大型民用飛機復合材料承壓框結構及工藝發展分析

李俊斌　付友波　孟要偉

摘? 要：飛機是現代人出行過程中常用的交通工具，隨著應用的增多，人們對其使用性能、安全等各項內容都提出了更高的要求，這也促進了對相關需求的研究。現代民機因復合材料的成功應用，極大地滿足了人們對舒適性、安全性等要求。文章針對大型民用飛機復合材料承壓框結構及工藝發展情況進行詳細闡述，希望對飛機復合材料結構選型論證工作有所幫助。

關鍵詞：大型民用飛機;復合材料;承壓框結構;生產工藝

中圖分類號：V229.7? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：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

后機身承壓框是大型民用飛機機體結構的重要構成部分，是客艙后部密封及承壓的關鍵結構。其作用的發揮對大型民用飛機整體性能會產生直接影響，這也是在國內外多個大型民用飛機的研發過程中，均需要對該項內容進行深入研究的主要原因。

1 復合材料應用對于大型民用飛機制造的影響

飛機的性能和安全性都會受到材料影響，可以說一代材料造就一代飛機，在飛機制造過程中，要不斷對制造飛機應用的各項材料進行創新。在大型民用飛機制造過程中，應充分考慮大型民用飛機在使用過程中的舒適性、環保性、經濟性等多項內容。在大型民用飛機制造時對復合材料進行合理應用，會對民用飛機制造行業發展產生積極影響。

1.1 提升大型民用飛機經濟性

對于大型民用飛機的成本來說，在具體問題的分析過程中，不僅要考慮購買飛機的價格，還要考慮飛機在應用過程中的能耗、維修成本、壽命長度等多項因素。同鋁合金相比，雖然復合材料價格更高，但是，其在具體應用過程中帶來的經濟效益遠程超其負面影響[1]。例如，某大型民用飛機大量應用復合材料整體結構，使整個機身省去了縱向蒙皮拼接，減少了鋁合金零件和標準件數量，并且使整個機體結構變得更加堅固、輕盈。這一方面降低了飛機在飛行過程中的油耗，另一方面也減少了在飛機維修上的投入。

1.2 提升大型民用飛機舒適性

大型民用飛機在實際應用期間，一些部位容易發生疲勞損傷，舷窗是其中容易發生損傷的位置。復合材料具有優異的抗疲勞特性，也正因如此，大型民用飛機的大尺寸舷窗設計成為了可能[2]。目前，多數大型民用飛機艙內氣壓相當于外界2400m高空處的氣壓，波音B787飛機客艙內氣壓約為外界高空1800m處的氣壓，這就為旅客提供了更加舒適的環境。B787飛機對復合材料進行大量應用，艙壓提升只使機身重量增量約70kg，如果采用鋁合金材料，要想使艙壓達到這一標準，機身重量則會升高1000kg。由此可見，采用復合材料對于大型民用飛機舒適性的提升十分明顯。

此外，復合材料在實際應用過程中，其性能與鋁合金結構相比，前者具有更好的耐腐蝕性，這也使采用復查材料的大型民用飛機座艙中濕度與采用鋁合金的飛機相比，濕度更高。這種優勢能夠避免少數旅客在飛行過程中，由于脫水而引起的不適[3]。同時，整體成型復合材料機身與采取鉚釘連接的鋁合金機身相比，采用的緊固件更少，這就提高了機身表面光潔度，減少了機身表面發生的湍流噪聲，進而為旅客提供一個相對舒適的環境，提升乘座體驗。

1.3 提升環保性

現代燃油價格不斷升高，同時，隨著人們對環境保護重視程度的提升，污染物排放標準變得更加嚴格。復合材料飛機在具體應用期間，在節能減排方面具備的優點十分明顯。復合材料與鋁合金材料相比，自身重量降低，這可以提高飛機在實際飛行期間的效率，降低能耗[4]。采用復合材料的大型民用飛機與相同類型的采用鋁合金材料的大型民用飛機相比，能耗量節省十分明顯，這可以減少燃料在燃燒過程中各種氣體的排放量。這種優勢一方面可以減少不可再生能源的消耗量，另一方面也可以實現對生態環境的保護[5]。

2 國外民用飛機對復合材料承壓框應用情況分析

2.1 承壓框結構

空客A340飛機承壓框采用的材料為PMI（聚甲基丙烯酰亞胺）泡沫填充加強筋結構，空客A350飛機在設計過程中仍然對該結構形式進行繼承應用，目的就是盡量對結構設計和制造工藝進行合理優化。泡沫填充帽形加筋結構同其它結構相比，其在具體應用過程中，能夠承受更大的外部荷載，并且，在復雜應力情況下，有著較高的結構效率。同時，因為帽形加強筋結構承壓框自身有多路荷載傳遞路徑，這也就使承壓框結構在實際應用時，具有良好的損傷容限性能。相關研究結果表明，帽形加筋結構承壓框與其他結構相比，在特定荷載區域內，在自身重量上能夠節省約20%[6]。PMI泡沫芯材在制造期間不僅起到了雛形作用，而且其還作為結構材料被應用在大型民用飛機中，此材料在屈服前，可以確保結構強度和形狀，從而使失穩荷載率能夠提升接近100%。

