新型复合材料夹层结构及接头在机身结构中的应用前景

新型复合材料夹层结构及接头在机身结构中的应用前景

新型复合材料夹层结构及接头在机身结构中的应用前景 2011： 复合材料自20世纪70年代就以比重小、强度高、疲劳性能好等优点受到飞机设计师的青睐。但是，由于其层间强度低、分散系数大和易受湿热影响等缺点又限制了它的使用。当前主要应用于机翼蒙皮、垂尾、机身蒙皮等型面较简单的部位。复合材料在战斗机的机身隔框结构应用一直都很谨慎，一方面由于机身结构受力更复杂，复合材料隔框与外蒙皮和进气道的连接较困难，另一方面，传统的带π 形接头的夹层结构虽是一种解决办法，但传统夹层结构接头的传载效率还很不理想。传统夹层结构及接头传统蜂窝夹层结构（Nomex蜂窝、铝蜂窝等）是一种以最小重量获得高弯曲刚度的方法，但由于其强度低、使用中易潮湿、易腐蚀、损伤容限低、面板易和芯子分离、全寿命成本较高等缺点限制了它在飞机机体结构的应用。另外，传统夹层结构接头的传载效率也是个问题。如果不采用螺栓连接，接头的传载能力有限，如果采用螺栓连接，则复合材料结构的减重效果又不明显，见图1。新型夹层结构及接头改进夹层结构及接头设计主要考虑载荷传递、生产性、耐久性、维修性、油密封性和成本。当前一些新型的夹层结构接头设计的主要特点是采用内嵌三维编织的π 形预成形件接头以提高损伤容限和静强度、不易腐蚀的蜂窝（如钛蜂窝）、泡沫充填以减少湿气入侵提高损伤容限，提高接头传载效率、少量或者没有紧固件见图2。 新型夹层结构接头虽然形式差不多，但它们之间还是有一些差别的，图2 中接头1 是用螺栓连接装配，其优点是装配方便，可用于需要经常拆卸的部位，缺点是由于螺栓开孔有较强的应力集中，对蒙皮强度有一定的削弱。接头2是共胶接装配，此种接头的优点是重量轻，装配方便，缺点是模具精度要求高，成本高，周期长。接头3则是采用共固化装配，此种方法的优点是蒙皮夹层结构的面板铺层可以是非对称的，重量轻成本低。缺点是面板的表面质量可能不是很高。这些新型夹层结构及接头在选材上也和传统夹层结构有所区别，在结构高应力区，一般选用钛合金蜂窝，因为它具有高的强度和高的损伤容限，而且还耐腐蚀。为了进一步防潮，蜂窝里还填充了泡沫，因为它可以抵御湿气和油的入侵，进一步提高损伤容限。泡沫充填的纸蜂窝可用在低或中等应力区以节约成本。当然，选用钛蜂窝，结构重量和成本会高一些，但从它的全寿命来考虑，轻微的增加重量还是划算的。试验表明，采用螺栓连接的接头1比采用共胶接连接的接头2更先失效。对于接头2，即使高强度芯子剪切失效时，预成形件也没失效。通过试验也发现，由于π 形预成形件的存在改变了接头1的失效模式，如果没有三维编织的π 形预成形件，那么接头1从出现第一次裂纹到最终失效将是非常迅速，也就是爆炸性的。但由于预成形件存在，这个过程将是缓慢的，也就是在第一次出现裂纹到最终失效之前都可以承受相当的载荷。因此, 三维编织预成形被固化在接头后，结构的损伤容限得到提高。试验还发现，蜂窝的尺寸大小对夹层结构的强度有明显的影响，比如蜂窝尺寸从3/8in改到1/4in 或3/16in，夹层结构的强度会有很大的改善。因为蜂窝尺寸减少，芯子粘接面积显著提高，从而提高粘接强度。还有，在湿热环境下，有些胶粘剂容易失效，所以胶粘剂的选择也很重要，在连接设计时，应保证被胶接件破坏发生在胶层破坏之前，也就是胶层不应为薄弱环节。在实际工程中，往往还在共胶接的蜂窝夹层接头采用Z-pinning技术, 增加Z向纤维含量以提高接头抵御分层的能力和损伤容限。新型接头应用于机身框内嵌三维编织π 形预成形件的新型夹层接头传载效率较高，不但可以应用于传统的翼面结构，也可以用于机身结构的普通框或地板等次承力构件，特别是前机身结构。前机身的结构特点是结构复杂，载荷较低，需按刚度设计，因此前机身蒙皮一般都采用复合材料。现代战机由于隐身要求和长寿命要求，进气道往往也采用复合材料结构。此时对于前机身的地板、隔框等，如果还采用传统的金属结构，蒙皮表面将不可避免地存在金属紧固件，而在复合材料承力结构的机械连接中，所用紧固件多为钛合金，成本较高；复合材料结构施工中钻孔难而慢，需用特殊刀具，成本高；再加上为了防止电化腐蚀而采用的湿装配，总的成本就更高。并且，机体结构上存在大量的缝隙、台阶、紧固件头等，对隐身不利。由于紧固件开孔也将影响到前机身结构的疲劳寿命，在前机身的某些部位，如果采用上述新型夹层结构接头，复合材料结构整体性增强，无疑可以大大改善上述问题。值得注意的是蒙皮部件设计从螺栓连接装配改为胶接装配，此时，装配顺序就显得非常重要。我国大飞机项目已经启动，由于经济性和高可靠性要求，大飞机对复合材料的需要就更加迫切，要求也更加苛刻。可以说，先进复合材料结构整体成型技术是国产大飞机的技术瓶颈之一。由于大飞机比一般的战斗机在尺寸上要大的多，因此，采用内嵌三维编织的π 形预成形件的夹层结构接头、带蜂窝泡沫芯复合材料面板夹层结构等新型结构在其上面的应用也更具有优势，特别是在翼面、机身结构方面。当然，这些新型接头也可以应用于无人机和导弹结构，由于这些结构无需进行修理，采用这种些接头可以获得更高的结构效率。结束语近几年，我国的复合材料结构成形工艺有了长足的进步，如三维编织、RTM、RFI等成形技术已基本成熟，复合材料夹层结构在我国飞机上也有一定的使用经验。但总的说来，目前国内复合材料结构设计人员还缺乏设计经验，更缺乏整体结构的设计经验。我们应该着重从以下几方面努力：（1）转变设计观念。要从过去设计金属结构的思路转变到复合材料结构上，对复合材料的整体性的优缺点要有清楚的认识。（2）立足于国内研发的同时，借鉴国外的先进技术。本文所介绍的新型接头，归根到底还是要落实到工艺上，因此，一方面要继续研制复合材料成形技术，另一方面要研发高性能的胶粘剂、常温固化又可高温使用的胶粘剂等。（3）要进行充分的计算分析和验证试验。只有这样才能加速研究成果向工程应用的转化。 (end)

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