運8系列飛機復合材料結構件設計與研究

照那斯圖

摘要 復合材料結構是飛機結構的主要發展方向。本文對國內外民機和軍機復合材料結構件使用情況進行分析，對運8系列飛機采用復合材料結構件進行研究，對設計制造方面存在的薄弱環節突破方面提出了可行的方法。

關鍵詞 復合材料；結構件；設計與研究

1.概述

運8系列飛機經過近50年的發展，已經形成3個平臺三大系列飛機群，成功交付多架多型號特種飛機、運輸機和外貿機。但運8系列飛機結構件仍然使用金屬合金材料為主，與國外先進飛機比較，結構效率、經濟性和維修性方面存在一定的差距。

波音和空客系列民機，C-17和A400M等軍機已經大面積采用復材。復材結構件是減輕結構重量、提高結構效率，改進飛機經濟性的主要途徑。運8系列飛機結構設計應盡早采取復材結構件，改進飛機使用性、提升競爭力、提高飛機效率、打造先進平臺。

2.國外飛機復材使用情況

20世紀70年代開始在飛機上使用復材，剛開始用在非承力結構件，如口蓋、舵面、后緣等結構。1982年空中客車公司率先在A310-200飛機上采用碳纖維復材制造的方向舵、升降舵、擾流板和減速板。1987年在A320飛機的水平尾翼和副翼上采用復材。此后空客將A340飛機的垂尾、平尾、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門和整流罩均采用復材。隨后研制的A340 500/600飛機又增加碳纖維龍骨梁和復材機身后密封框。這是復材首次被永遠氣密區結構，該機復材用量達到飛機結構的10%。

A380飛機研制采取了一系列新技術和新材料，大量采用復材。將復材進一步用于非暴露的主要受力結構上，如機翼的主要受力部件中央翼翼盒采用碳纖維強塑料。一架A380飛機復材用量達30t，復材用量達到飛機結構的23%。

B787飛機的機體表面結構基本采用了復材，具體為碳纖維鋪層結構、碳纖維夾層結構和玻璃纖維結構。大量使用復材，使B787飛機不僅減輕了重量而且大大提高了飛機結構耐久性，使B787飛機的維修間隔達到1000h，而B767飛機的維修間隔只有500h。

軍用飛機，特別是大中型軍用飛機復材結構發展雖然沒有民機發展迅猛，但總的發展趨勢是一致，就是金屬結構逐步被復材結構所代替。當前以C-17為代表的大型軍用運輸機和以A400M為代表的中型軍用運輸機機體結構材料應用基本體現了復材結構在軍用運輸機上的總體體現與發展趨勢。另外，已有大量的戰機和直升機采用了全復材機體結構，如F-22飛機、NH-90、波音-360、V-22、RAH-66直升機等。

3.運8系列飛機復材結構件設計與研究

3.1國內飛機復材應用情況

國內從20世紀70年代初開始在飛機結構中研制和試用復材，前后成功地研制出殲-8飛機的垂尾，強5飛機的垂尾，運7飛機的安定面等等。值得一提的是，國內直升機上復材的應用比例大大超出了固定翼飛機上的應用。

我國所應用的復材技術還都只是停留在手工鋪設和熱壓罐成形等技術層面上，生產出來的產品質量差、合格率低，致使目前復材的生產成本居高不下，產品價格難以下降。

在復材的主要研究應用方面，國內航空復材仍然發展較慢，在材料研究上沒有突破，在設計應用方面沒有大的發展。也沒有掌握先進的復材工藝技術，一些新材料、新工藝和相關的設計方法，像高效、低成本的編織/RTM、縫合/RFI、自動鋪放系統、電子束固化還沒有達到工程應用的地步。復材構件的無損檢測技術也沒有完全掌握，限制了復材構件的應用，與國外先進國家相比，差距很大。

3.2運8系列飛機復材應用情況

運8系列飛機結構基本材料為鋁合金金屬結構。復材的應用主要集中在有電性能要求的罩子，如機頭罩，雷達罩、尾罩等部位。某型號飛機某艙門采用了復材結構，是運8系列飛機首次除電性能要求以外的結構件中采用復材結構件。運8系列飛機其它非承力件和承力件采用復材應用還未真正起步，僅僅選擇了方向舵作為復材應用的突破口，尚處于探索階段。