從概念上來說，波音B787飛機復合材料承壓框結構形式有顯著不同，其設計者應用了仿生學原理，按照蜘蛛網結構形式，將其設計成格柵結構形式，且格柵加筋和蒙皮是一體化的，通過分析可知，其性能優異。

2.2 承壓框的新材料與工藝

空客A380飛機復合材料承壓框結構尺寸6.2m×5.5m，高1.6m，如果采用傳統手工鋪貼方式進行制造，整個制造過程中顯然面臨著較大困難。在實際制造過程中，為了降低制造費用，達到降低成本的目的，最終采用NCF（不起皺織物）編織材料預制體和RFI樹脂膜方法完成對A380承壓框的制造[7]。

制造A380復合材料承壓框采用的主要材料有NCF、RFI樹脂膜，PMI填充泡沫。對于制造過程中采用的纖維是東邦絲公司生產的高拉伸模量6K和12K碳絲，其性能良好且能夠滿足制造需求。采用的NCF的各項性能指標情況如下：

制造過程中應用的NCF拉伸性能：與預浸料式層合板相比拉伸性能略低;在應用過程中裂紋主要發生在纖維束內部，不會在纖維束之間出現裂紋，同時，出現的裂紋并不會貫穿90度鋪層;壓縮性能：壓縮強度為拉伸強度的50%。

相關研究結果表明，NCF沖擊后壓縮強度CAI與預浸料層合板相比，前者要超過后者約80%。NCF織物應用的加工工藝方法會對其沖擊性能產生一定影響，進行樹脂注入法完成對NCF復合材料層壓板的制備，其在具體應用過程中，在遭受沖擊后的損傷程度與采用預浸料NCF層壓板、預浸料單向帶層壓板相比更小。

3 我國復合材料承壓框的實際發展情況

3.1 承壓框的制造

3.1.1 材料選擇

對于制造過程中應用的材料，應選擇國外機型已取得成功應用的材料，保證采用的材料可以滿足需求，最大程度減少材料的試驗次數及成本，降低應用風險。

3.1.2 結構形式

C919飛機承壓框為等厚度球面二次膠接泡沫芯填充加強筋結構，在設計過程中沿用了A340、A380的設計理念。以相同金屬結構為基礎，減重幅度約為兩種材料的密度差。但因復合材料價格較高，成本略有提升。

3.2 承壓框蒙皮復合材料的應用

3.2.1 裁剪復合材料蒙皮方式

球面框在具體應用期間因受均勻膜應力影響，不同方面的荷載值大小基本相同。因此，進行各向同性鋪層設計，從而滿足應用需求。單層鋪層角度變化并不會受到外界因素限制，因此，可以采取等差方式完成對各層鋪層角布置，最終形成剛度在面內具有各向同性性能的層壓板。

3.2.2 工藝流程

主要工藝流程

a. 承壓框蒙皮預浸料鋪疊，進罐固化，獲取到球皮。b. 通過加強筋的方式獲取到加筋預制體。c. 將加筋和球皮進行結合，實現第二次固化。

3.3 改進方案

如需進行C919復合材料承壓框優化改進，則在結構設計及選材上，先應對國外先進的制造工藝進行適當參考。結合國內復材制造整體水平，在實際生產過程中，可能會遇到鋪層錯誤、效率偏低、施工鋪貼工作內容繁瑣等各項問題，針對這些不足，建議可采取下列方式進行改進：

設計復合材料承壓框的關鍵是，能夠實現與復雜曲面相符的復合材料預制體，可以形成預制體的織物有下列兩種：第一種，采用同A380相似的NCF，這一材料在實際應用期間，具有較好的曲面適宜性，且性能良好。第二種，采取M2ESF ESFTM增韌經編織物，該織物具備的特點如下：a. 2-7層中的每一層碳纖維類型，以及面密度都可以調整。b. 具有良好整體性，并且曲面成型好，能夠使預制工藝性得到改善。c. 抗沖擊損傷性能強。

目前，手工鋪疊單向帶預浸料方式已逐漸被纖維纏繞方式取代。我國的纖維纏繞技術，已能夠成功纏繞直徑超過1.0m的罐狀氣瓶，在實際作業過程中，可以對該方法進行借鑒，從而改進復合材料承壓框生產工藝，使產品的生產效率和質量都能夠得到進一步提高，滿足相關應用需求。

4 結束語

現代大型民用飛機在設計、制造過程中會應用到各種先進的材料，復合材料作為一種先進材料被合理的應用到了承壓框結構中，并且從具體應用情況來看，也取得了不錯的效果。復合材料承壓框結構設計及制造工藝歷來受到結構研發團隊的重視，為了進一步提高大型民用飛機性能，應對其加強研究。

參考文獻：

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