力领域先进复合材料技术总的发展方向是高性能、多功能、高可靠及低成本。 作为我国固体动力技术领域专业材料研究所，四十三所在固体火箭发动机各类结构、功能复合材料研究及成型技术方面具有雄厚的技术实力和研究水平，突破了我国固体火箭发动 机用复合材料壳体和喷管等部件研制生产中大量的应用基础技术和工艺技术难关，为我国的 固体火箭发动机事业作出了重要的贡献，同时牵引我国相关复合材料与工程专业总体水平的 提高。建所以来，先后承担并完成了通讯卫星东方红二号远地点发动机，气象卫星风云二号 远地点发动机，多种战略、战术导弹复合材料部件的研制及生产任务。目前，四十三所正在 研制多种航天动力先进复合材料部件，研制和生产了载人航天工程的逃逸系统发动机部件。 二、国内外技术发展现状分析 1、国外技术发展现状分析 1.1结构复合材料 国外发动机壳体材料采用先进的复合材料，主要方向是采用炭纤维缠绕壳体，使发动机质量比有较大提高。如美国“侏儒”小型地地洲际弹道导弹三级发动机（SICBM-1 、-2、- 3 ）燃烧室壳体由IM-7炭纤维/HBRF-55A 环氧树脂缠绕制作，IM-7炭纤维拉伸强度为 5 300MPa , HBRF-55A 环氧树脂拉伸强度为84.6MPa，壳体容器特性系数（PV/Wc ）＞3 9KM ;美国的潜射导弹“三叉戟II （D5 ）”第一级采用炭纤维壳体，质量比达0.944，壳 体特性系数43KM，其性能较凯芙拉/环氧提高30% 国外炭纤维的开发自八十年代以来，品种、性能有了较大幅度改观，主要体现在以下两个方 面：①性能不断提高，七、八十年代主要以3000MPa的炭纤维为主，九十年代初普遍使用 的IM7、IM8纤维强度达到5300MPa,九十年代末T1000纤维强度达到7000MPa,并已开始工程应用；②品种不断增多，以东丽公司为例，1983年产的炭纤维品种只有4种，至U 1995 年炭纤维品种达21种之多。不同种类、不同性能的炭纤维满足了不同的需要，为炭纤维复合材料的广泛应用提供了坚实的基础。 芳纶纤维是芳族有机纤维的总称，典型的有美国的Kevlar、俄罗斯的APMOC,均已在多 个型号上得到应用，如前苏联的SS24、SS25洲际导弹。俄罗斯的APMOC纤维生产及其应 用技术相当成熟，APMOC纤维强度比Kevlar高38%、模量高20%，纤维强度转化率已达到75%以上。PBO纤维是美国空军1970年开始作为飞机结构材料而着手研究的产品，具有刚
(完整版)12级复合材料结构设计参考资料
复合材料结构设计参考资料复合材料与工程 考试形式 笔试闭卷 考试时间和地点 时间：2015年6月25日14:00--15:40 地点：材料学院A107 题型与分数分布 一．名词解释 二．填空题 三．简答题 四．计算题
一、绪论 1.复合材料：由两种或两种以上具有不同的化学或物理性质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的新材料，且各组分材料之间具有明显的界面。 一相为连续相，称为基体；起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用。 一相为分散相，称为增强体（增强相）或功能体。是以独立的形态分布在整个连续相中的，两相之间存在着相界面。（分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料） 主要起承受载荷的作用，赋予复合材料以一定的物理、化学功能。 2.复合材料分类： A按基体材料分：树脂基的复合材料、金属基复合材料、无机非金属复合材料 B按分散相形态分：连续纤维增强、纤维织物增强、片状材料增强、短纤维增强、颗粒增强C按增强体材料种类分类：玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维。 D按用途分类：结构复合材料：利用复合材料的各种良好力学性能用于制造结构的材料。 功能复合材料：指具有除力学性能以外其他物理性能的复合材料 3.复合材料的结构层次： 三次结构：纤维缠绕压力容器，即平常所说的制品结构（a） 二次结构：从容器壁上切取的壳元即是由若干具有不同纤 维方向的单层材料按一定顺序叠合而成的层合 板（b） 一次结构：层合板的一个个铺层，是层合板的基本单元（c） 二、单层板的宏观力学分析 1.单层板的正轴刚度 正向:也就是说应力方向与坐标方向一致方向为正向，相反为负向。 正面：截面外法线方向与坐标轴方向一致的面，否则为负面。 σ1和σ2——表示正应力分量:拉伸为正，压缩为负，也就是使整 个单层板产生拉伸时的应力为正应力，而使单层板产生压缩时的应 力为负应力。 τ12——表示剪应力分量:其中正面正向为正；负面负向也为正。 A．力学实验 a.纵向单轴试验： 纵向泊松比v1是单层板由于纵向单轴应力σ1而引起的横向线应变ε2(1)与纵向线应变ε1(1)的比值。（ε2(1)表示的是这个应变是由纵向应力σ1引起的） b.横向单轴试验
