涂尚平
常州启赋安泰复合材料科技有限公司 江苏 常州 213000
摘要：随着社会发展技术水平的不断创新，复合材料被广泛应用于新一代飞机机体结构设计中，作为突出的技术特点之一，能够在减轻航空飞机结构重量的同时，延长结构件使用期限并减小后期维护成本投入，达到经济舒适环保效益。本文将以C919飞机为例，在对复合材料结构件应用概述的基础上，分析飞机复合材料结构件设计。
关键词：航空复合材料；结构件；设计
在现代化材料与科学技术大力发展中，航空材料的技术先进性就始终具有基础、先导作用，航空材料能够反映材料结构件的前沿技术水平，更代表了我国在国际间的材料结构件技术水平。复合材料作为运用织物、纤维、颗粒、晶须等增强基体材料，所制成的高级材料。根据差异化基体材料，划分复合材料包括了树脂基、金属基、陶瓷基、碳基等；根据功能差异可以划分为导电复合、导磁复合、阻尼复合、屏蔽复合等材料。以树脂基、陶瓷基、碳基、功能复合材料在航空领域广泛应用[1-2]。
1复合材料结构件应用
我国自上世纪70年代初始逐渐加大，对飞机材料结构件的复合材料研制试用工作，研制了歼-8系列垂尾、强5飞机垂尾、运7飞机安定面等，但是在国内直升机中复合材料结构件应用比例较固定翼飞机应用明显要高。在复合材料技术应用中表现以下：
1.1树脂基复合材料结构件
此种材料能够在制作结构件同时，还可以制作结构功能件，国际间航空领域应用先进树脂基复合材料，要求结构件能够达到耐高温性能，并尽可能减少抗损伤容限，保证尽可能低湿热环境效应，碳纤维增强树脂基复合材料，拥有小比重、高强度、耐高温、耐疲劳及良好减振性。还有芳纶纤维复合材料，以其具备的高拉伸强度、高弹性模量、高热稳定性和耐介质性能，具备较强材料防护性，目前被应用于美国陆军“黑鹰”底板、装甲、底板、座舱门结构件设计中[3]。
1.2金属基复合材料结构件
金属基复合材料自航天航空提出的低密度、高强度技术需求后出现，具备了优良低消耗、横向优良可加工性能，相较未强化合金明显提升了整体性能。这些因素出现已经使得该类材料结构件作为航空领域极具吸引力的材料之一，且在国外已经实现了商品化应用。但是我国目前对该材料应用仅为汽车、机械零件批量生产，在航空领域应用比较局限[4]。
1.3陶瓷基复合材料结构件
陶瓷基复合材料在应用中，具备了高抗弯强度、高断裂韧性、小比重、耐高温、抗氧化性能，可以在1650℃以上高温环境应用，主要用于高温发动机部件，在航空领域作用重大。美国国防部也在近年将设计陶瓷基复合材料结构件项目作为重点投资范围，国内也加大了此种复合材料结构件的工艺、组成、界面结构、显微结构、热处理和力学性能研究[5]。
1.4功能复合材料
功能复合材料作为具备光、声、热、磁特性材料，在组合匹配应用中能够基于原本特性基础上，成功设计更具优越性材料，譬如将有机聚合物灌注高孔率压电陶瓷，制成所获压电材料，能够对探测器灵敏度充分提升，并且增加航空探测的距离范围。
2复合材料结构件设计原则
2.1提高结构效率
首先在铺层设计中要做到扬长避短，能够充分运用复合材料沿着纤维方向优良性能，避免应用弱化横向剪切性能，不同于单纯层合板，设计层压结构时需要重视结构形式及层板构形的合理性，还要提升结构整体性，复合材料较金属更易制造复杂形状构件，同时还具备运用共固化工艺制造大型整体结构件优势，从而提高结构效率减少成本。
2.2结构元件载荷传递
复合材料构建不同于金属构件，具备一定形状基础上还拥有不同层板构形，想要连接各构件的承载路径，需要适应传递载荷性选择连接形式及连接方法，尽可能避免出现切口及偏心效应，还应当保证连接同一构件时，连接纤维取向。
2.3良好结构工艺性
在材料结构件设计过程中，需要确保结构制作质量及低成本，避免成形装配过程中所可能刚产生的缺陷问题，包括避免不合理铺层设计所致工艺问题，较脆的树脂基材料结构要考虑设计中运用工艺补偿措施。结构件连接设计合理性，满足主结构与关键部位的性能设计需求，还要达到和环境之间的相容性。
3C919飞机复合材料结构件设计
3.1复合材料选型
在复合材料原材料选型中，包括了增强、基材及组成中间材料预浸料，除此之外对于结构件的夹层结构设计，所用蜂窝材料、泡沫材料、工艺辅助材料、粘结剂。基体材料搭配应用不同的增强材料，能够获得差异化复合材料性能。
3.2典型结构铺层设计
复合材料作为可设计的，应用于结构件中可以根据差异化纤维方向、比例铺层构成层压板，设计结构铺层过程中，还要准确掌握铺层设计技术，避免连接差距和翘曲问题。
3.3典型结构件许用值测算
复合材料结构件设计许用值不同于材料许用值，在设计中结构设计作为关键技术之一，基于许用值基础上，以设计师规定限制为标准，体现结构件设计思想及设计要求。
3.4实验验证
因为复合材料结构件设计我国目前还缺乏丰富的设计应用经验，保证复合材料结构件的完整性，需要运用全尺寸部件与必要试样、组合构件相结合验证方法，试样全尺寸结构部件，保证复合材料结构件正式应用前期的大量验证。
3.5健康监控及维修
在航空复合材料结构件应用中，需要注意怎样对复合材料结构件应用内部损伤，以及内部损伤的部位程度如何准确判断和警报提示已成工作难点。复合材料结构设计强度源于纤维机体树脂固化形成结构，所以一旦复合材料破损，就无法简单修补重新应用，这也是航空复合材料结构件应用中所要注意的重要问题。
结语
总而言之，复合材料结构件以其高强度、高比刚度、强设计性、耐腐蚀、耐高温、强稳定性及大面积成形技术优势，应用于航空领域。今后也将不断突破传统复合材料结构件技术弊端，汲取国际间先进经验创新飞机复合材料结构件应用。
参考文献
[1]荆磊. 航空器复合材料结构件修理方法浅析[J]. 中国科技投资, 2019, 000(007):216.
[2]邱玮桢. 航空复合材料板簧式缓冲件结构设计[J]. 计算机产品与流通, 2018, 000(003):266-266.
[3]王凯, 陈敏英, 苏月. 复合材料梁结构件的成型方法研究概况[J]. 纤维复合材料, 2019, v.36;No.140(04):65-69+74.
[4]刘望子, 管海新, 陈志超,等. 复合材料典型结构件热分布工程应用[J]. 成都航空职业技术学院学报, 2020, v.36;No.122(01):47-51.
[5]段瑛涛, 王智文, 栗娜,等. 热塑性复合材料在汽车车身结构件上的应用开发[J]. 汽车工艺与材料, 2020(4):14-18.