复合材料及其在飞机结构中的应用

C om posite Preform
M atched D ie M old H eld T ogether W ith P ress P ressure, C lam ps, or T hreaded B olts
Resin Transfer Molded Part Complexity
降低成本的途径
最大空重/座 轮档燃油/座 现金使用成本/座 目前所获订单（架）
242 7900 +2% +6% +8% 900
波音787
波音787的竞争机型
A350
迫于商业竞争压力不断修改设计方案，提高复合材料用量
2006年底
2006
复合材料用量飙升到52％
2004
拟定复合材料用量增加到45％称为“A350XW B”方案
Line for P ressurizing R esin Line for V acuum D egassing R esin
P ressure R egulator
Disadvantages
• High Tooling Costs • Preform Costs
To Vacuum Pump
R esin T rap
复合材料的应用概况
从20世纪40年代 玻璃/环氧树脂复合材料 ——操纵面、整流罩和雷达罩等零部件。 ——直升机旋翼桨叶。
刚度，特别是对高速飞机来说，是一个和强度同样重要的设计 要求。
F-4 Phantom II
Advanced CompositeApplication
Boron Epoxy
• Rudder
Disadvantages • Significant Equipment Cost • Recurring Maintenance • Limited Contour Capability
Fiber Placement
Advantages • Concave Contours • True 0° Plies Possible • Consistent Product
Disadvantages • Significant Equipment Cost • Complex Programming • Somewhat Slow
Resin Transfer Molding
Advantages
• Complex Structures • Near Net Molding • Excellent Surfaces
J-型热塑性复合 材料固定前缘 翼肋、机翼
后缘操纵面
上层客舱地板梁
垂直安定面
非承压后机身
水平安定面
中央翼盒
后压力隔框
大量采用复合材料
A330 6年
波音787 12年
舷窗的抗裂纹扩展性能 大修时间
维护性能
舒适性
A350
270 8300 基准 基准 基准 362
座位数（3级布局） 设计航程（海里）
将复合材料应用到飞机的次承力构件
成果
复合材料应用于DC-10方向舵、 L-1011副翼、波音727升降舵等部件
美国：ACT计划（1988—1997）
针对复合材料在飞机机翼及机身上的主承力
结构部件
突破高损伤容限复合材 料主结构设计、制造和 应用的关键技术，降低 成本
使飞机结构减重30% 降低生产成本20%～30%
为运输类飞机机翼、机 身大量应用复合材料提 供技术支持
提供材料和结构性 能预测的科学依据
美国：ACT计划（1988—1997）
C-130大型运输机 复合材料中央翼盒
复合材料广泛应用于F-22 主承力结构件
成果
长达12.8米的缝合复合材料大型客 机机翼试验盒段
美国：AST计划（1992—2002）
概述
先进复合材料具有比强度和比刚度高、性能可设计和易于整体成 形等许多优异特性，将其用于飞机结构上，可比常规的金属结构减重 25%～30%，并可明显改善飞机气动弹性特性，提高飞行性能。
概述
先进复合材料的广泛应用还可进一步推进隐身和智能结构设计技术 的发展，因此，先进复合材料在飞机上应用的部位和用量的多少现已 成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。
装配工时） ➢ 降低维护成本和提高出勤率——利用优良的抗疲劳和耐腐蚀性能
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装袋与固化 (13%)
修边 (6%)
模具 (12%)
铺贴 (46%)
NDI (15%) 铺层切割
(8%)
制造成本
材料和制造 50%
降低成本的潜力
紧固件和装配 50%
总成本
降低成本的途径
制造方法
低成本高质量的铺贴 (特别是大型复合材料制件) 和高精度可重现
直升机材料的发展
型号 技术水平 金属材料 复合材料 其他材料
H-34 50年代
87% -
13%
CH-53E UH-60A
60年代 70年代
85%
72%
5%
12%
10%
16%
S-76 80年代
59% 18% 23%
RAH-66 90年代
22% 50% 28%
EC135复合材料应用
V-22复合材料40%
进一步扩大复合材料在主承 力构件的应用范围
研究目标
– 完成全尺寸复合材料机 翼盒段的设计和地面试 验验证
先进的缝纫设备
– 为大型客机飞机复合材 料机翼复合材料结构应 用提高技术储备
采用VARTM-PB工 艺制造的机翼壁板
美国：AST计划（1992—2002）
MD-90-40X飞机机翼作为缝合复合材料机翼的基准平台 – 建立材料的基本性能数据库和结构设计许用值 – 设计和制造技术得到评估 – 分析了结构性能与成本的综合效能
美国：CAI计划（1996—2006）
实现高效能设计和低成本制造技术的飞跃
目的
– 开发高精度结构设计、分析和制造工艺模拟及成本控制 分析工具
– 实现在高效、低成本复合材料结构技术上的突破，达到 综合成本下降50 %的指标
美国：CAI计划（1996—2006）
RTM整体尾翼
大型整体机翼蒙皮
成果
复合材料及其在飞机结构中的应用
概述
先进复合材料是20世纪60年代崛起的一种新材料 与铝合金、钛合金、合金钢一起成为航空航天的四大结构材料
概述
飞机结构设计的研究和发展一直与采用性能优越的新材料密切相 关。20世纪30年代铝合金的问世，取代了帆布和木材，曾给飞机结构 设计带来了一次革命性的飞跃。今天，先进复合材料的应用，同样引 起了一场飞机结构设计上的重大技术变革。
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F-4 Phantom II
Boron/Epoxy Rudder