飞机用复合材料的低成本制造设备及工艺
FORUM 论坛 航空制造技术年第期 飞机用复合材料的低成本制造 设备及工艺 中国航空工业发展研究中心 陈亚莉 本文分析了复合材料低成本制造工艺及设备。指出在 降低复合材料成本方面，制造技术有着广泛机遇，其关键是自动化设备。在低成本工艺方面，非热压罐技术潜力巨大，代表着未来的发展方向。 Low -Cost M anuf act ur i ng Equi pm ent and Pr ocess of Com posi t es f or A i r cr af t 波音787已开始交付用户，A 350的格局已定，A320和波音737将重新换发，F-35正进入20年生产初期。飞机将成为下一个10年制造的主角，且将不再是以金属为主要结构的装备。材料系统的选择以及结构设计业已确定，金属及复合材料之间的平衡也已肯定下来。在这种情况下，制造技术将进一步提高生产效率和降仍有待改进。例如花大量时间来置 入紧固件，由于紧固件类别不同，需要一方面看图纸，在蒙皮上做标记，然后再将紧固件置入蒙皮。 飞机复合材料结构正在开发一系列缩短周期、降低成本的先进技术。例如，从三维设计数据库中自动取出零件的几何尺寸数据是飞机制造商的优先项目。当飞机产量大或要求制造精度高时，需要自动化设备进入生产车间进行铺层、切削加工、钻孔及在生产线上进行检验。 铺层自动化 对于复合材料制造来说，自动化是关键。碳纤维可提供所需的性能改进，但产量必须提高，成本才能降低。波音787、A 350以及F -35投产时就必须提高生产率。随着从手工铺层到自动化铺层，碳纤维在模具上的铺层就成了关键性的推手。 低成本，即使材料及结构方面大的决策已定，在制造方面仍有充分的改进空间。 由于空客及波音已将下一代窄体飞机推迟到2020年以后，复合材料与金属材料之争已冷却下来，即使 这样，先进材料及制造技术的发展仍 有机遇，只是不同飞机的机遇不同罢了。 例如，对于A 320neo 和波音737MAX 这样的飞机，要改变材料的 机遇有限，而结构及技术仍将采用标准形式。但对于A 350-1000以及787-10仍有更多的机遇采用新的制造技术。目前仍处在设计中的波音777X 有可能做更多的变化，例如，采用碳纤维复合材料机翼。这些飞机 在结构及材料决定之后，仍有大量降低及减重以及工艺改进工作。又如，F-35仍在开发中，重点放在制造改进上， 大量的手工劳动以及质量问题 陈亚莉中国航空工业发展研究中心研究员。长期从事航空材料情报研究工作， 曾获先进国防科技情报工作者等称 号。 44 201219
(完整word版)飞机夹层结构复合材料零部件的损伤形式及修理方法
常见飞机蜂窝板损伤形式及修理方法 航空器复合材料中的蜂窝板是由薄而强的两层面板中间胶接蜂窝材料而成的一种新型复合材料，也称蜂窝层合结构(见图1)。其面板选材有金属板、玻璃纤维、石英纤维、碳纤维等；夹心材料主要有芳纶、玻璃纤维、铝合金及发泡型结构。蜂窝可制成不同的形状。飞机上的蜂窝结构是由耐腐蚀夹心、面板、衬垫、隔板（假梁）、边肋等零件胶合而成。面板与夹芯之间用胶膜胶接，蜂窝夹芯用芯子胶和耐腐蚀胶根据实际需要形状施加真空压力后加温胶接成型。 图1 蜂窝夹心板结构 一、航空复合材料蜂窝结构损伤种类 根据航空复合材料蜂窝结构部件在使用过程中可能出现损伤的情况，我们可以大致将胶接蜂窝结构部件的损伤分以下5类： 1、表面损伤 图2 典型表面凹坑 此类损伤一般通过目视检查发现，包括表面擦伤、划伤、局部轻微腐蚀、表面蒙皮裂纹、表面小凹坑和局部轻微压陷等。这类损伤一般对结构强度不产生明显的削弱。 2、脱胶及分层损伤
该损伤是指纤维层与层之间或面板与夹芯之间的树脂失效缺陷，主要通过敲击检查、超声波检测等手段发现。此类损伤一般不引起结构外观变化，大多是在生产过程中造成的初始缺陷，并在反复使用过程中缺陷不断扩展而导致的。脱胶或分层面积过大会引起整体复合材料强度的削弱，应及时予以修补。 3、单侧面板损伤 这类损伤包括单侧面板局部压陷、破裂或穿孔，一般通过目视检查即可发现。该类型损伤能使一侧面板和蜂窝夹芯都受到损伤（表面塌陷），对气动性能和结构强度影响较大。一旦发现该类损伤必须经过修理和检验确认后方能能重新使用。 4、穿透损伤 该类型损伤是指蜂窝部件出现穿透性损伤、严重压陷和较大范围的残缺损伤等。此类损伤对结构性能和强度有严重的影响，根据受损情况立即予以修理或按需更换新件。 5、内部积水 该损伤原因主要由于蜂窝结构边缘或蜂窝材料对接边缘密封不严或密封失效，在长期使用过程中由于雨水渗透、油液浸泡以及水汽冷凝而造成蜂窝夹芯出现积水。