复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用

复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用
摘要：蜂窝夹层结构复合材料的应用越来越广泛，特别是在一些特殊领域，尤
其是在飞机制造中，蜂窝夹层结构复合材料已逐渐覆盖了飞机的整个机身结构，
事实证明，蜂窝夹层结构对飞机的使用有着非常明显的帮助。

本文介绍了蜂窝夹
层结构的典型蜂窝几何结构、面板、蜂窝芯材类型和性能，阐述了蜂窝夹层结构
在国外、国内飞机上的应用，并结合蜂窝夹层结构应用的一些细节论述了相应的
设计方法。

关键词：复合材料；蜂窝夹层结构；飞机
飞机结构设计的基本原则是在满足强度要求的前提下，使结构尽可能轻，这
一要求将不可避免地导致需使用稳定的薄蒙皮来承受拉伸、压缩载荷，以及剪切、扭转、弯曲载荷的耦合作用。

在传统的飞机结构设计中，采用纵向加强件、增稳
桁条、翼肋、隔框等结构对蒙皮进行加固，不可避免地导致结构增重问题。

夹层
结构是提高结构比刚度的有效结构形式之一，复合材料夹层结构具有重量轻、强
度刚度好、耐热、吸声隔音、抗冲击、抗疲劳等特点，广泛应用于航空航天、汽车、通信、轨道车辆、造船、医疗器械、体育器材、土木工程等领域。

一、复合材料蜂窝夹层结构
复合材料夹层结构由两个薄面板和中间夹芯层组成，芯层和面板一般用胶粘
接在一起，或用熔焊或焊接成一个整体。

夹层结构的荷载传递方式与工字梁相似，上下面板主要承受由弯矩引起的面
内拉压应力及面内剪应力，而芯材主要承受横向力产生的剪应力，上下面板间的
距离增加了截面的惯性矩，提高了结构的抗弯刚度和材料的有效利用率与结构效率。

复合材料蜂窝夹层结构的强度与蜂窝几何形状及蜂窝芯材有关。

根据蜂窝的
几何形状，蜂窝芯层分为标准六角形芯、矩形过膨胀芯、强化波纹芯、方格芯、
特殊夹芯等。

其中增强正六边形的强度最高，其次是正六边形蜂窝，因其制作简单，材料消耗低，强度高，因而应用最广。

复合夹层结构的面板材料包括铝合金、钛合金、不锈钢、玻璃钢等复合材料，目前在航空结构中应用较多的是碳纤维单向带或织物增强复合材料。

芯材有金属
或非金属蜂窝、泡沫塑料等。

金属蜂窝芯层主要为铝蜂窝，非金属蜂窝芯层主要
有诺梅克斯纸蜂窝、玻璃布蜂窝、碳纤维蜂窝等，其中，铝蜂窝或诺梅克斯纸蜂
窝具有压缩模量高、质量轻的优点，成为飞机结构中广泛应用的夹芯材料。

铝蜂窝夹芯结构一般在大剪切载荷下使用，面板通常由金属板材制成。

由于
铝蜂窝与碳纤维面板一起使用，铝蜂窝与复合材料面板胶接时难以配合，此外，
由于两种材料的热膨胀系数相差较大而引起的固化变形也很明显，若对两种材料
间的电绝缘处理不当，易发生电化学腐蚀。

诺梅克斯纸蜂窝强度略低于铝蜂窝，但其具有良好的韧性及抗损伤性，质量轻、抗压强度高、抗剪强度和疲劳强度好，具有各向异性特点，抗弯刚度/质量比及抗弯强度/质量比大；吸声、隔声、隔热性能好，易于协调复合材料黏接及组装，无腐蚀问题，还能满足FST(烟雾毒性)等要求，具有比铝蜂窝更少的局部不稳定问题。