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上世纪60年代复合材料最初的应用是Boron/epoxy 的F-14的水平 安定面蒙皮和F-15水平与垂直安定面蒙皮。
第一个Carbon/Epoxy 在军机上的应用是F-15 的减速板，占结构 重量的2%。
设计技术
采用共固化、共胶接等形成的整体化结构
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Pressure Application- Integrally Cocured Structure
Pinned Ramp Block
Autoclave Pressure
Silicone Rubber
Composite Skin Composite Substructure
新一代大型客机复合材料应用现状
干线客机各种材料结构重量百分比（%）
结
构重 机
量
百
材
分比（ 型
%
料 ）
铝
钢
B707
B747 A300
81
13
76
13
B767 B757 A320
80
14
78
12
76.5
13.5
A340 B777
75
8
70
11
A380
61
10
B787
20
15
A350XWB
20
7
B737 及 A320 后继机
钛
复合材料
0.2
4
1
4
5
2
3
6
3
4.5
5.5
6
8
7
11
10
பைடு நூலகம்
22+3GLARE
14
50
52
50~65
复合材料在国外先进军用飞机上的应用水平在上世纪末产生飞跃。 更值得注意的是，进入二十一世纪，这种飞跃同时出现在对结构可 靠性和经济可承受性具有苛刻要求的大型民用飞机上。
A380
最大起飞重量：560吨 三舱布局载客：555人 最大航程：15000公里
Systems
CP-07 CP-08
Propulsion CP-06
CP-01
CP-05 CP-04
CP-02
CP-03
Airframe
开展性能演化和疲 劳机理研究，为结 构可靠性奠定基础
Composites
Workforce by Challenge Problem
计划指出：由于缺
乏对材料蜕变、损 伤演化和疲劳等内 在物理机制的理解， 不能有效预测服役 环境下结构可靠性。 导致复合材料部件 设计依赖经验和安 全系数过大等方法
复合材料在飞机结构中的应用
直升机上复合材料的用量已达结构重量的60%～80%，如美国的 武装直升机RAH-66，其复合材料用量达结构重量的50%以上。 美国的垂直起落、倾转旋翼后又可高速巡航的V-22“鱼鹰”，几乎 是一个全复合材料飞机。
世界上已有许多小型的全复合材料飞机问世，其中著名的“星舟 一号”客货两用机已通过适航鉴定；举世闻名的“旅游者”曾创 下不加油、不着陆，连续9天环球飞行的世界纪录。
三维编织π型加筋 π型连接前机身整体结构
Z-pin X-Cor设备
进气道纤维铺放
波音787采用了 多项研究成果
美国：AvSP 航空安全专项（2007-2016 ）
AADP (Aircraft Aging & Durability Project) 飞机老化&耐久性工程
主要包括感知诊断、损伤演化、无损检测、 多学科交叉及综合评价系统等内容
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在上世纪80年代复合材料在飞机结构上增加应用的目的是隐身， 在此期间研制的F-117和B2，复合材料用量占结构重量的40%，主要 使用Carbon/epoxy，以及一些特殊的树脂和增强体。
上世纪90年代复合材料在军机上的用量有所降低 (F/A-18E/F 和 F-22 的用量为22-26%)， 这是由于从追求减重（性能）变为要考虑 成本因素，以及从前面应用得到的经验教训。
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远程轰炸机
B2轰炸机复合材料38%
RTM整体 CoRTM整体
尾翼
进气道
三维编织 π型加筋
进气道 纤维铺放
Z-pin X-Cor
π型连接前机
设备
身整体结构
大型整体机翼蒙皮
F-35战斗机复合材料用量36%
大型军用运输机
A400M复合材料应用部位
碳纤维复合材料用量约为40％
A350复合材料应用情况
选材特点
– 继承和发展A380选材方案 – 大幅提高复合材料应用水平
最新公布的A350XWB各类材料分布
低成本的解决途径
➢ 原材料——大丝束 ➢ 加工工艺——RTM，RFI，VARTM，低温固化，非热压罐工艺等 ➢ 制造自动化——ATL，AFP（提高工效和降低废品率） ➢ 设计技术——整体化（利用共固化和共胶接技术，减少零件数和
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上世纪70年研制的 F/A-18A/B ，采用了Carbon/3501-5复合材料 机翼、控制面、垂尾和机身蒙皮，占结构重量的12%。
在上世纪70年代后期研制了AV-8B，当时使用复合材料的动力是 追求性能和减重，复合材料用量占结构重量的28%，主要的材料是 Carbon/3501-6 epoxy ，用于机翼蒙皮、控制面、前机身蒙皮前中央 机身蒙皮，并开始用于机翼、控制面和机身骨架，在受热零件上使用 了BMI。
“庞然大物”
更安全、更经济、更舒适、更环保 – 每座油耗比747-400降低17% – 每座DOC比747-400降低20% – 更低的维护费用 – ……
轻质高性能材料与结构
–在主要承力构件上采用 复合材料
A380复合材料应用情况
复合材料25% 钛合金10% 铝合金61%
GLARE机身上壁板
民机复合材料在结构中应用长期以来主要是尾翼级结构，主要原 因是如何突破低成本技术。本世纪中，随着A380，Boeing787和A350 在机翼和机身结构中大量应用复合材料，标志着低成本复合材料技术 已有了突破，进入了新纪元，民机结构的复合材料用量得到了大幅度 增加。
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美国：ACEE计划（1976—1986）
的复合材料制件。
自动铺带机（ATP） 自动丝束铺放（AFP）
RTM
VARTM
RFI
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Automated Tape Laying
Advantages • Greater Pounds/Hr. • Very Consistent • No Debulking Required