Применение композитных сотовых сэндвич-конструкций в гражданских самолетах

Абстрактный:Композитные сотовые сэндвич-конструкции используются в большом количестве применений в области гражданской авиации, которые характеризуются высокой прочностью, высокой удельной жесткостью, низкой плотностью, хорошими свойствами при сжатии и изгибе и т. д. К деталям применения относятся фюзеляж, капот двигателя, обтекатель, люк, крышка антенны, передняя кромка и тд. Большое количество применений сотовой сэндвич-структуры значительно снижает вес конструкции самолета. По мере развития процесса формования и улучшения свойств материала на пол и другие основные несущие конструкции постепенно наносится сотовая сэндвич-структура. В этой статье сначала анализируется ход исследований и процесс разработки сотовых сэндвич-структур. Во-вторых, выясняется применение сотовых сэндвич-структур на типичных компонентах самолетов. Наконец, он знакомит с текущим статусом применения сотовой сэндвич-структуры на полу гражданских самолетов.

001 Введение

С социально-экономическим развитием перед сферой транспорта, особенно воздушного транспорта, стоят две задачи: снижение общего веса конструкций и вопрос о выгоде, непосредственно связанной со снижением веса, - снижение расхода топлива. Вес конструкции и расход топлива особенно важны в авиационной сфере. В настоящее время сотовые сэндвич-конструкции широко используются в фюзеляжах, люках, крыльях, хвостовых оперениях, полах, обтекателях и антенных покрытиях в авиационной промышленности. Сотовые сэндвич-конструкции обеспечивают хорошее соотношение прочности и веса. По сравнению с композитными обшивками они лучше выдерживают боковые и изгибающие нагрузки благодаря своей структурной форме, которая состоит из толстого и легкого сердечника, окруженного двумя тонкими жесткими слоями.

Большое количество применений сотовых сэндвич-конструкций позволило значительно снизить вес авиационных конструкций благодаря их хорошим свойствам на сжатие и изгиб, настолько, что сотовые сэндвич-структуры постепенно перемещаются в сторону основных несущих конструкций, таких как полы. Содержание этой статьи в основном разделено на три части: во-первых, в ней анализируются ход исследований и процесс разработки сотовой сэндвич-структуры; во-вторых, он сочетает в себе применение сотовой сэндвич-структуры на типичных компонентах самолетов с используемыми в настоящее время моделями; наконец, он знакомит с текущим состоянием применения сотовой сэндвич-структуры на полах гражданских самолетов.

002 Сотовая сэндвич-структура

Сотовая сэндвич-структура, впервые зародившаяся в бионике, характеризуется высокой удельной прочностью, высокой удельной жесткостью и легким весом по сравнению с твердым материалом того же типа и, таким образом, широко используется в авиации, транспорте и других областях. Композитная сотовая сэндвич-структура может эффективно улучшить жесткость при изгибе и повысить способность выдерживать изгибающие моменты и давление при очень небольшом увеличении веса, что делает ее более идеальной легкой конструкцией для авиации.

Композитные сотовые сэндвич-конструкции состоят из трех компонентов: панелей, сотового заполнителя и клея.

(1) Панель. Панель – основная несущая часть сэндвич-конструкции. По сравнению с основным материалом материал панели характеризуется высокой плотностью, высоким модулем упругости и высокой прочностью. Композитный материал панели обычно представляет собой алюминиевый сплав, титановый сплав, пластик, армированный стекловолокном, и другие материалы. Большинство однонаправленных лент или тканевых композитов из углеродного или стекловолокна в настоящее время используются в аэрокосмических конструкциях.

