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的趨勢(shì)將繼續(xù)下去。對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造提出新的研究課題 (圖 4)。
圖
4 波音 787飛機(jī)的機(jī)體表面結(jié)構(gòu)基本上采用了復(fù)合材
composite
material[7 ]
(1)復(fù)合材料設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展
復(fù)合材料的應(yīng)用的主要優(yōu)勢(shì)是可以明顯的減輕結(jié)構(gòu)重量。復(fù)合材料使波音 787客機(jī)有效降低了飛機(jī)重量 ,提高了燃油效率。預(yù)計(jì)波音 787的燃油消耗可比波音 767和 A330分別降低 20 %。由于其 1%的機(jī)身結(jié)構(gòu)采用了抗疲勞、抗腐蝕材料 ,大大提高了飛機(jī)抗裂紋擴(kuò)展能力 ,使外場(chǎng)維護(hù)間隔達(dá) 1 000 h,比傳統(tǒng)飛機(jī)多 300～500 h[2]。
但是 ,實(shí)踐證明 ,不進(jìn)行復(fù)合材料設(shè)計(jì)技術(shù)研究 ,是很難達(dá)到預(yù)期的減重效果。根據(jù)空客公司和 Cranfield大學(xué)的研究得出的結(jié)論 ,復(fù)合材料的減重面臨著如下的挑戰(zhàn) :對(duì)比鋁合金 7075與碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比剛度的值 ,可以得出復(fù)合材料減重效果是十分明顯的。但考慮拉、壓的其他因素后 ,其減重效果會(huì)大打折扣 (表 3)。
表 3 考慮各種因素后 ,等代設(shè)計(jì)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與鋁合金結(jié)構(gòu)減重效果分析 Table 3 Weight saving of composite material compared with aluminum in different conditions
材料 比強(qiáng)度 比剛度 受拉孔應(yīng)力集中影響 考慮壓縮穩(wěn)定性
7075鋁合金 1 1 1 1
碳纖維復(fù)合材料 2177 1171 01 67 01 44
減重效果 / % 63 42 28 18
歐盟的科研組織 GAR TEU R啟動(dòng)的航空結(jié)構(gòu)和材料方面研究 ,其中部分涉及復(fù)合材料的研究項(xiàng)目 :①?gòu)?fù)合材料鋪層和結(jié)構(gòu)疲勞失效分析 ,研究鋪層結(jié)構(gòu)斷面特性 ;②復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊損傷和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)研究。包括 :復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊損傷的評(píng)估方法的建立 ;膠結(jié)結(jié)構(gòu)的維修研究 ;③復(fù)合材料結(jié)構(gòu)后屈曲和壓損破壞分析。
為了有效的發(fā)揮復(fù)合材料減重的特點(diǎn) ,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)發(fā)揮復(fù)合材料可剪裁的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì) ,將減重的效果發(fā)揮出來(lái)。為此要解決以下的關(guān)鍵技術(shù)
:
①提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)承載能力的研究 ;②新概念術(shù) ;④復(fù)合材料的多學(xué)科優(yōu)化剪裁 (含氣動(dòng)彈性 );⑤采用先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)的設(shè)計(jì)。
(2)提高復(fù)合材料承載能力的研究
復(fù)合材料的承載能力主要是受到許用應(yīng)變的限制。目前許用應(yīng)變大多采用 4 000左右的微應(yīng)變。考慮到復(fù)合材料受拉時(shí) ,孔邊沒(méi)有塑性變形的應(yīng)力松弛及受壓時(shí)結(jié)構(gòu)在濕熱環(huán)境下沖擊損傷的擴(kuò)展帶來(lái)的受壓穩(wěn)定性問(wèn)題后 ,造成許用應(yīng)變大大降低 (圖 5)。
圖 5 復(fù)合材料開(kāi)孔受拉應(yīng)力集中較鋁合金嚴(yán)重 ,造成提前破壞的現(xiàn)象 [8] Fig1 5 Hole side stress concentration will cause early breach for composite material structure[8]
復(fù)合材料的開(kāi)孔處必須局部加強(qiáng) ,將應(yīng)力集
中降到適當(dāng)?shù)乃�。在這方面的設(shè)計(jì)要比金屬結(jié)
