碳纖維增強大型飛機翼盒結構設計要點分析

Summary：碳纖維增強是以碳素材料為主的復合型材料，含碳量高達90%以上，具備優(yōu)良的力學特性，在航空航天制造中的應用所占比重越來越大。本文分析碳纖維增強材料在大型飛機中的應用優(yōu)勢與趨勢；在翼盒結構設計要點分析中，通過對結構的強度、重量、穩(wěn)定性等方面進行研究分析，并對翼盒結構的安裝損傷與驗收要素展開分析，保障翼盒結構設計的穩(wěn)定性。Keys：碳纖維增強；大型飛機翼盒結構；設計要點引言：碳纖維增強作為一種復合材料，其既具有纖維的韌性,又具有碳材料的固有本性，在大型飛機機翼結構中的應用能夠更加細節(jié)化，滿足復雜的結構設計需求，具有強大的應用優(yōu)勢。1碳纖維增強在大型飛機中的應用優(yōu)勢與趨勢碳纖維增強作為一種塑料復合材料，其重量輕，可進行復雜產(chǎn)品設計、生產(chǎn)加工，有自潤滑性的特點，可以做特殊用途的風扇、發(fā)動機冷端件，耐化學性好，耐酸耐堿性強，耐各種環(huán)境腐蝕，例如將其應用在海水中的使用壽命比鋼制件使用壽命更長；該材料應用在大型飛機翼盒結構設計中能夠降低飛機全壽命成本，減輕結構重量，提高飛機性能，降低裝配工藝難度及工作量，并提高結構可靠性和維修性，。雖然碳纖維增強材料性質優(yōu)良，力學性質突出，能夠有效的提升飛機結構的質量，改善飛機性能，增加飛機飛行的安全性與穩(wěn)定性，但是，并不是飛機的整體結構都能采用碳纖維復合材料。部分高強度碳纖維增強材料價格昂貴，因此，飛機制造選用材料時，提高對材料性價比的重視，在一些可以被替代的時候，可以不選用碳纖維增強材料，但是對于一些較為重要的區(qū)域，為了保證結構的穩(wěn)定，需要使用碳纖維增強材料進行建造[1]。碳纖維增強材料應用在大型飛機制造中能夠實現(xiàn)降低飛機重量的目標，但為了提高該材料的利用范圍，需要降低碳纖維復合材料的制備成本，提升成型技術。在制作成本上，控制碳纖維復合材料的原材料成本，在保證原材料質量合格的基礎上采用價格合理的材料進行復合，進而使得最終的碳纖維復合材料成本下降；在提升成型技術上通過修改技術方案，技術路線等方式，優(yōu)化材料制備工藝，提升材料成型技術，降低材料制備失敗的可能性，提升材料制備的速度，提高成型質量。2碳纖維增強大型飛機翼盒結構設計要點飛機翼盒結構的機翼由表面的蒙皮和內骨架組成，是機翼的主要承重結構，內部由梁、內部翼肋框架、上下壁板組成，外部形成外部流暢的外形。蒙皮是機翼保持形狀不可或缺的元件，承受機翼彎矩方面的壓力，沿著機翼展開方向布置構建為翼梁、縱墻和桁條。翼盒結構在其內部同時承擔著飛機油箱的工作[2]。圖1為大型飛機翼盒結構的簡單內部結構設圖。圖1飛機翼盒結構內部2.1強度分析與計算將碳纖維增強材料應用到飛機翼盒結構中的設計方式為多墻式結構，蒙皮是主要受力構件，不僅需要承受著大部分彎矩引起的正應力之外，還需要承受著扭矩引起剪力，正應力會引起蒙皮的開裂、翹曲以及變形問題，剪力會讓蒙皮橫截面沿該外力作用方向發(fā)生的相對錯動變形，造成該部分的塌陷等問題，不利于飛機的平穩(wěn)安全運行。為了提高翼盒結構的穩(wěn)定性，滿足大型飛機的最大荷載靜強度，結合蒙皮與翼墻、墻腹板結構的分析，在機翼根部，將蒙皮與機翼前段的肋相連，將蒙皮承受的正應力由機翼尾部通過機翼肋傳遞給機翼與機身的接頭，將正應力再傳遞給機身，保障機翼的一盒結構達到合理強度。將碳纖維增強這一復合材料應用到蒙皮結構的安裝與制作中，需要進行多次實驗檢測，確保蒙皮結構在各個墻與肋間口蓋中的穩(wěn)定性合格，具有一定的安全余量，避免蒙皮結構出現(xiàn)變形等問題。