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. В число применяемых деталей входят фюзеляж, капот двигателя, обтекатель, люк, крышка антенны, передняя кромка и т. д. 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

По мере социально--экономического развития перед областью транспорта, особенно воздушного транспорта, стоят две задачи: общее снижение веса конструкций и вопрос о преимуществах, непосредственно связанных 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-к-весу. 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 является основной-несущей частью 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 мета-арамидные соты и пара-арамидные соты. Мезо-арамидные соты представляют собой мета-арамид, полученный путем межфазной поликонденсации или низко-поликонденсации в растворе м-толуолдикарбонилхлорида (MDCL) и м-фенилендиамина (МПА). Наиболее распространенным на рынке является мета-арамид, впервые изобретенный и использованный компанией DuPont в 1960-х годах. Пара-арамидные соты представляют собой поликонденсацию п-фенилендиамина и п-фенилендикарбонилхлорида с получением пара-арамида, торговое название кевлар. Существующая арамидная сотовая сердцевина состоит в основном из мета-арамида, а исследования пара-арамида 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, отверждение 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 стандартным требованиям. 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. Компании Hexcel, Cytec и другие компании США разработали различные варианты использования этой системы материалов, а в последние годы отечественная компания AVIC Composite также разработала систему смол для средних и высоких температур, такую ​​​​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 стекловолокна 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. Большая часть створок изготовлена ​​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 единичная-доза самолета для самолета А380, объем его сотовой сэндвич-структуры составил 4000 м2.², в основном используется для крупногабаритных конструктивных элементов-размеров, включая нижний обтекатель, пол и т. д. А пол в основном изготавливается 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 20 000 часов, гарантируя, что самолет может находиться в эксплуатации более 10 лет. С тех пор использование композитов значительно возросло, особенно в случае ATR72, который стал первым сертифицированным гражданским самолетом с углеродной базовой конструкцией (коробом 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, а остальные представляют собой самоукрепляющиеся монолитные конструкции.

Рис. 2 Применение композитов ATR72

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

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 самолет бизнес-класса с-сертификатом ФАУ, полностью-композитным фюзеляжем. Весь фюзеляж выполнен из углеродных панелей сотовой сэндвич-структуры, общая толщина 20,6 мм, в фюзеляже отсутствуют фермы и шпангоуты, что позволяет уменьшить вес на 25 % по сравнению с традиционной алюминиевой конструкцией, а пространство салона увеличено на 13 %. Конструкция фюзеляжа самолета Hawker 4000, находящегося в настоящее время в производстве, состоит из трех цилиндрических конструкций, соединенных в крыльях, стволы представляют собой ячеистую сэндвич-конструкцию, а обшивка укладывается с помощью автоматизированной машины для укладки проволоки-Viper компании MAG Cincinnati. Композитные компоненты сэндвич-структуры Nomex с сотовой структурой широко используются в России для изготовления компонентов самолетов, таких как закрылки, элероны, стеновые панели фюзеляжа, двигатели, кабины, грузовые отсеки, горизонтальное оперение, передние кромки крыла, хвостовые балки несущего винта вертолета и другие компоненты самолетов.

Внутреннее производство AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. и других подразделений большого количества композитных материалов со смоляной матрицей (таких как тормоза, лопатки, плоское хвостовое оперение, несущий винт и т. д.) и композитных материалов сэндвич-структуры с сотовой структурой Nomex (панели фюзеляжа, полы, хвостовые балки и т. д.), что значительно снижает общий вес фюзеляжа, повышает усталостную прочность компонентов и улучшает аэродинамические характеристики, чтобы улучшить качество полета 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 улучшить конструкцию пола по прочности, жесткости, усталостной и коррозионной стойкости, 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 кевлара49 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 с углом наклона 0 градусов, а третий и четвертый слои представляют собой препрег из волокна Kevlar49 с углом наклона 0 градусов. 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 стеклоткани, 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 мета-арамидных сот GillcoreHD, выбор клейкой пленки 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 многослойную конструкцию с внешней обшивкой из листов высокоэффективных термопластичных композитов и сердцевиной из сот Nomex. Шкурка и сердцевина склеены эпоксидной пленкой.

Пол грузового отсека определенной модели сотовой сэндвич-конструкции Nomex был изготовлен методом горячего прессования с использованием самодельного-препрега из 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, проанализировано влияние типа препрега, температуры отверждения и процесса формования на механические свойства сотовых панелей, а также изучены факторы, влияющие на огнезащитные свойства сотовых панелей. Результаты показывают, что механические свойства пола грузового отсека, изготовленного из самодельного препрега, превосходны: предельная нагрузка при изгибе длинной балки до 4348 Н, прогиб всего 6,79 мм при нагрузке 445 Н, ударная вязкость до 17,1 Дж и прочность на отслаивание роликов до 66,4 Н- мм/мм, и в то же время соответствуют строгим требованиям по пожаробезопасности. замедление, которое может обеспечить локальную замену материалов напольного покрытия в грузовом отсеке 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, что с разработкой и производством отечественных самолетов C919/C929 композитная сэндвич-структура для полов самолетов имеет широкий спектр перспектив применения. (Источник: Fiber Composites).