構(gòu)更為重視。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在超過(guò)一定能量低速?zèng)_擊的
情況下形成的損傷 ,在受壓載荷下 ,壓縮強(qiáng)度會(huì)
明顯降低。圖 6展示了某一板受壓強(qiáng)度隨著沖
擊能量變化而降低的情況�？梢钥闯� ,損傷對(duì)
結(jié)構(gòu)的受壓穩(wěn)定性有著巨大的影響。研究在損
傷情況下的復(fù)合材料的受壓穩(wěn)定性是決定復(fù)合
材料承載能力的關(guān)鍵。對(duì)于帶有損傷的復(fù)合材
料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性屈曲和過(guò)屈曲分析的研究越來(lái)越
引起重視。
為降低低速?zèng)_擊造成的損傷 ,目前除個(gè)別部
位采用縫紉方法 ,正在較為廣泛地采用 Z型釘和
X型釘?shù)脑鰪?qiáng)方法 ,以提高結(jié)構(gòu)的承載能力。
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圖 6 復(fù)合材料板的沖擊損傷對(duì)承載能力的影響 [8]
在波音 787飛機(jī)上得到了首次應(yīng)用
[9]。
Fig16 Influence of impact energy on CFR structure com2 波音 787研制中的問(wèn)題之一是復(fù)合材料機(jī)pression strength[8] 身的維修問(wèn)題。復(fù)合材料的強(qiáng)度來(lái)自于纖維與機(jī)體樹(shù)脂固化形成結(jié)構(gòu) ,一旦損傷分層或纖維斷裂 ,
纏繞、
等特殊工藝方法 ,可以設(shè)計(jì)和制造出有別于金屬結(jié)構(gòu)的新結(jié)構(gòu)形式。例如機(jī)身結(jié)構(gòu)采用纏繞成形復(fù)雜的加筋板 ,如圖 7所示。
圖 7 纏繞成形復(fù)合材料機(jī)身壁板結(jié)構(gòu) [4] Fig17 Carbon fiber wound panel for body section structure[8 ]
上述新整體結(jié)構(gòu)形式 ,大大降低了零件數(shù)量和裝配連接 ,也降低了產(chǎn)品加工成本。目前統(tǒng)計(jì)的西方復(fù)合材料制件的成本已接近了鋁合金相應(yīng)結(jié)構(gòu)的成本。
(4)復(fù)合材料的健康監(jiān)控、無(wú)損檢測(cè)和維修技術(shù)
廣泛采用復(fù)合材料給使用和維護(hù)這些飛機(jī)的航空公司帶來(lái)一項(xiàng)新的挑戰(zhàn) :在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全壽命使用過(guò)程中 ,如何監(jiān)控由復(fù)合材料制成的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件并發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部的損傷 ,如何判斷損傷的部位和程度 ,如何及時(shí)報(bào)警成為關(guān)鍵技術(shù)之一。結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控 ( SHM)是在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中安裝傳感器、激振器、光纖網(wǎng)絡(luò)和處理機(jī) ,通過(guò)一定的軟件系統(tǒng) ,可以確定結(jié)構(gòu)的健康情況和損傷 ,并由系統(tǒng)報(bào)警。但要解決上述關(guān)鍵技術(shù) ,同時(shí)又在飛機(jī)的設(shè)計(jì)壽命期 (30年)內(nèi)保證進(jìn)入結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)正常工作、具有高可靠性是相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。國(guó)外正考慮研發(fā)一種機(jī)載結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) ,用于大面積使用復(fù)合材料的飛機(jī)。
確保復(fù)合材料部件產(chǎn)品完整性的主要手段是采用無(wú)損檢測(cè)。出廠(chǎng)的產(chǎn)品將用無(wú)損檢驗(yàn)做出評(píng)估和作為健康監(jiān)控的基本數(shù)據(jù)。這些技術(shù)已開(kāi)始
結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就要受到很大的損失。復(fù)合材料破損后 ,很難采用修補(bǔ)金屬的辦法來(lái)修補(bǔ)。研究適合不同工藝和材料的復(fù)合材料修補(bǔ)問(wèn)題成為復(fù)合材料大面積應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。目前各飛機(jī)制造公司都具備一定的維修手段 ,但都不十分滿(mǎn)意 ,研究工作仍在進(jìn)行。
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