复合材料在航空航天中的应用

复合材料在航空航天中的应用

Adam Quilter,强度分析集团的负责人,ESDU国际(一种IHS公司)

简介

航空航天工业和制造商的无限的激情来提高性能的商业和军用飞机不断推动改良的高性能结构材料。复合材料是一个这样的类的物质,扮演一个重要角色,在当前和未来的航空零部件。复合材料是尤其吸引航空和航天应用,因为他们的非凡的力量和刚度-密度比率和更优异的物理性能。

一个复合材料通常包括坚硬的纤维分布于树脂中。木材和骨骼是自然复合材料:木由纤维素纤维木质素和骨骼由羟基磷灰石颗粒在胶原基质。更好的已知的人工复合材料,应用于航空航天等行业,是碳——和玻璃纤维塑料(CFRP和GFRP分别)由碳和玻璃纤维,它们都僵硬和强劲的(对于他们的密度),但易碎的,在聚合物基质中,这些都是很困难的。很简单,通过结合材料以这种方式互补特性,复合材料的大多数或所有好处(高强度、刚度、韧性和低密度)都集合到一起得到的材料。

碳纤维布和玻璃钢是纤维复合材料;另一类复合材料增强体是复合材料微粒。金属基复合材料(MMC),目前正在研制的航空和航天工业的例子有颗粒复合材料组成,通常,是由非金属颗粒做增强体，金属做基质;例如碳化硅粒子结合铝合金。

可能最重要的区别和颗粒复合材料纤维,纤维复合材料和常规金属材料,涉及到的方向特性。颗粒复合材料和传统金属材料是各向同性的,即它们的属性的强度、刚度等) 在所有的方向上是相同的,纤维复合材料是各向异性,即它们的属性取决于负载的方向对纤维的取向。想象一个很小的木材:它沿直线平行于纤维方向比垂直于纤维方向更容易弯曲。叠加层克服了这种各向同性,每层常常只几分之一毫米厚,在另一个之上,与纤维面向不同的角度来形成一个层压板。

除非在非常特殊的情况下,仍将是层压板的各向异性,但是变化就会不那么极端的方向。在大多数航天应用,这种方法是采取更进一步,面向不同层(任何来自很少到数百在数量上)被堆放在一个特定的顺序来定制属性的层压板最佳承受负载,它将被接受。这种方式,材料,并因此可以减轻自重，这在航空和航天工业是最重要的一个因素。

在较短的组装时代,他需要的是抵消对可能需要更多的时间来打造其在第一个地方。产生一个复合组件,单独的层,这通常都是提前设计好的增强体与树脂的排列,把他们需要的形状,这都可能被不同的或大或小的程度上,然后堆放在指定的序列(前者是固体还是非固体用来保持树脂层所要求的形状,并在之前知道固化的原理)。这会是受到一系列的温度和压力的材料。该产品是要认真检测,确保全部得到固化,固化工艺已成功(例如泡沫或中间有空隙的层压板可能是因为原料受到污染)。

第一次在飞机设计中使用复合材料是在大约30年前,玻璃纤维树脂复合材料用于美国F14和F15的尾翼。最初,复合材料使用仅在飞机的尾翼,但随着知识和材料的发展,他们使用主要结构,如机翼和机身都增加了。这个表格列出了复合材料可大量用于飞机机体。

复合材料在航空航天中的应用

最初,通过结构重量百分比的复合材料在整个机身上的比重非常小,例如，F15在百分之二左右。然而,现在这一比例已经很大, 在F18上准确来说从19%到24%。下面的图片显示了在F18E分布的材料。一架av - 8 b“鹞式GR7复合机翼剖面和GR7A机身后部综合特点。复合材料被广泛地用于欧洲战斗机:机翼皮,机身前部和舵全部利用复合材料。钢化环氧皮构成大约75%的外部区域。总计,大约40%的重量的欧洲战斗机是碳纤维复合材料。其他欧洲战机的复合材料重量大约在20到25%。Dassault’s Rafael 26%，Saab Gripen and the EADS Mako 20%到25%。

