大型民用飞机复合材料承压框结构及工艺发展分析

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　　摘  要：飞机是现代人出行过程中常用的交通工具，随着应用的增多，人们对其使用性能、安全等各项内容都提出了更高的要求，这也促进了对相关需求的研究。现代民机因复合材料的成功应用，极大地满足了人们对舒适性、安全性等要求。文章针对大型民用飞机复合材料承压框结构及工艺发展情况进行详细阐述，希望对飞机复合材料结构选型论证工作有所帮助。
　　关键词：大型民用飞机;复合材料;承压框结构;生产工艺
　　中图分类号：V229.7        文献标志码：A        文章编号：2095-2945（2020）07-0109-02
　　Abstract： Aircraft is a commonly used means of transportation in the process of modern travel. With the increase of applications， people have higher requirements for its performance， safety and other contents， which also promotes the research of related requirements. Due to the successful application of composite materials， modern civil aircraft greatly meet people's requirements for comfort， safety and so on. In this paper， the structure and process development of composite pressure frame of large civil aircraft are described in detail， so as to be helpful to the selection and demonstration of aircraft composite structure.
　　Keywords： large civil aircraft; composite material; bearing frame structure; production process
　　后机身承压框是大型民用飞机机体结构的重要构成部分，是客舱后部密封及承压的关键结构。其作用的发挥对大型民用飞机整体性能会产生直接影响，这也是在国内外多个大型民用飞机的研发过程中，均需要对该项内容进行深入研究的主要原因。
　　1 复合材料应用对于大型民用飞机制造的影响
　　飞机的性能和安全性都会受到材料影响，可以说一代材料造就一代飞机，在飞机制造过程中，要不断对制造飞机应用的各项材料进行创新。在大型民用飞机制造过程中，应充分考虑大型民用飞机在使用过程中的舒适性、环保性、经济性等多项内容。在大型民用飞机制造时对复合材料进行合理应用，会对民用飞机制造行业发展产生积极影响。
　　1.1 提升大型民用飞机经济性
　　对于大型民用飞机的成本来说，在具体问题的分析过程中，不仅要考虑购买飞机的价格，还要考虑飞机在应用过程中的能耗、维修成本、寿命长度等多项因素。同铝合金相比，虽然复合材料价格更高，但是，其在具体应用过程中带来的经济效益远程超其负面影响[1]。例如，某大型民用飞机大量应用复合材料整体结构，使整个机身省去了纵向蒙皮拼接，减少了铝合金零件和标准件数量，并且使整个机体结构变得更加坚固、轻盈。这一方面降低了飞机在飞行过程中的油耗，另一方面也减少了在飞机维修上的投入。
　　1.2 提升大型民用飞机舒适性
　　大型民用飞机在实际应用期间，一些部位容易发生疲劳损伤，舷窗是其中容易发生损伤的位置。复合材料具有优异的抗疲劳特性，也正因如此，大型民用飞机的大尺寸舷窗设计成为了可能[2]。目前，多数大型民用飞机舱内气压相当于外界2400m高空处的气压，波音B787飞机客舱内气压约为外界高空1800m处的气压，这就为旅客提供了更加舒适的环境。B787飞机对复合材料进行大量应用，舱压提升只使机身重量增量约70kg，如果采用铝合金材料，要想使艙压达到这一标准，机身重量则会升高1000kg。由此可见，采用复合材料对于大型民用飞机舒适性的提升十分明显。
　　此外，复合材料在实际应用过程中，其性能与铝合金结构相比，前者具有更好的耐腐蚀性，这也使采用复查材料的大型民用飞机座舱中湿度与采用铝合金的飞机相比，湿度更高。这种优势能够避免少数旅客在飞行过程中，由于脱水而引起的不适[3]。同时，整体成型复合材料机身与采取铆钉连接的铝合金机身相比，采用的紧固件更少，这就提高了机身表面光洁度，减少了机身表面发生的湍流噪声，进而为旅客提供一个相对舒适的环境，提升乘座体验。
　　1.3 提升环保性
　　现代燃油价格不断升高，同时，随着人们对环境保护重视程度的提升，污染物排放标准变得更加严格。复合材料飞机在具体应用期间，在节能减排方面具备的优点十分明显。复合材料与铝合金材料相比，自身重量降低，这可以提高飞机在实际飞行期间的效率，降低能耗[4]。采用复合材料的大型民用飞机与相同类型的采用铝合金材料的大型民用飞机相比，能耗量节省十分明显，这可以减少燃料在燃烧过程中各种气体的排放量。这种优势一方面可以减少不可再生能源的消耗量，另一方面也可以实现对生态环境的保护[5]。