虽然一般情况蜂窝内部积水不会造成严重影响；但在冬季日夜气温变化较大的情况下，由于积液结冰膨胀将会会造成复合材料部件内部树脂基体脱胶；同时在积液的长期浸泡下也会使复合材料的树脂基体的胶接强度大幅降低而降低部件的整体性能；特别是各类复合材料制备的舵面、襟翼、翼身整流罩及发动机部件等，均应及时检查其内部蜂窝结构的积水情况并作出相应修理措施。目前该类损伤主要通过红外热成像、X-射线检测仪等手段进行检测。 二、蜂窝结构的检查方式 1、目视检查 目视检查法是使用最广泛、最直接的无损检测方法。主要借助放大镜和内窥镜观测结构表面和内部可达区域的表面，观察明显的结构变形、变色、断裂、螺钉松动等结构异常。它可以检查表面划伤、裂纹、起泡、起皱、凹痕等缺陷；尤其对透光的玻璃钢产品，可用透射光检查出内部的某些缺陷和定位，如夹杂、气泡、搭接的部位和宽度、蜂窝芯的位置和状态、镶嵌件的位置等。 2、手锤敲击法 用于单层蒙皮蜂窝结构。用手锤敲击蜂窝结构的蒙皮，根据不同的声响来判断蜂窝结构是否脱胶。敲击时，注意锤头与蒙皮垂直，力度适当，以能判断故障不损坏蒙皮表面为宜。为使判断准确，可先在试件上试验。敲击回声清脆是良好，沉闷是脱粘。 3、外场在位检测的便携式相控阵超声波C扫描检测系统
飞机复合材料损伤检测与维修【毕业作品】
BI YE SHE JI （20 届） 飞机复合材料损伤检测与维修 所在学院 专业班级飞机结构修理 学生姓名学号 指导教师职称 完成日期年月
摘要 复合材料是由两种或两种以上的原材料,通过各种工艺方法组合成的新材料。其应用在航空领域越来越广泛。对于现代飞机来说复合材料的应用对减重、耐腐蚀和降低成本有着重要的作用。对飞机结构轻质化、小型化和高性能化起着至关重要的作用。复合材料在飞机上的应用日趋广泛,其应用和修理水平亟待提高。论文介绍了飞机复合材料的损伤特征和可用于飞机复合材料损伤无损检测的目视、敲击、阻抗、谐振、超声、射线照像、红外热图和声发射等检测法,并结合实际介绍了不同类型复合材料结构和缺陷检测方法的选择。 关键词：复合材料；损伤检测；维修
ABSTRACT Composite materials are composed of two or more than two kinds of raw materials. Its application in aviation field is more and more extensive. For modern aircraft, the application of composite materials has an important role in weight loss, corrosion resistance and cost reduction. It plays an important role in the light weight, small size and high performance of the aircraft structure. The application of composite materials in aircraft is becoming more and more extensive, and its application and repair level need to be improved. This paper introduces the damage characteristics of aircraft composite material and can be used for nondestructive detection of visual, percussion, impedance, resonance, ultrasound, X-ray, infrared thermography and acoustic emission detection method of damaged aircraft composite materials, and introduces different types of composite structure and defect detection method combined with the actual choice. Key words:composite material; damage detection; maintenance
航空航天领域先进复合材料制造技术进展