B2隐形轰炸机是一个有趣的案例。为了隐形的需要意味着新材料必须添加到飞机的外部，这样就会带来一个缺陷：那就是重量增加了。复合材料因此用于主结构来抵消这一缺陷。使用复合材料在商业运输是很有吸引力的,因为减少机身重量有更高的燃油经济性,因此降低运营成本。第一个显著的利用复合材料在商用运输机的是在1983年由空中客车的A300和A310,然后在1985年在垂直尾翼。在后一种情况下,2000年的部分(不包括紧固件)的金属背鳍是减少到少于100的复合材料鳍,降低其重量和生产成本。后来,一个蜂窝芯采用碳纤维布锚固面板用于电梯的A310。这些成功后,复合材料被用于整个尾部结构的A320,也参加了复合机身腹部皮肤、鳍/机身底访问面板和偏流装置,襟翼，副翼,车轮门、主轮整流罩门和机舱。此外,楼层是由玻璃纤维组成的。总的来说,复合材料占A320机身重量的28%。

A340 -500和600额外的地方使用功能复合材料,例如：后方的压力舱壁,龙骨光束,一些固定机翼边缘的。尤其重要的是,因为这是首次大规模的使用一种热塑性树脂基复合材料组件在一个运输机上。复合材料的使用节省了20%的体重以及较低的生产时间和提高了损害容忍度。

A380的复合材料重量大约占总机的20%到22%。他还大量使用的玻璃纤维铝合金,特别是在前面的整流罩,上层机身外壳、皇冠和侧面板,上下部分的上层机身向前和尾部。玻璃纤维复合材料是由四个或更多的0.38毫米(0.015英寸)厚铝片和玻璃纤维树脂融合。玻璃纤维的重量在15 ~ 30%在铝合金连时有很好的抗疲劳性。皮肤面板的顶部和底部的A380和前,中心和后方含有碳纤维增强塑料,它同时也会被用于后方压力舱壁,上层甲板横梁,副翼,和外部襟翼。腹部整流罩由大约100个复合蜂窝板。

波音777,他的处女飞行是10年前, 复合材料大约占20%的重量。复合材料被用于固定翼的前沿,trailing-edge面板、襟翼和舷外副翼。他们也用于横梁,尾翼机身连接处的整流罩，门。使用复合材料客机节省了大约1500磅重。

波音7 E7将利用广泛使用的复合材料(估计高达50%)在寻求很高的效率和性能和减少体重。

优秀的复合材料的强度重量比也被用于直升机的有效载荷的最大化。波音Vertol用复合材料旋翼飞机制造第一个复合转子叶片在1970年代。复合材料是用于主要结构的许多现代直升机,包括V22倾转旋翼飞机,约50%的复合材料重量。复合材料的成形性能已被用于特别优势在直升机制造减少组成部分的数量和产前成本。

验证研究数据,以提高工程设计、性能和方法论

这个ESDU®()复合材料系列提供一组的数据项和程序设计中使用纤维叠层复合材料。这个名字是主要用在提供航空航天工业,但已经广泛应用到其他领域的工程,复合材料提供类似的设计优点。复合材料的ESDU系列包含解决遇到的问题，分析复合材料层合结构的设计。这些应用包括破坏准则、板振动和屈曲分析,内部压力。除了基本的计算和强调内置的热应力。复合材料层合板中可以指定很多种形式。因为这种复杂性的唯一实际的形式在这许多的解决方案可以是计算机程序和Fortran程序提供很多的分析方法。除了灵活地改变整体结构,设计师在复合材料可以安排材料强度和/或刚度来满足当地的载荷。的同样设计过程,往往很难选择一条最佳组合的几何形状和材料。复合材料的ESDU系列包括指导设计的影响因素,并建议的方法获得所需要的解决方案。

ESDU的复合系列,由40家”DataItems”伴随着26 Fortran程序,包含了地区总结

•复合材料层合板-应力分析的刚度上特殊圆孔应力时,应力点的剪切刚度、强化设计

•复合材料层压板的屈曲平衡——矩形板(平面/弯)、面板与正交各向异性板

•矩形板屈曲的不平衡层

•夹芯板复合面板——起皱的梁、柱、板

•连接头-单层和多层设计的指导

•板块在压力下

•失效模式和失效标准——分析、标准、边缘分层

•阻尼和响应对声学加载-阻尼和rms(均方根)品系在面板、疲劳寿命的元素

•自然的震动模式-矩形平面/弧形板(也有平面加载)、夹心板与层合的面板

总结

所谓的“传统的”金属材料及其deriv a-tives继续发展和完善提供不断增加的性能,毫无疑问,他们有一个基本的作用在航空航天结构和无数的应用中使用它们。同时,毫无疑问,复合材料