通用飞机复合材料结构低成本制造技术
作者：陈静 程文礼 李贤德
来源：《新材料产业》 2017年第12期
一、概述回忆的英文
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通用飞机在近十几年的飞速发展过程中，一个显著的特征就是复合材料在通用航空上应用的快速增长，从小的次乘力结构到要求更高的控制面、尾翼部件、机身和机翼，再到部分制造商已经开始制造的全复合材料机体结构。现在，越来越多的制造商正在寻找从铝到复合材料机身转换的竞争优势。这主要归功于复合材料的以下优点：
①更好的抗冲击性：碳纤维复合材料结构在与铝合金相同的强度下具有更高的刚度，这就提供了更大的安全性和更好的抗腐蚀和抗冲击性能；②减小单位价格：部件的整体化和共固化成型减少了制造商的生产和装配时间，同时减少了劳动力费用，消除了大量沉重而且会产生诱导应力的紧固件。③减小维修：金属材料长期使用容易疲劳和腐蚀，相反，复合材料具有更好的抗疲劳和耐腐性，这就减少了机体的检测、维护和维修费用。④改善气动外形：复合材料结构的成型不受金属材料生产的限制，可以实现理想的动力外形。⑤提高功率-质量比：复合材料机身比传统的机身具有更轻的质量和更高的强度，可以
披着羊皮的狼mp3下载提升操作效率和飞机性能。
目前，国际上主要的复合材料公务机有赛斯纳350及400飞机，西锐公司的轻型飞机S R20、S R22，钻石飞机公司的D A20Eclip、DA40、DA42、D-JET，亚当公司的A700和A500飞机以及美国豪客比奇公司的“首相Ⅰ”。复合材料结构件用材的比例已经成为飞机先进性的重要标志。为进一步提高市场竞争力，低成本复合材料结构设计-制造技术已经成为世界通用飞机制造商必须要面对和解决的问题之一。
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二、通用飞机复合材料典型结构应用
1.Hawker 4000 夹层结构复合材料机身
H a w k e r 4000公务机机身为复合材料蜂窝夹层结构，机身结构由3个筒体在机翼处连接。筒体蜂窝夹层结构采用辛辛那提公司（Cincinnati）V I P E R?自动纤维铺放设备在铝合金芯模上进行丝束铺放。预浸料所用碳纤维为东邦T e n a x美国公司的G40-800和赫氏（Hexcel）公司的IM7，环氧树脂采用氰特（C y t e c）工程材料公司的977-2或E7K8。蜂窝采用Hexcel公司的N o m e x蜂窝。胶膜、发泡胶等胶粘剂材料由3M公司提供。最外层防雷击材料采用C y t e c公司的S u r f a c eM a s t e r 905。整体结构最薄处设计采用3/芯/3，根据结构在需要的位置进行铺层补偿以满足承载需要。一般的铺层取向是0° /+45° /-45° /90°。但纤维的排列结构根据特定载荷分布区域进行优化设计，门窗开口区
域周围增加厚度以提高强度。单向带预浸料采用丝束铺放设备进行铺放，织物预浸料、蜂窝芯子、胶膜及表面防雷击材料采用激光投影辅助手工铺放。在芯轴上铺完后，从铝芯轴上取下置于阴模内，阴模为2部分碳/环氧材料组成的蛤形件结构，经真空袋封装按工艺在热压罐中固化。筒体间的连接采用糊状胶胶接和紧固件机械连接相结合的方式完成。豪客比奇公司在Hawker 4000飞机上选用复合材料（图1）主要基于复合材料的高比强度、可制造性、可维修性及经济性，另外采用复合材料可以增加舱内空间、减轻结构质量以及减少零件数量，这样即提高了舒适度，又降低了制造工时成本。
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2.Gulfstream G650 热塑性复合材料控制面