2.2重量分析與計算利用碳纖維增強這一復合材料需要達到飛機減重10%-15%的目標，降低飛機運行的能源消耗，為了達到這一標準，將飛機翼盒結構中各個部分的接頭選擇用碳纖維增強材料進行替代，在這一過程中，需要注意檢查翼盒結構內部力的傳遞是否受到影響，提高碳纖維增強材料選擇類型的多樣性，不斷替換金屬結構，逐步擴大飛機減重空間。2.3穩(wěn)定性分析與計算對于飛機來說，機翼具備一定的抗沖擊損傷能力才能保證飛機更加平穩(wěn)地飛行，因此，碳纖維增強材料需要保障具備抗沖擊能力，其次，根據(jù)翼盒結構不同部分的要求，需要了解性能不同的碳纖維增強材料，確定各個材料參數(shù)的不同。例如，民機翼盒結構安裝有發(fā)動機裝置，針對這一問題需要保障碳纖維增強材料的穩(wěn)定性，避免內部結構出現(xiàn)斷裂等問題。2.4壁板之間誤差的分析與計算碳纖維增強材料應用在壁板中需要重新計算壁板的厚度，且為了保障壁板的穩(wěn)定性與牢固性，會在壁板上增加筋條等，這一變化需要注意壁板組件與墻軸線、墻緣條誤差在合理范圍內，保障整體壁體厚度合理，最大限度保障并發(fā)揮壁體的作用。2.5翼盒結構的安裝損傷飛機翼盒結構主要為金屬結構和復合材料結構兩種，金屬結構重量較重，復合材料結構相對金屬結構重量會輕一些，但復合材料盒段的壁板、梁、肋需要通過緊固件進行機械連接，而裝配緊固件過程中需要制連接孔，會對碳纖維增強材料結構帶來損傷，從而降低該結構的承載能力，針對這一問需要采取合理的防護措施，保護碳纖維增強材料，降低二者之間的摩擦等。翼盒結構中的鋁合金材料與碳纖維增強材料的接觸會出現(xiàn)電位腐蝕問題，這一現(xiàn)象降低該材料結構的使用壽命，且該問題還會就對翼盒結構內部帶來其他傷害，如為機電系統(tǒng)絕緣帶來不利影響等。針對這一問題需要相關人員在金屬結構與碳纖維增強結構接觸的部分采取相應的絕緣措施，為飛機的安全飛行負責。如果碳纖維增強材料層級之間的強度較低，在承重方向與板面方向垂直時，容易出現(xiàn)安裝損傷問題，引起內部結構破壞。針對這一問題需要相關人員運用環(huán)螺接的方式進行安裝，或者利用鉚接的方式，如壓鉚，不要利用鉚槍或者錘鉚進行安裝，提高翼盒結構各個部分的連接穩(wěn)定性。翼盒結構設計需要重視各個部分連接的拉緊力，保障各個部分的協(xié)作，確保力的傳遞流暢，為機翼的穩(wěn)定性與飛機運行的安全負責。針對這一問題需要相關人員選擇合適的緊固件，提高技術能力，選擇合適的施工工藝，保障拉緊力在合理范圍內。重視涂密膠、密封膠等材料的利用，保障內部小零件的穩(wěn)定性與安全性，避免各部分的連接出現(xiàn)縫隙問題，同時，這一類材料的應用可以起到不同材料之間的絕緣作用，避免內部發(fā)生靜電問題，為飛機運行帶來安全隱患。2.6翼盒結構驗收要素驗收工作需要重視翼盒結構各個部件強度、穩(wěn)定性、拉緊力、絕緣質量等方面的全面檢查，例如蒙皮結構需要保障各個區(qū)域的穩(wěn)定性與承重力符合大型飛機的具體要求，保障蒙皮結構表面的平整度與流暢性；驗收過程中需要重視檢測工具的合理利用，提高檢測結果的數(shù)據(jù)化；重視內部零件的安裝質量，松緊度是否合理；確保各個部分的距離合理，如緣條之間的距離等。最后確保翼盒結構的設計滿足飛機減重的要求，采用多次實驗的方式確保機翼發(fā)揮其功能，確保投入使用后的安全與穩(wěn)定。結論：碳纖維增強這一材料的應用降低了飛機的重量，減少飛機的能源消耗，將其應用在翼盒結構設計中，需要相關人員重視該材料就應用在不同部分時，其性能不能低于原本的金屬結構，加強對碳纖維增強這一材料的了解與分析，提高碳纖維增強這一材料的應用范圍。在安裝過程中，提高對安裝損傷的重視，采取合理措施保障安裝質量，提高驗收環(huán)節(jié)的效率。Reference：[1]楊晴.碳纖維增強大型飛機翼盒結構設計