专题研究 Feature 72 纺织导报 China Textile Leader · 2018 产业用纺织品专刊 参考文献 [1] 李俊宁，胡子君，孙陈诚，等. 高超声速飞行器隔热材料技术 研究进展[J]. 宇航材料工艺，2011，41（6）：10－13. [2] GRITSEVICH I V, DOMBROVSKII L A, NENAROKOMOV A V. Heat transfer by radiation in vacuum shield insulation of spacecrafts [J]. Thermal Processes in Engineering, 2013, 5（1）: 12－21. [3] 沈学霖，朱光明，杨鹏飞. 航空航天用隔热材料的研究进展[J]. 高分子材料科学与工程，2016，32（10）：164－169. [4] KIM J, LEE J H, SONG T H. Vacuum insulation properties of phe-nolic foam[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, 55（19－20）: 5343－5349. [5] BHEEKHUN N, ABU TALIB A R, HASSAN M R. Aerogels in aerospace: An overview[J]. Advances in Materials Science and En-gineering, 2013, 406065. [6] WANG X, DING B, SUN G, et al. Electro-spinning/netting: A stra-tegy for the fabrication of three-dimensional polymer nano-fiber/nets[J]. Progress in Materials Science, 2013, 58（8）: 1173－1243.[7] SI Y, YU J, TANG X, et al. Ultralight nanofibre-assembled cellular aerogels with superelasticity and multifunctionality[J]. Nature Com-munications, 2014, 5: 5802. [8] GBEWONYO S, CARPENTER A W, GAUSE C B, et al. Low th-ermal conductivity carbon fibrous composite nanomaterial enab-led by multi-scale porous structure[J]. Materials & Design, 2017, 134: 218－225. [9] ZHENG H, SHAN H, BAI Y, et al. Assembly of silica aerogels wi-thin silica nanofibers: Towards a super-insulating flexible hybrid aerogel membrane[J]. RSC Advances, 2015, 5（111）: 91813－91820. [10] SHAN H, WANG X, SHI F, et al. Hierarchical porous structured SiO 2/SnO 2 nanofibrous membrane with superb flexibility for mole-cular filtration[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2017, 9（22）: 18966－18976. [11] KOBAYASHI Y, SAITO T, ISOGAI A. Aerogels with 3D ordered nanofiber skeletons of liquid-crystalline nanocellulose derivatives as tough and transparent insulators[J]. Angew Chem-Int Edit, 2014, 53（39）: 10394－10397. [12] SI Y, WANG X, DOU L, et al. Ultralight and fire-resistant ceramic nanofibrous aerogels with temperature-invariant superelasticity[J]. Science Advances, 2018, 4（4）: eaas8925. 机梯度隔热、舱室隔热保暖等领域。 纳米纤维材料虽然具有良好的隔热性能和弹性，但其拉伸、剪切性能仍需大幅提升以满足实际应用需求。