诺梅克斯纸蜂窝夹芯通常与碳/玻璃纤维预浸料一起使用，由于其丰富的应用经验和适中的成本，在航空领域得到了广泛的应用。

二、蜂窝夹层结构复合材料的基本特性
1、质量轻，比强度高，尤其是抗弯刚度高，同等质量的蜂窝夹层结构复合材
料其抗弯刚度约为铝合金的5倍。

2、有极高的表面平面度和高温稳定性，易成型，不易变形，蜂窝夹层结构复合材料不仅能制成平面板，而且能制造成双曲、单曲面板，制成车辆零部件后拆
装方便。

3、优良的耐腐蚀性、绝缘性和环境适应性，可适应铁路动车组和客车各种恶劣的运用环境；另外，根据需要，这类板材可采用表面喷漆或表面粘贴防火板处理，达到良好的装饰性、防火性。

4、独特的回弹性，可吸收振动能量，具有良好的隔声降噪效果。

三、蜂窝夹层结构在飞机上的应用
1、蜂窝夹层结构的应用形式。

当前，航空蜂窝夹层结构主要有两种类型，第一种是蜂窝夹层壁板结构，主要用于机身及机翼结构。

其特点是上下面板较薄，
一般不超过1mm，整个蜂窝夹层板的厚度一般不超过30mm，结构内部由梁/墙
支撑，与机体的连接主要通过金属预埋件或梁/墙接头。

第二类为全高度夹芯结构，主要用于方向舵、升降副翼、襟翼等，其特点是梁、肋等部位经固化后用铆钉连
接在一起，梁、肋件和蜂窝芯材间通常运用发泡胶填充，整个零件和机体的连接
主要依靠复合材料或金属梁上的接头。

2、国外飞机上的应用。

近年来，随着蜂窝夹层成形工艺及机械加工水平的提高，蜂窝芯材的复合材料夹层结构在机翼前缘方向舵，后缘壁板、尾翼壁板、全
高度舵面、起落架舱门等各种舱门、翼身和翼尖整流罩、机身地板等部件上应用
日益增加。

3、国内飞机上的应用。

复合材料蜂窝夹芯结构在我国航空航天领域得到了越来越多的应用，国产某型教练机的全动平尾，采用单臂梁全高度双曲面诺梅克斯
纸蜂窝复合材料夹层结构。

全高度双曲面诺梅克斯纸蜂窝型面复杂、下陷多，胶
接面积大、胶接面间的贴合度影响到胶接质量。

而采用常用的加工方法不能满足
要求，需要采用精确的蜂窝加工技术，数控加工在五坐标数控铣床上进行，力求
满足粘接界面的工艺要求。

四、蜂窝夹层结构的设计
蜂窝夹层结构是飞机结构中最有效、最理想的结构形式之一，其在航空航天
领域得到了广泛的应用，重视蜂窝夹层结构的设计工作，能充分发挥蜂窝夹层结
构的优势。

为了提高蜂窝夹层结构的强度，可采取以下措施：提高面板与夹芯间的剪切、拉伸强度；用密度很小的泡沫填充到蜂窝夹芯内，不仅能承受和传递一定的载荷，而且降低了热导率；将夹芯两面用专用树脂润湿，然后放在一个加热模板上烘干等。

再如，机身舷窗周围的蜂窝夹层壁板，目前多运用典型的纤维环绕物加固，
这样能降低开口处的应力集中，用RTM成型的J形框固定舷窗壁板。

复合材料机翼根部与机身的连接可采用复合材料制成的预固化双十字接头，
蜂窝夹层壁板通过二次胶结连接到双十字形接头上，仅需少量紧固件即可对胶结
面施加压力，从而保证了连接强度。

图1显示了星舟飞机复合材料机翼上的翼梁及机翼蒙皮间的连接，翼梁通过
角箍及H形卡箍与机翼蒙皮连接，这种卡箍具有通过连续纤维交叉点提供连续传
力路线的功能。

角箍与H形卡箍由类似上述双十字接头的织物制成，H型卡箍采
用Rohacell泡沫为填充芯材，在使用中能提高剪切强度。

图1 翼梁和蒙皮的连接
参考文献：
[1]陈龙辉.复合材料夹层结构在航空领域的应用[J].教练机,2014(02).
[2]程文礼.航空用蜂窝夹层结构及制造工艺[J].航空制造技术,2015(07).
[3]武湛君.复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用[J].科技导报，2016(08).。