Gulfstream G650复合材料应用最显著的就是福克航空公司（FokkerAerostructures）采用KVE公司开发的碳纤维增强热塑性塑料焊接技术首次将电磁感应焊接热塑性复合材料技术用于方向舵和升降舵的工业化制造，如图2。所采用的热塑性材料其基体为泰科纳（T i c o n a）公司的Fortron?聚苯硫醚（PPS）。碳纤维/聚苯硫醚预浸料板材由滕卡特航空复合材料公司（TenCate AerospaceC o m p o s i t e s）提供。这种材料具有较好的刚度、抗冲击性和尺寸稳定性，并且具有阻燃性，符合航空工业上的高安全标准。电磁感应焊接的基本原理是在零件焊接面之间放置一层含金属粉的胶膜，或采用金属网增强热塑性树脂膜作为电磁场感应介质，感应介质在具有一定能量的电磁场下产生热量，加热树脂至熔融后焊接，焊接过程需要在零件焊接面上施加一定的压力，一直保持到冷却至室温以提高焊接界面的焊接质量。感应焊接需要注意的是焊接面上的温度场分布要均匀，这取决于电磁场线圈的设计和
焊接感应介质的形状。感应焊的优点是焊接时间短，能够应用于任何具有规则表面的复杂零件，且可以同时进行多个大型零件或多重焊接面的焊接。感应焊接热塑性材料具有较高的可靠性，且用焊接来代替胶黏剂粘接和螺栓连接是节约成本的一个重要因素。另外，感应焊接可以通过再加热的方式，沿焊缝将零件拆开进行焊接缺陷修补。
3.ASC-II RTM 复合材料螺旋桨叶Hartzell公司开发的ASC-II桨叶为C i r r u s的S R -22机型节省了16磅/7.3k g的机体质量，该桨叶采用PROP Code和ANSYS有限元分析软件来确定桨叶上的应力分布，根据设计结果采用泡沫夹芯结构，芯材表面为环氧树脂浸渍的碳纤维和芳纶纤维（混编织物和单向带），采用混合材料设计是由于碳纤维能保证桨叶需要的高模量和高弯曲强度，而芳纶纤维则提供优良的扭曲强度和阻尼性能，桨叶的最外层是玻璃纤维和防雷击铝网。铺层数量及角度沿叶展方向变化，导致厚度分布的差异。为降低成本，ASC-II桨叶采用树脂传递模塑成型（RTM）工艺，即将芯材及纤维预成型件放在封闭的模具中，向模腔内注射环氧树脂完成纤维浸润（图3）。采用R TM不仅加快了制件的生产效率，同时还能降低劳动力成本。除了达到显著的减重效果，ASC-II还能持续飞行50 000h，这主要受益于复合材料的可修复性。
三、通用飞机复合材料低成本制造技术
1. 低成本材料技术
降低复合材料结构成本首先就要降低原材料成本，复合材料原材料主要是纤维、树脂以及纤维与树脂复合在一起的预浸料。国外以碳纤维为主的纤维厂家已经逐渐整合，产能及价格也趋于稳定。近几年，国内碳纤维厂家正在崛起，其中一些厂家的T300级、T700级碳纤维生产线也已经趋于稳定，价格逐渐由市场主导。传统预浸料一般用于热压罐成型，由于热压罐的设备投资成本较高，基于热压罐的预浸料技术也被认为是一种高成本工艺。随着航空工业对低成本预浸料及其制造技术的追求，近十年来热压罐外固化预浸料（OOA prepreg）技术得到了快速发展。相对传统的热压罐固化预浸料体系，O O A预浸料在烘箱内就可以完成固化，大大节省了热压罐设备费用。通过树脂配方优化及预浸料制备技术改进，固化后层板的孔隙含量得到了控制，对于主承力结构件，孔隙含量能够低于1% ；对于次承力结构件，孔隙含量能够低于2%。目前，一些用于航空结构的O O A预浸料固化后性能与热压罐成型相当，如A C G公司的M T M44-1、M T M45-1、M T M46，C y t e c公司的C y c o m5320-1等，国内中航复合材料有限责任公司也开发了O O A预浸料，如B A9913系列、L T -03系列等均在各种机型上应用。
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2. 数字化设计与制造技术