同时，现有纳米纤维气凝胶的孔径较大，导致其热对流效应明显，特别是在高温环境下，因此需在保证其力学性能未大幅下降的前提下进一步减小纳米纤维气凝胶的孔径，提升材料的隔热性能，最终实现其在航空航天热防护领域的特效应用。 图 1 民用飞机结构复合材料用量的变化 1970年 1980年 1990年 2000年 2010年 空客A350：52% 波音787：50%空客A380：25%空客A340：13%波音777：11%波音757：4%波音767：4% 复合材料用量/% 尾翼应用复合材料 外翼、机身应用复合材料 A350 A380 A340中央翼应用复合材料 次承力结构应用复合材料 50403020100 波音787 波音777 波音757/767 复合材料自20世纪60年代问世以来迅速发展，由于具有高比刚度、高比强度、性能可设计、抗疲劳性和耐腐蚀性等优点，越来越广泛地应用于各类航空航天飞行器，大大地促进了飞行器的轻量化、高性能化、结构功能一体化。同时，复合材料的应用部位已由飞机的非承力部件及次承力部件发展到主承力部件，并向大型化、整体化方向发展，先进复合材料的用量成为航空器先进性的重要标志。本文重点阐述航空航天领域最为广泛应用的碳纤维增强树脂基先进复合材料的应用概况、制造技术及未来发展方向。 1 先进复合材料在航空航天领域的应用概况 先进复合材料在航空航天领域的应用始于军用飞 机，是为满足其对高机动性、超音速巡航及隐身等要求而不惜成本开始采用的。近年来由于结构轻量化的要求，民用飞机在复合材料用量方面也呈现增长的趋势。图 1 为商用飞机中复合材料用量占结构重量比例的增加趋势。以1990年研制的波音777为例，在其机体结构中，复合材料仅占11%，而且主要用于飞机辅件，如尾翼和操纵面等。到了2009年波音787首飞时，复合材料的使用出现了质的飞跃，其用量已占到结构重量的50%（图 2），而空客A350的复合材料用量更是达到了52%（图 3），不仅复合材料占比激增，而且复合材料大量应用于 碳纤维复合材料层压板碳纤维夹芯复合材料玻璃纤维复合材料铝 铝/钢/钛复合材料 其他5% 钢10% 钛15%铝20% 复合材料50% 图 2 波音787的复合材料用量
飞机复合材料设计
目录 复合材料 (2) 1. 复合材料特点 (2) 1.1 复合材料的应用 (2) 1.2 设计规范的演变 (2) 1.3 复合材料适航验证试验程序 (3) 1.4 碳纤维树脂基复合材料优点 (3) 1.5 碳纤维树脂基复合材料缺点： (4) 2. 材料种类 (4) 2.1 树脂基体 (4) 2.1.1 热塑性复合材料 (4) 2.1.2 热固性复合材料 (5) 2.1.3 树脂材料性能对比 (5) 2.2 增强纤维 (6) 2.2.1 碳纤维 (6) 2.2.2 玻璃纤维 (7) 2.2.3 芳纶纤维 (7) 2.2.4 材料性能对比 (7) 2.3 预浸料 (7) 2.4 芯材 (8) 2.4.1 蜂窝芯 (8) 2.4.2 泡沫芯 (8) 2.5 胶粘剂 (9) 3. 复合材料试验验证步骤 (9) 4. 复合材料结构设计 (9) 4.1 复合材料设计基本要求 (9) 4.2 设计选材 (9) 4.2.1 设计选材需求 (9) 4.2.2 夹层结构的选材 (10) 4.3 层压板设计 (10) 4.3.1 铺层方向和比例 (10) 4.3.2 铺层设计 (10) 4.3.3 丢层要求 (10) 4.3.4 拼接 (11) 4.3.5 开口设计要求 (11) 4.4 夹层结构设计 (11) 4.4.1 制造方法 (11) 4.4.2 面板设计准则 (11) 4.4.3 芯材 (12) 4.5 细节设计 (12) 4.6 复合材料设计优化 (12) 4.7 复合材料连接 (13) 4.7.1 胶接结构 (13) 4.8 垂尾复合材料结构设计 (14)
4.9 复合材料检测 (14) 5. 复合材料制造 (14) 5.1 复合材料的成型方法和特点 (14) 5.2 成型工艺过程 (15) 5.2.1 热压罐工艺 (16) 5.2.2 RTM工艺 (16) 5.2.3 机加工艺 (16) 5.3 制造缺陷 (16) 复合材料 1.复合材料特点 复合材料主要由基体和增强材料组成。非金属基体包括树脂、陶瓷等，增强材料包括碳纤维、芳纶、玻璃纤维等。应用最多的是树脂基碳纤维复合材料，其次是芳纶纤维。玻璃纤维因其强度、刚度较差，难以用在受力结构上，但因为价格便宜，民机上有较多应用。 复合材料的韧性和对环境的耐受能力主要取决于树脂。 韧性：表示材料在塑性变形和破裂过程中吸收能量的能力，韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。 