(2) Сотовый сердечник. Характеристики сотовой сэндвич-структуры и геометрия сот связаны с материалом сотового заполнителя. Как правило, сотовые наполнители доступны в виде алюминиевых сотовых наполнителей, сотовых наполнителей из арамида, сотовых наполнителей из стекловолокна и т. д. в зависимости от материала. Арамидные соты делятся на метаарамидные соты и параарамидные соты. Мезоарамидные соты представляют собой метаарамид, полученный путем межфазной поликонденсации или низкотемпературной поликонденсации в растворе м-толуолдикарбонилхлорида (МДКЛ) и м-фенилендиамина (МПА). Наиболее распространенным на рынке является метаарамид, впервые изобретенный и использованный компанией DuPont в 1960-х годах. Параарамидные соты представляют собой поликонденсацию п-фенилендиамина и п-фенилендикарбонилхлорида с получением параарамида под торговым названием Кевлар. Существующая арамидная сотовая сердцевина состоит в основном из метаарамида, а исследования параарамида очень мало. Основные модели применения представлены в таблице 1. Арамидно-бумажные соты (соты НОМЕКС) изготавливаются из арамидной бумаги, смоченной фенольной смолой. По сравнению с алюминиевыми сотами, арамидные соты гораздо более устойчивы к местной нестабильности, поскольку сотовая ячейка арамидных сот толще, чем у алюминиевых сот. Изготовление сот Nomex состоит из девяти процессов: склеивание арамидной бумаги, ламинирование, прессование, резка, растяжение, калибровка, погружение, вулканизация и нарезка. Компания AVIC Composites Co., Ltd. усовершенствовала процесс склеивания арамидных сот погружением, определила параметры процесса, такие как толщина ячейки и бумаги, и вывела эмпирическую формулу для контроля плотности. Компания Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. использует отечественную арамидную бумагу для подготовки сот, свойства на сжатие и сдвиг соответствуют требованиям HB5435-89 и BMS8-124, диэлектрические и огнезащитные свойства также соответствуют требованиям. стандартные требования. Meishi, дочерняя компания китайской Yantai Spandex Group Co., Ltd., изготавливает различные типы сотовых заполнителей из своей метаарамидной бумаги с помощью ряда зрелых процессов. Сопротивление сжатию в плоскости и сопротивление сдвигу его сердцевины и сэндвич-структуры при комнатной температуре могут достигать значений индекса в стандарте Boeing BMS8-124 и могут соответствовать требованиям использования механических свойств.

Вкладка.1 Основные модели применения сотового типа

(3) Клей. Клей, используемый для авиационных сотовых сэндвич-конструкций, обычно представляет собой конструкционный клей. Структурные клеи - это те, которые могут выдерживать значительную силу в течение заданного периода времени в среде, в которой они используются, и имеют прочность и длительный срок службы, соответствующие сроку службы объекта, к которому они приклеиваются. По матрице смолы обычно делятся на три основные категории. Первая эпоксидная смола, эпоксидная смола, отличается превосходным качеством изготовления, длительным периодом применения и высочайшей термостойкостью до 232 градусов; Вторая категория — это бисмалеимид, температура которого может достигать более 232 градусов, и в основном используется в военных самолетах с более высокими температурами; Третий - это тип сложного эфира цианокислоты, который обладает превосходной устойчивостью к температуре, диэлектрической проводимости, а также устойчивостью к теплу и влажности, поэтому он в основном используется в компонентах, к которым предъявляются требования к электрическим характеристикам. В авиации обычно используется конструкционный клей на основе эпоксидной смолы, как показано в Таблице 2. Соединенные Штаты Hexcel, Cytec и другие компании разработали различные варианты использования этой системы материалов, а в последние годы отечественная компания AVIC Composite также разработала средне- и высокотемпературные клеи. смоляная система, такая как BA9913, BA9916, SY-24C-300 и так далее.

Вкладка.2 Отечественные и зарубежные авиационные конструкционные клеи

003 Сотовые сэндвич-структуры на типичных компонентах самолетов

Что касается больших гражданских самолетов, то Боинг 747 (первый полет которого состоялся 9 февраля 1969 года) был спроектирован с большой долей сэндвич-конструкции (рис. 1). Около половины поверхности крыла, включая переднюю и заднюю кромки, изготовлено из стеклопластика и сот из номекса. В Боинге 747 цилиндрическая оболочка фюзеляжа состоит в основном из сот из номекса, а пол, боковые панели, верхние мусорные баки и потолок также изготовлены из сот. Большинство створок изготовлены из одинаковой сотовой конструкции, но также используются алюминиевые соты и обшивка. Ячеистая сэндвич-структура на самолете B787 включает руль направления, руль высоты, законцовки крыла и мотогондолы. Среди них гондолы двигателей и реверсоры тяги изготовлены из сотовых конструкций HexWeb и препрега HexPly8552/AS4. Благодаря преимуществам легкого веса и высокой жесткости, а также звукопоглощения, соты HexWeb используются всеми крупными производителями двигателей в мире. У Boeing 707 только 8% сотовых, а у более нового Boeing 757/46 — 46% сотовых.

