摘要:科学技术的进步让先进复合材料的运用范畴更为广泛,随着我国对飞机结构研发的重视,复合材料以其高强度、密度小的优势被运用到飞机结构当中,研发人员不断发掘先进复合材料的潜力,提升复合材料的耐高温性能和耐疲劳性能,以强化飞机材料结构。阐述了先进复合材料在飞机结构中的具体应用以及效益情况,期望能够阐明先进复合材料的发展新趋势。
关键词:先进复合材料;飞机结构;应用实践;效益
1前言
复合材料是指两种或两种以上化学性质以及物理性质不同的物质进行相关组合而成的固体材料,其可以承受荷载,将增强型材料粘贴在一起,进行纤维传递荷载的称为基体。一般来讲,复合材料按照不同的分类法进行划分,主要分为三种:首先,按照基体类型划分,分为金属基、树脂基、无机非金属基;其次,按照增加体形状以及种类进行划分,分为纤维增强、夹层增强以及颗粒增强复合材料;最后,按照其性能进行分类,主要分为结构复合以及功能复合材料。
2复合材料在飞机结构上的沿用历史及现状
先进复合材料第一次被用于飞机上可以追溯到２０世纪５０年代。６０多年来,先进复合材料在飞机结构上应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整体、由结构到功能、由军机应用扩展到民机应用的发展道路。随着复合材料在飞机上的应用,２０世纪７０年代第一架全复合材料的飞机出现了,它们都是一些小型的娱乐用或特技飞行用飞机,这些飞机大部分采用胶接和共固化结构,紧固件用量很小,高效的空气动力学设计,加之质量轻,使这些飞机有很好的速度与敏捷性。复合材料首先在一些次要的、非承载结构上有限地应用,如舱门、整流罩、方向舵、扰流板等,以收集相关的实验数据及飞行数据;接着,在前期应用的基础上,在大型飞机上推广应用复合材料。２０世纪７０年代末８０年代初,复合材料被设计人员作为重点考虑在飞机次承力部件上使用,如垂尾翼、平尾翼、方向舵等,例如Ｆ－１５、Ｆ－１６、Ｆ－１８以及幻影２０００等均采用复合材料尾翼。随着人们不断增长的航空旅行需求、燃料价格的上升、航空公司追求利润以及降低运营成本的需要,利用复合结构材料替代金属材料给飞机减重变得尤为迫切。
２０世纪８０年代复合材料开始应用于机翼、机身等主要的承力构件,受力很大,规模也很大。例如,波音７３７的水平舵采用了三明治复合结构,接着空客Ａ３２０开始大规模使用复合材料,它的水平舵与垂直舵以及控制面板均采用了复合材料。另一个以复合材料作为飞机重要结构的例子是２０世纪９０年代的波音７７７,除了控制面板和尾翼,其主要的地板梁也采用了复合材料。尽管复合材料的使用成本还不能与铝合金材料相比,但复合材料优异的疲劳性能和更好的耐蚀性(与铝合金相比),使其大规模在飞机上使用是必要的。决策者们相信,更多采用复合材料来减轻飞机质量以获得更好的燃油效率是可行的。波音一直致力于复合材料机身和机翼的研究,在２１世纪第一个１０年里推出了Ｂ７８７飞机,该机上复合材料使用量占机身总质量５０％以上,减轻了飞机质量,提高了飞机的航程、减少了运营和维护成本。大量的Ｂ７８７定单迫使空客公司开始加快研发在市场上与Ｂ７８７飞机竞争的机型,这就是空客Ａ３５０,它的机身和机翼全部采用复合材料。２１世纪的空客Ａ３８０是新一代采用复合材料的大型客机,其采用玻璃纤维复合材料制作机身,并在中央翼盒、地板梁和后压力隔板采用了碳碳复合材料。目前还不清楚波音和空客未来在飞机上使用复合材料的计划及设计指标。此外,复合材料的性能,如撞击、疲劳和损伤容限等仍在进行课题研究。如果在这些领域中的理论及应用问题得到解决,复合材料的使用成本将显著下降。此外,随着机器人技术及复合材料自动化生产技术进一步改善,复合材料的制造成本将更具有竞争力。