1.1复合材料的应用 复合材料首次应用于空客A310-300（1985年）的垂尾上，后来应用到了扰流板、方向舵、起落架舱门、整流罩等部位。A340（2001年）首次将复合材料用在机身上，后气密压力框；A380（2005年）将中央翼盒用复合材料，将后压力框后部机身用复合材料，上层客舱底板、龙骨梁。A400M（2009年）第一架使用全碳纤维增强树脂基复合材料的机翼飞机。波音787（2009年）第一家引入全复材机体结构，整个机身结构用了碳纤维增强树脂复合材料。空客后来的A350XWB也是全复材机身。 1.2设计规范的演变 FAA针对复合材料结构合格审定中的新问题，于1978年颁布咨询通告AC-20-107A“复合材料飞机结构”，制定了一个可接受但不是唯一的验证方法，适用于FAR23、25、27和29涉及的所有航空器的复合材料结构，成为制定满足
浅析飞机复合材料结构修理技术
浅析飞机复合材料结构修理技术 随着科技的不断进步，复合材料逐渐出现在航空领域，在现代航空领域的发展中被广泛应用。由于复合材料已经成为现代飞机结构的重要组成部分，并且其损伤机理与金属损伤存在差异，对复合材料结构修理技术研究具有重要的现实意义。文章主要基于飞机复合材料结构修理基础之上进行研究，促进飞机复合材料的可持续发展。 标签：飞机复合材料；结构修理；技术分析 前言 国内对于先进复合材料在航空领域的应用已经取得一定成效，但对于飞机复合材料结构修理技术的研究依旧需要不断完善。由于现代航空领域需求的不断增加，对复合材料的使用要求逐渐严格。同时在具体的应用过程中需要对复合材料进行维护，体现出飞机复合材料结构修理技术的重要性。 1 飞机复合材料结构类型以及损伤类型 目前，国内外的复合材料在航空领域的应用具有广泛性特点，材料用量占总体用量总重的25%-40%，其中民用飞机占11%-16%，直升机高达60%以上。由此可见，飞机复合材料结构在航空领域的应用具有广泛性特点。对于复合材料以及损伤类型进行分析，加深对复合材料修理技术的理解。 1.1飞机复合材料结构类型 1.1.1 压层板。复合材料当中的压层板主要是由单层板粘合而成，同时构成材料可为不同材质的单层板，也可为各向异性单层板进行构成。由于单层板构成存在复杂性以及非匀质性，导致单层板的实际构成具有各向异性的特点。 1.1.2 蜂窝夹芯结构。蜂窝夹芯机构主要是由薄面板与中间胶接低密度的夹芯构成，具体的面板结构为层压板，面板较薄。其中具体的使用材料为纤维玻璃布、单向碳纤维、编织布、芳纶有机纤维布等材料。蜂窝夹芯结构比常规金属结构具有较高的比强度、抗弯强度、高结构阻尼、消音以及耐声震、隔热性等良好的性能，在航空领域应用具有较好效果。 1.1.3 蜂窝壁板。蜂窝壁板主要是承力面以及蜂窝夹芯构成，蜂窝夹芯位于承力面板之间，使得整个蜂窝壁板的强度增加[1]。此外还有骨架元件以及众多的不锈钢板材料进行实际构成。在蜂窝壁板的实际结构当中，承力面板所承受的质量一般只是自身在平面内的负荷，骨架元件在具体应用中保证局部刚劲，提升固定地点的安全性以及耐用性。 1.2 飞机复合材料损伤类型
飞 机 复 合 材 料 及 应 用
飞机复合材料及应用 【摘要】 本文重点讲述了复合材料的构成、种类、性能以及在飞机上的应用。复合材料是由两种或两种以上的原材料，通过各种工艺方法组合成的新材料。对于一个现代飞机来说复合材料的应用对减重﹑耐腐蚀和降低成本有着重要的作用。对飞机结构轻质化、小型化和高性能化起着至关重要的作用。复合材料结构特点和应用效果，在高性能战斗机实现隐身、超声速巡航、过失速飞行控制，前翼飞机先进气动布局的实际应用。 关键词：复合材料层合板 1概述 复合材料是由两种或两种以上的原材料，通过各种工艺方法组合成的新材料。它既可以保持原材料的某些特点，又具有原材料所不具备的新特征，并可根据需要进行设计,与单一均质材料相比它具有较多的优越性。复合材料飞机结构技术是以实现高结构效率和改善飞机气动弹性与隐身等综合性能为目标的高新技术,对飞机结构轻质化、小型化和高性能化起着至关重要的作用。复合材料结构特点和应用效果，在高性能战斗机实现隐身、超声速巡航、过失速飞行控制，前翼飞机先进气动布局的实际应用，以“飞翼”著称的B-2巨型轰炸机的隐身飞行，舰载攻击∕战斗机耐腐蚀性改善和轻质化，对于客机来说复合材料的应用对减重﹑耐腐蚀和降低成本有着重要作用，如波音777和空中客车A330∕A340上的应用，标志着飞机复合材料结构设计发展已经成熟。 我国从20世纪80年代开始，将复合材料应用技术研究列入重点发展领域。复合材料应用基本实现了从次承力构件到主承力构件的转变。复合材料的垂直安定面﹑水平尾翼、方向舵、前机身等构件已在多种型号飞机上使用，可以小批量生产。带整体油箱复合材料机翼等主承力结构已装机试飞成功。航空先进复合材料已进入实际应用阶段。 2 复合材料的探究 2.1 复合材料的构成 复合材料是由两种或两种以上材料独立物理相，通过复合工艺组合构成的新型材料。其中，连续相称为基体、分散相称为增强体，两相彼此之间有明显的界面。它既保留原组分材料的主要特点，并通过复合效应获得原组分材料所不具备