инжир.1 Иллюстрация части применения сэндвич-структуры B747 (синяя область)

Сотовая сэндвич-структура, используемая в больших гражданских самолетах, является самой ранней в руле направления самолета Airbus A310, а затем использовалась в рулях направления A320, A340. Самая большая сотовая сэндвич-конструкция — руль направления А340 площадью 15,3 м.²сотовой сэндвич-структуры. Самая большая одноместная дозировка у самолета А380, объем его сотовой сэндвич-структуры составил 4,000 м.², в основном используется для крупногабаритных конструктивных элементов, включая нижний обтекатель, пол и т. д. А пол в основном изготовлен из сэндвич-панелей Gillfab4909 компании MC GillCorp. Кевларовые соты. Конструкция пола Airbus A380 изготовлена ​​из большого количества сотовых сэндвич-композитов Nomex, которые являются отличными материалами, позволяющими A380 достичь срока службы 20000 часов, что гарантирует возможность эксплуатации самолета. уже более 10 лет. С тех пор использование композитов значительно возросло, особенно в случае ATR72, который стал первым сертифицированным гражданским самолетом с углеродной базовой конструкцией (коробкой крыла) (см. Рисунок 2). Как показано на рисунке 3, доля сэндвич-материалов во вторичных конструкциях снижается. У A380, Boeing 787 или Airbus A350 только нижний обтекатель, мотогондолы и передние створки шасси, некоторые элероны и рули направления по-прежнему выполнены из сэндвич-конструкции, остальные представляют собой самоусиливающиеся монолитные конструкции.

Рис. 2. Применение композитов ATR72

(а) Сэндвич-структура А380 (б) Сэндвич-структура комплекта композитов А350 и В787 состав

инжир.3 Схема сэндвич-структуры самолета

По сравнению с гражданскими самолетами, применение сотовой сэндвич-структуры в самолетах общего назначения в основном проявляется в использовании фюзеляжа, например, в самолетах HawkerBeechcraf PremierI, Hawker 4000 и «Премьер-министр» IA, самолетах Bombardier Aerospace Learjet 85 и так далее. PremierI - первый сертифицированный FAA бизнес-джет с цельнокомпозитным фюзеляжем, весь фюзеляж изготовлен из углеродных панелей сотовой сэндвич-структуры, общая толщина 20,6 мм, в фюзеляже нет ферм и рам, чем в традиционной алюминиевой конструкции. вес уменьшился на 25%, а пространство салона увеличилось на 13%. Конструкция фюзеляжа самолета Hawker 4000, находящегося в настоящее время в производстве, состоит из трех цилиндрических конструкций, соединенных в крыльях, стволы представляют собой сотовую сэндвич-конструкцию, а обшивка укладывается с помощью автоматизированной проволочно-укладочной машины Viper компании MAG Cincinnati. Композитные компоненты сэндвич-структуры Nomex с сотовой структурой широко используются в России для изготовления таких компонентов самолетов, как закрылки, элероны, стеновые панели фюзеляжа, двигатели, кабины, грузовые отсеки, горизонтальное оперение, передние кромки крыла, хвостовые балки несущего винта вертолета и другие летательные аппараты. компоненты.

Внутреннее производство AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. и других подразделений большого количества композитных материалов со смоляной матрицей (таких как тормоза, лопасти, плоское хвостовое оперение и ротор и т. Д.) И композитных материалов сэндвич-структуры с сотовой структурой Nomex (фюзеляж панели, полы, хвостовые балки и т.д.), что значительно снижает массу всего фюзеляжа, повышает усталостную прочность узлов, улучшает аэродинамические характеристики с целью повышения летных качеств вертолета. Подсчитано, что, помимо двигателя и трансмиссии, около 300 деталей самолетов изготовлены из сотовых сэндвич-композитов Nomex. Во всех деталях используются сотовые заполнители Nomex 3 плотностей и 12 спецификаций. Количество материалов сотового заполнителя Nomex во всем фюзеляже составляет более 200 м2, а его площадь покрытия составляет около 80% всего фюзеляжа, что является одним из типов самолетов, которые в настоящее время больше всего используют сотовые сэндвич-конструкционные композиты Nomex в Китае. .

004 Применение сотовой сэндвич-структуры на полах гражданских самолетов

4.1 Состояние исследований полов пассажирских и грузовых отсеков самолетов

Обычные полы самолетов, пассажирские и грузовые полы изготавливаются из металла. На каждом этаже есть сотни заклепок и винтов, но также необходимо использовать эластичные прокладки и изоляцию конструкции фюзеляжа, и поэтому это дорого. А использование композиционных материалов позволяет значительно повысить прочность, жесткость, усталостную и коррозионную стойкость конструкции пола, на порядок уменьшить количество соединителей и значительно снизить вес конструкции пола.