3.3運8系列飛機復材結構件的設計研究

1）復材結構件應用思路。綜合運8系列飛機機體結構，特別是主承力結構采用復材，仍然存在技術風險、材料風險和經濟風險。運8系列飛機的復材結構件的應用應借鑒行業內工程經驗以及國內復材的發展基礎上，從輔助結構件開始到次承力件，再到主承力件，再到大型復雜整體承力件，實現復材結構達到一半以上水平。雖然達到復材應用率達到一半以上存在一定的困難，且需要一段很長的路，但必須盡快采取措施實施，否則很難提高結構效率，很難提高飛機競爭力。

運8系列飛機罩子及某型機某艙門的復材件的成功應用，充分說明，復材非承力件沒有存在風險。起落架艙門、各操縱舵面、端板、腹鰭、背鰭等組部件完全可以使用復材結構件。

2）承力復材結構件的設計。由于復材對環境因素的敏感性，破壞形式的多樣性，形成了以“設計是主導，材料是基礎，制造是關鍵，檢修是保證，目的是應用”的對于各方關系的應用策略，這策略充分說明機體結構選用復材的復雜性，因此，我們在承力結構件采用復材需做以下方面的技術儲備或技術攻關。

（1）復材選材研究。復材原材料包括增強材料、基體材料和由它們組成的中間材料預浸料。此外，還有夾層結構所用的蜂窩材料、泡沫材料、膠粘劑和工藝輔助材料。基體和增強材料的不同搭配有不同的材料性能，因此合理選材是復材設計的基礎。

（2）典型結構鋪層設計研究。復材是可設計的，在結構應用時其層壓板可以由不同比例、不同纖維方向的鋪層構成。結構鋪層設計中包括鋪層設計的準則掌握、連接區域設計，避免翹曲等技術要點。

（3）典型結構許用值的測算與研究。復材結構設計許用值與材料許用值不同。結構設計許用值的確定是復材結構設計的關鍵技術之一。其定義為“保證整個結構的完整性具有高置信度，在許用值的基礎上，由設計師規定的設計限制值”。設計許用值是結構設計思想、設計要求的具體體現和設計師設計經驗與教訓的結晶。

（4）試驗驗證。由于復材結構缺乏成熟的分析方法和足夠的設計與使用經驗，復材結構完整性采用全尺寸部件和必要的試樣、組合件相結合的多層次設計驗證試驗方法來保證。對于全尺寸部件的結構試驗，模擬諸多的綜合環境效應往往十分困難，但是經過恰當組織的積木式驗證，可以保證復材結構的強度驗證在總體上是完整的。復材的應用需要大量的試驗驗證。

（5）工藝技術的研究。復材成型和制造工藝是復材應用的關鍵環節之一。目前廣泛使用的復材成型技術有熱壓罐制造技術、纖維纏繞技術、電子束固化技術、液體成型技術，增強材料預成型體制造技術等等。不同的材料、不同的結構需要不同的制造技術。

（6）健康監控和維修技術研究。復材結構件使用后，在飛機復材結構全壽命使用過程中，如何監控復材結構件其內部的損傷，如何判斷損傷部位和程度，如何報警提示已成為難點。復材的強度來自于纖維與機體樹脂固化形成結構，一旦損傷分層或纖維斷裂，結構強度就要受到很大的損失。復材破損后，很難采用修補金屬的方法來修補。研究適合不同工藝和材料的復材修補問題成為復材大面積應用的關鍵問題之一。目前各廠家使用的修復方法均不是很理想。因此復材結構件的健康監控和修復技術迫在眉睫。

4.結論

先進復合材料具有比強度高、比剛度高、可設計性強、耐腐蝕、尺寸穩定性好以及便于大面積整體成形等獨特優點，采用特殊的增強體和基體還具有特殊的電磁性能和吸波隱身作用。雖然我們面臨材料、設計、工藝、試驗、檢測等各個方面都存在困難和挑戰，但國內大中型飛機結構對復材的需求和國外飛機結構復材的快速發展已不允許我們再拖延，必須拋棄以往在復材技術研究方面的一些不良做法，吸取國內復材所取得的成果和工程應用經驗，總結、提煉和共享，采取靈活多變的合作方式，把運8系列飛機結構復材的應用推向新的臺階。