先进树脂基复合材料制造技术综述
先进树脂基复合材料制造技术综述单位：西北工业大学机电学院作者：阎龙史耀耀段继豪 树脂基复合材料以其比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体成型的独特优点在飞机上得到了大量应用，可实现飞机结构相应减重25%~30%[1-2]。此外，通过复合材料结构/ 材料/ 工艺综合研究和材料/ 工艺/ 设计/ 电子/ 气动等学科交叉，深层次开发复合材料结构与功能可设计性潜力，可进一步提高飞机的综合性能。早在20世纪80 年代，人们就预测到2000 年飞机的绝大部分结构将采用复合材料，甚至出现全复合材料飞机。然而，到目前为止，这一预言尚未实现，其主要原因是复合材料构件的成本还远远高于铝合金构件，高成本阻碍了复合材料技术在航空航天等领域的更广泛应用[1]。因此，在已有主要材料体系基础上开发先进的低成本制造技术成为当今复合材料界的共识。目前可降低复合材料制造成本的主要技术途径有：复合材料低温固化技术、复合材料RTM 成型技术、自动缠绕与铺放技术、复合材料电子束固化技术、复合材料结构修理技术[1]。 复合材料低温固化技术 复合材料低温固化技术通常指固化温度小于100℃，可以在自由状态下进行高温后处理的复合材料相关制造技术[1]。发展复合材料构件的低温固化技术，可以大大降低由昂贵模具、高能耗设备以及高性能工艺辅料等带来的高费用。此外，低温固化复合材料构件的尺寸精度高，固化残余应力低，适于制备大型和形状复杂的复合材料构件，也可用于复合材料工装材料以及复合材料结构件的修补等。复合材料低温固化技术是低成本制造技术的重要组成部分。 复合材料低温固化技术的研究始于20 世纪70 年代，ACG 公司于1975 首先发展了第一个低温固化树脂体系LTM10。到20 世纪80 年代中期，低温固化复合材料开始应用于工装领域。20 世纪90 年代早期，低温固化复合材料首次用于航空结构件，如1985 年洛克希德·马丁公司采用LTM45 低温固化体系制备了UAV构件；1986 年NASA 和McDonel-Douglas 公司使用LTM10 体系/ 真空袋成型技术制造了X36 无人战斗机和UAV 的外蒙皮。国内关于低温固化复合材料研究的起步较晚，北京航空材料研究所成功研制出70℃固化，80~100℃使用的LT-01 碳纤维增强复合材料树脂体系，并用于制造大型运输机复合材料腹鳍。表1 所示为碳纤维增强LT-01 复合材料体系力学性能[1]。
航空级树脂基复合材料的低成本制造技术
航空级树脂基复合材料的低成本制造技术 发表时间：2018-11-21T11:14:26.433Z 来源：《新材料·新装饰》2018年6月上作者：刘杰 [导读] 复合材料液体成型工艺是一种近年来出现的先进复合材料低成本制造技术。本文介绍了树脂传递模塑成型RTM和RTM的衍生工艺 V ARTM、SCRIMP、RFI等几种复合材料液体成型工艺(LCM)的特点,并分析了几种不同LCM工艺的优缺点及应用领域。关键词 （航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150060） 摘要：复合材料液体成型工艺是一种近年来出现的先进复合材料低成本制造技术。本文介绍了树脂传递模塑成型RTM和RTM的衍生工艺 V ARTM、SCRIMP、RFI等几种复合材料液体成型工艺(LCM)的特点,并分析了几种不同LCM工艺的优缺点及应用领域。 关键词：复合材料；液态成型工艺；RTM；RTM衍生工艺 1 树脂传递模塑(RTM)成型工艺 树脂传递模塑成型简称RTM(Resin Transfer Molding),是一种闭模成型技术,可以生产出两面光的制品。它的基本原理是先在模腔内预先铺放增强材料预成型体、芯材和预埋件,然后在压力或真空作用下将树脂注入闭合模腔,浸润纤维,经固化、脱模、后加工而成制品的工艺。RTM在航空航天和军事领域的应用主要体现大型结构部件的整体成型方面,国外RTM成型技术在航空航天领域的应用主要有雷达罩、螺旋桨、隔舱门、直升机的方向舵、整体机舱、飞机的机翼等。 RTM技术是一种非常具有竞争力的复合材料成型技术,可以作为预浸料/热压罐技术的补充或替代技术。热压罐成型的最大缺点是其体积大,结构复杂,且是压力容器。因此建设投资费用高。同时对于较大体积的热压罐。其升温和加压的速度比较慢。场内温度控制不均匀。