采用数字化设计与制造技术可以预测零件制造周期、提高零件生产效率、缩短复合材料产品研发时间，同时可以减少材料浪费及过程损耗，从而降低产品研制成本。目前，飞机结构复合材料在设计-制造一体化方面采用较多的是基于美国VISTAGY公司在C A T I A软件平台上开发用于复合材料制造和分
析的FiberSIM软件。应用F i b e r S IM软件可以设计结构铺层边界，在C A T I A软件中生成三维视图，并且可以将复合材料结构的三维铺层信息通过可展性分析后展开为二维铺层信息，生成C A D文件，C A D文件经铺层切割数据转换软件生成预浸料排料数据，在采用自动剪裁机控制软件进行预浸料自动剪裁及标识。自动剪裁技术的应用取代了下料样板及手工下料，铺叠过程中再结合激光投影定位技术，将铺层的形状和纤维方向更准确的投影在模具上，可以提高铺叠的准确性，并且减少铺放过程中的错误，采用自动下料比手工下料效率可提高3倍以上，节约原材料20%左右。
3. 自动化制造技术
低成本的另一途径是发展复合材料自动化制造技术，如自动铺带技术(ATL)、自动纤维铺放技术(AFP)，纤维缠绕和拉挤技术等，检测上采用C扫描等快速无损检测方法可以大大更加生产效率，降低劳动力成本，也减小了人为因素的影响，提高产品质量的一致性。自动铺带与自动铺丝的共同特点是铺贴速度快、质量可靠性高，特别是针对大型复合材料零件制造，其中自动铺带主要用于翼面等率曲较小的零件，由于预浸带较宽，其效率较高；自动铺丝则更适用于复杂形状结构，如机身、翼身融合体等，其适应范围宽，但效率逊于前者。对于自动铺带技术，有研究表明，手工铺叠复合材料效率为3磅/ h，而自动铺带技术能达到15 ～30磅/ h；手工铺叠复合材料废料量为15%～20%，而自动铺带技术可以减少到5%左右。另外，自动铺带的定位精度高于手工定位精度的2个量级以上。
4. 整体化胶接结构制造技术
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复合材料整体成型技术是利用共固化或共胶接以及液体成型技术，直接实现多个零件复杂结构一次成型的制造技术。通用飞机为达到进一步减重效果，需要在结构上尽可能实现整体成型，如目前大量采用的共固化/共胶接结构。利用复合材料整体成型技术在很大程度上减小了零件数量、紧固件数量及整体质量。目前，整体结构除T型、工型等复合材料加筋壁板外，还大量采用蜂窝夹层结构，其主要有2类：第一类为蜂窝夹层壁板结构，其特点是上、下面板较薄，一般不超过1m m，整个蜂窝夹层板厚度一般不超过30m m，结构内部有梁、墙或肋作为支撑形成承力盒段；第二类为全高度变截面蜂窝结构，主要用于方向舵、升降副翼等制造。整体成型的另一类技术是采用低成本的液体成型技术，如RTM、RFI、VARI等，液体成型技术不需要使用昂贵的热压罐，且生产的零件表面质量、尺寸精度较好，适于制造形状复杂且批量较大的零件。
四、结语
先进树脂基复合材料低成本技术在国外通用飞机上得到了广泛应用，国内先进树脂基复合材料在通用飞机上的应用才刚刚开始，在设计制造一体化技术、整体成型技术、自动化制造及新技术的应用水平方面与国外先进技术相比还存在不小差距。为满足未来通用飞机复合材料高效、经济等需求，积极开展通用飞机复合材料结构低成本制造技术研究和应用，包括低成本预浸料技术、通用飞机结构设计及整体成型、数字化及自动化等技术，将促进我国通用飞机行业的快速发展。
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10.3969/j.issn.1008-892X.2017.12.004
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