Панель композитной сэндвич-конструкции пола самолета обычно изготавливают из стекловолоконного препрега, углеродного волокна и кевларового препрега, а матрицу выбирают из эпоксидной смолы или фенольной смолы. С сотами Nomex обычно используются сотовые заполнители.

инжир.4 Пол пассажирского и грузового отсека самолета

4.2 Устройство сэндвич-конструкций для полов

Пол основной кабины гражданского вертолета Boeing Model 234 Chinook имеет размеры 2,5х2,2 м каждая и состоит из четырех панелей. Панели представляют собой композиты из стекловолокна и кевлара 49 с сотовыми наполнителями Nomex, а сэндвич-пол состоит из четырех слоев верхних и нижних панелей каждый, симметричных сотовому наполнителю посередине. Первый и второй слои представляют собой препрег из стекловолокна направления 0, а третий и четвертый слои представляют собой препрег из волокна Kevlar49 направления 0. Сердечник Nomex имеет высоту 38 мм, длину ячейки 2 мм и плотность 48 кг/м3. Панели и сердцевина склеены между собой клейкой пленкой ЕА9. Композитную сэндвич-конструкцию также выбирают для пола салона самолетов Boeing 777, Boeing 787 Dreamliner и других моделей самолетов.

MC GillCorp. производство сэндвич-панелей Gillfab4223, выбор стекловолоконной ткани, матрицы для фенольной смолы, сердцевины для мета-арамидных сот GillcoreHD, выбор клеевой пленки из эпоксидной системы. Толщина всей сэндвич-конструкции составляет 12,6 мм, толщина верхней панели — 1,27 мм, толщина нижней панели — 0,508 мм. Сэндвич-структура Gillfab4223 используется в Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340/A300/A310/A300-600. MC GillCorp. производство сэндвич-панелей Gillfab4505, выбор однонаправленной ленты из углеродного волокна (поверхностный слой для препрега из стекловолокна), матрицы для фенольной смолы, сердцевины для метаарамидных сот GillcoreHD, выбор клеевой пленки из эпоксидной системы. Толщина всей сэндвич-конструкции составляет 9,5 мм, толщина верхней и нижней панелей – 0,5 мм. Сэндвич-структура Gillfab4505 используется в Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340.

Грузовой пол Fokker 100 представляет собой относительно простую конструкцию, представляющую собой композитную сэндвич-конструкцию с внешней обшивкой из листов высокоэффективных термопластичных композитов и сотовым заполнителем Nomex. Шкурка и сердцевина склеены эпоксидной пленкой.

Пол грузового отсека определенной модели сотовой сэндвич-структуры Nomex был изготовлен методом горячего прессования с использованием самодельного препрега фенольной смолы, армированного стекловолокном, в качестве сырья для панели Niu Fangxu et al. компании Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. Были систематически оценены механические свойства и огнезащитные свойства пола, а также проанализировано влияние типа препрега, температуры отверждения и процесса формования на механические свойства сотовых панелей, а также влияющие факторы. изучены огнезащитные свойства сотовых панелей. Результаты показывают, что механические свойства пола грузового отсека, изготовленного из самодельного препрега, превосходны: предельная нагрузка при изгибе длинной балки достигает 4348 Н, прогиб всего 6,79 мм при нагрузке 445 Н, ударные характеристики до 17,1 Дж, а прочность на отслаивание роликов до 66,4 Н-мм/мм, и в то же время отвечает строгим требованиям к огнестойкости, что позволяет реализовать локальную замену материалов напольного покрытия в зоне насыпного груза самолета.

005 Заключение

Сотовая сэндвич-структура с высокой прочностью, высокой удельной жесткостью и низкой плотностью, обладающая хорошими свойствами при сжатии и изгибе, использовалась в большом количестве применений в области гражданской авиации. В этой статье анализируется ход исследований и состояние разработки сотовой сэндвич-структуры, далее рассматривается ее применение на типичных конструкциях самолетов и делается вывод о том, что с разработкой и производством отечественных самолетов C919/C929 композитная сэндвич-структура для полов самолетов имеет широкий спектр применения. перспективы.(Источник: Fiber Composites)