与预浸料模压工艺相比,RTM工艺无须制备、运输、贮藏冷冻的预浸料,无须繁杂的手工铺层和真空袋压过程,也无须热处理时间,操作简单,技术开发和应用灵活。 RTM技术存在的难点是由于在成型阶段树脂和纤维通过浸渍过程实现赋形,纤维在模腔中的流动、纤维浸渍过程以及树脂的固化过程都对最终产品的性能有很大的影响,因而导致了工艺的复杂性和不可控性增大。主要问题有:①树脂对纤维的浸渍不够理想,制品里存在空隙率较高、干纤维的现象;②制品的纤维含量较低;③大面积、结构复杂的模具型腔内,模塑过程中树脂的流动不均衡,不能进行预测和控制。 2 RTIM的衍生工艺 2.1V ARTM(真空辅助RTM)工艺 真空辅助树脂传递模塑(V ARTM)是在RTM的基础上开发得到的。V ARTM是在真空状态下排除纤维增强体中的气体,通过树脂的流动、渗透,实现对纤维及其织物的浸渍,并在室温下进行固化,形成一定树脂与纤维比例的工艺方法。 V ARTM是一种吸出空气的闭模工艺,与常规的RTM工艺相比:①RTM工艺在树脂注入时,模具型腔内可积起几吨压力,通过抽真空V ARTM 工艺可减少这种压力,因而增加了使用更轻模具的可能性;②真空的使用也可提高玻璃纤维对树脂的比率,使制品纤维含量更高;③真空还有助于树脂对纤维的浸渍,使纤维浸渍更充分;④真空还起到排除纤维束内空气的作用,使纤维的浸润更充分,从而减少了微观空隙的形成,得到空隙率更低的制品;⑤V ARTM工艺生产的构件机械性能更好。 V ARTM工艺制造的复合材料制件具有成本低、空隙含量小、成型过程中产生的挥发气体少、产品的性能好等优点,并且工艺具有很大的灵活性。 2.2Light-RTM成型工艺 Light-RTM通常称为轻质RTM,该工艺是在真空辅助RTM工艺的基础上发展而来的,适用于制造大面积的薄壁产品。Light-RTM典型特征是下模为刚性的模具,而上模采用轻质、半刚性的模具,通常厚度为6mm~8mm。工艺过程使用双重密封结构,外圈真空用来锁紧模具,内圈真空导入树脂。注射口通常为带有流道的线性注射方式,有利于快速充模。由于上模采用了半刚性的模具,模具成本大大降低,同时在制造大面积的薄壁产品时,模具锁紧力由大气压提供,保证了模具的加压均匀性,模制产品的壁厚均匀性非常好。 2．3树脂浸渍模塑成型工艺(SCRIMP) SCRIMP是一种新型的真空辅助注射技术(V ARTM),是1990年美国Seemann Composites(西曼复合材料公司)在美国获得专利权的真空树脂注入技术。SCRIMP工艺的基本原理是在真空状态下排除纤维增强体中的气体,通过树脂的流动、渗 透,实现对纤维的浸渍。在模具型面上铺放增强材料和各种辅助材料,用真空袋将型腔边缘密封严密,在型腔内抽真空,再将树脂通过精心设计的树脂分配系统在真空作用下注入模腔内,最后固化成型。 SCRIMP工艺的树脂分配系统改善了浸渍效果,减少了缺陷发生,使模塑部件具有很好的一致性和重复性,同时也克服了V ARTM在生产大型平面、曲面的层合结构以及加筋异型构件等制品时,纤维浸渍速度慢、成形周期长等不足。与传统的RTM工艺相比,SCRIMP工艺只需一半模具和一个弹性真空袋,这样可以省去一半的模具成本,成型设备简单。由于真空袋的作用,在纤维周围形成真空,可提高树脂的浸湿速度和浸透程度。同时它只需在大气压下浸渍,固化;真空压力与大气压之差为树脂注入提供动力,从而缩短成型时间。SCRIMP工艺适用于中、大型复合材料构件,施工安全、成本较低。SCRIMP工艺制造的部件性能与航空航天领域广泛采用的热压罐工艺相媲美。随着SCRIMP技术从军事应用向民用工业的转移,在建筑、汽车行业将有很大的拓展空间,如大尺寸的屋面、建筑平台等公用工程构件。 2．4树脂膜渗透成型工艺(RFI) RFI工艺是在RTM的基础上发展起来的树脂膜渗透成型工艺。它是一种树脂融渗和纤维预成型坯相结合的技术。RFI采用单模和真空袋来驱动浸渍过程,工艺过程是:将预制好的树脂膜铺放在模具上,再铺放纤维预成型体并用真空袋封闭模具;将模具置于烘箱或热压下加热并抽真空,达到一定温度后,树脂膜熔融成为黏度很低的液体,在真空或外加压力的作用下树脂沿厚度方向逐步浸润预成型体,完成树脂的转移;继续升温使树脂固化,最终获得复合材料制品。 RFI工艺加热时树脂流动是厚度方向的流动,大大缩短了流程,使纤维更容易被树脂浸润。相对于RTM工艺,RFI工艺能制造出纤维含量高、孔隙率极低、力学性能优异、制品重现性好、壁厚可随意调节的大型复合材料制件和复杂形状的制件,并可根据性能要求进行结构设计。RFI工艺采用真空袋压成型方法,免去了RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具加工无需制备预浸料,挥发物少,成型压力低,生产周