　　2 国外民用飞机对复合材料承压框应用情况分析
　　2.1 承压框结构
　　空客A340飞机承压框采用的材料为PMI（聚甲基丙烯酰亚胺）泡沫填充加强筋结构，空客A350飞机在设计过程中仍然对该结构形式进行继承应用，目的就是尽量对结构设计和制造工艺进行合理优化。泡沫填充帽形加筋结构同其它结构相比，其在具体应用过程中，能够承受更大的外部荷载，并且，在复杂应力情况下，有着较高的结构效率。同时，因为帽形加强筋结构承压框自身有多路荷载传递路径，这也就使承压框结构在实际应用时，具有良好的损伤容限性能。相关研究结果表明，帽形加筋结构承压框与其他结构相比，在特定荷载区域内，在自身重量上能够节省约20%[6]。PMI泡沫芯材在制造期间不仅起到了雏形作用，而且其还作为结构材料被应用在大型民用飞机中，此材料在屈服前，可以确保结构强度和形状，从而使失稳荷载率能够提升接近100%。 　　从概念上来说，波音B787飞机复合材料承压框结构形式有显著不同，其设计者应用了仿生学原理，按照蜘蛛网结构形式，将其设计成格柵结构形式，且格栅加筋和蒙皮是一体化的，通过分析可知，其性能优异。
　　2.2 承压框的新材料与工艺
　　空客A380飞机复合材料承压框结构尺寸6.2m×5.5m，高1.6m，如果采用传统手工铺贴方式进行制造，整个制造过程中显然面临着较大困难。在实际制造过程中，为了降低制造费用，达到降低成本的目的，最终采用NCF（不起皱织物）编织材料预制体和RFI树脂膜方法完成对A380承压框的制造[7]。
　　制造A380复合材料承压框采用的主要材料有NCF、RFI树脂膜，PMI填充泡沫。对于制造过程中采用的纤维是东邦丝公司生产的高拉伸模量6K和12K碳丝，其性能良好且能够满足制造需求。采用的NCF的各项性能指标情况如下：
　　制造过程中应用的NCF拉伸性能：与预浸料式层合板相比拉伸性能略低;在应用过程中裂纹主要发生在纤维束内部，不会在纤维束之间出现裂纹，同时，出现的裂纹并不会贯穿90度铺层;压缩性能：压缩强度为拉伸强度的50%。
　　相关研究结果表明，NCF冲击后压缩强度CAI与预浸料层合板相比，前者要超过后者约80%。NCF织物应用的加工工艺方法会对其冲击性能产生一定影响，进行树脂注入法完成对NCF复合材料层压板的制备，其在具体应用过程中，在遭受冲击后的损伤程度与采用预浸料NCF层压板、预浸料单向带层压板相比更小。
　　3 我国复合材料承压框的实际发展情况
　　3.1 承压框的制造
　　3.1.1 材料选择
　　对于制造过程中应用的材料，应选择国外机型已取得成功应用的材料，保证采用的材料可以满足需求，最大程度减少材料的试验次数及成本，降低应用风险。
　　3.1.2 结构形式
　　C919飞机承压框为等厚度球面二次胶接泡沫芯填充加强筋结构，在设计过程中沿用了A340、A380的设计理念。以相同金属结构为基础，减重幅度约为两种材料的密度差。但因复合材料价格较高，成本略有提升。
　　3.2 承压框蒙皮复合材料的应用
　　3.2.1 裁剪复合材料蒙皮方式
　　球面框在具体应用期间因受均匀膜应力影响，不同方面的荷载值大小基本相同。因此，进行各向同性铺层设计，从而满足应用需求。单层铺层角度变化并不会受到外界因素限制，因此，可以采取等差方式完成对各层铺层角布置，最终形成刚度在面内具有各向同性性能的层压板。
　　3.2.2 工艺流程
　　主要工艺流程
　　a. 承压框蒙皮预浸料铺叠，进罐固化，获取到球皮。b. 通过加强筋的方式获取到加筋预制体。c. 将加筋和球皮进行结合，实现第二次固化。
　　3.3 改进方案
　　如需进行C919复合材料承压框优化改进，则在结构设计及选材上，先应对国外先进的制造工艺进行适当参考。结合国内复材制造整体水平，在实际生产过程中，可能会遇到铺层错误、效率偏低、施工铺贴工作内容繁琐等各项问题，针对这些不足，建议可采取下列方式进行改进：
　　设计复合材料承压框的关键是，能够实现与复杂曲面相符的复合材料预制体，可以形成预制体的织物有下列两种：第一种，采用同A380相似的NCF，这一材料在实际应用期间，具有较好的曲面适宜性，且性能良好。第二种，采取M2ESF ESFTM增韧经编织物，该织物具备的特点如下：a. 2-7层中的每一层碳纤维类型，以及面密度都可以调整。b. 具有良好整体性，并且曲面成型好，能够使预制工艺性得到改善。c. 抗冲击损伤性能强。
　　目前，手工铺叠单向带预浸料方式已逐渐被纤维缠绕方式取代。我国的纤维缠绕技术，已能够成功缠绕直径超过1.0m的罐状气瓶，在实际作业过程中，可以对该方法进行借鉴，从而改进复合材料承压框生产工艺，使产品的生产效率和质量都能够得到进一步提高，满足相关应用需求。
　　4 结束语
　　现代大型民用飞机在设计、制造过程中会应用到各种先进的材料，复合材料作为一种先进材料被合理的应用到了承压框结构中，并且从具体应用情况来看，也取得了不错的效果。复合材料承压框结构设计及制造工艺历来受到结构研发团队的重视，为了进一步提高大型民用飞机性能，应对其加强研究。
　　参考文献：
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