3先进复合材料在飞机结构中的具体应用
飞机的设计要求提升结构性能,材料的性能越优异,飞机结构越优质。
ACM具备质地轻盈、材料强度高的特点,其能够实现飞机结构的功能设计,被运用到军用飞机和民用飞机的结构当中。
3.1先进复合材料在军用飞机结构中的应用
国外对于先进复合材料的运用最初是在军用飞机方面,且被划分为三个重要阶段。20世纪70年代初期,学者们发现了复合材料在承受能力方面的性能,认为该种材料的性能能够满足飞机舱门、方向舵以及襟副翼等结构的设计。20世纪80年代,学者们开始研究将ACM运用到飞机垂尾以及平尾等设计当中,将其作为次承力部件。1971年,F-14硼/环氧复合材料被运用到平尾结构当中,并且顺利制作完成,该事件标志着ACM在军用飞机结构运用的又一次跨越。此后,在F-15、F-16等系列飞机中都采用了该种ACM材料作为尾翼的次承力部件。ACM材料本身的密度比较低,在军用飞机结构设计中,即便是将平尾和垂尾都以ACM来作为结构材料,其用量也非常的少。从1976年以后,美国公司在F/A-18飞机的机翼中成功使用了复合材料,该研究成果标志着ACM在军用飞机中应用的又一进步,ACM开始被运用到机身结构和机翼结构等主承力结构当中,其具备较强的受力能力,且受力规模也比较大。
3.2ACM在民用飞机结构中的应用
除了在军用飞机当中ACM起到了一定的作用以外,在民用飞机结构建造当中,ACM也具备非常明显的作用。同样在20世纪70年代,民用飞机中也开始运用ACM来进行结构设计,很多大型商用飞机和小型航空飞机都采用了ACM作为承力结构。事实上,ACM在民用飞机结构中的应用也经历了几个主要的阶段。(1)ACM主要被运用到受力比较小的飞机前缘、整流罩等部位。(2)ACM运用到方向舵以及升降舵等部件的构造当中。(3)阶段将ACM运用到客机垂尾部位的构造中。第四阶段则将ACM运用到机翼以及机身的构造方面。
4先进复合材料在飞机结构中应用效益分析
ACM材料在飞机结构当中具备较为明显的减重效益和功能效益。前文分析中提到ACM材料的质量比较轻,其由碳纤维复合材料构成,密度仅1.6g/cm3,而在飞机结构设计中采用ACM材料来替代合金材料,同等规格的飞机在理论上来讲可以降低42%的重量。该种效益对于飞机设计来讲是任何其他设计理念或者是生产技术都无法达到的效果。质量的减少就意味着速度的提升以及航程的增加,在军用飞机中采用该种ACM材料能够让飞机的质量大幅度减少,并且保持连续飞行的状态,飞行的距离也可以有效延长。而在民用飞机结构中采用ACM材料则可以让飞机的持续飞行时间增加,其能够为航空公司带来更高的经济收益。从功能效益上来讲,ACM的使用也让飞机结构的设计开拓了新思路,利用ACM达到抗震、抗腐蚀以及抗疲劳等效果,充分发挥出ACM的优异功能特定,最大限度提升飞机的使用效能。
5结束语
飞机结构的设计已经向着高性能、高效益以及多功能化的方向发展,对于ACM的运用能够促进飞机结构早日达到预想的发展目标.在充分发挥出ACM材料特定的情况下,不仅仅飞机结构的效率增加,其可靠性和稳定性也更强。总体来讲,ACM材料的应用是飞机结构设计的主要发展方向,其将实现飞机结构对震动的控制以及对噪声的抑制。
参考文献:
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