孫健宇

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民用飛機(jī)復(fù)合材料地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫健宇

大型客機(jī)的地板結(jié)構(gòu)是用來(lái)承載乘客、貨物等有效載荷的重要機(jī)體結(jié)構(gòu)，其分布在整個(gè)飛機(jī)客艙內(nèi)。采用復(fù)合材料可以大大提高地板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、疲勞和防腐蝕性能，同時(shí)也顯著減輕結(jié)構(gòu)重量。本文從材料、工藝流程和質(zhì)量檢測(cè)、重要關(guān)鍵技術(shù)等幾個(gè)方面介紹并總結(jié)了一般復(fù)合材料地板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)的研制具有重要的意義。

現(xiàn)代民用飛機(jī)的客艙地板結(jié)構(gòu)是用來(lái)支撐客艙商載的重要結(jié)構(gòu)件?？团撋梯d包括乘客、行李、貨物等有效載荷?？团摰匕褰Y(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單，一般由地板橫梁、地板立柱和地板邊梁組成。地板橫梁和立柱將客艙商載傳遞到機(jī)身框上，最后和機(jī)翼傳來(lái)的升力平衡。客艙地板結(jié)構(gòu)遍布和貫穿于整個(gè)飛機(jī)客艙，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)全機(jī)的結(jié)構(gòu)效率有比較重要的影響，目前航空制造領(lǐng)域，越來(lái)越多的飛機(jī)制造商采用復(fù)合材料作為客艙地板結(jié)構(gòu)件的新材料，例如波音777、波音787夢(mèng)幻客機(jī)以及A350wxb等先進(jìn)的民用飛機(jī)型號(hào)，大大提高地板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、疲勞和防腐蝕性能，同時(shí)也顯著減輕結(jié)構(gòu)重量。

材料選擇

復(fù)合材料主要由增強(qiáng)纖維-樹(shù)脂基體組成。首先應(yīng)選擇合適的增強(qiáng)纖維，增強(qiáng)纖維有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維和凱夫拉纖維。地板結(jié)構(gòu)主要考慮的是強(qiáng)度、剛度（地板變形量不能太大，否則影響乘客舒適性）、重量和耐腐蝕性能。碳纖維相對(duì)其它纖維具有較高的比強(qiáng)度和比模量；潤(rùn)滑性、耐磨和耐腐蝕性能優(yōu)秀；熱膨脹系數(shù)小且在高溫下尺寸穩(wěn)定性好，故對(duì)于地板結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)碳纖維是比較合適的增強(qiáng)纖維材料。典型的碳纖維材料抗拉強(qiáng)度≥3103MPa，彈性模量≥221 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率≥1.28%。

接下來(lái)選擇樹(shù)脂基體材料。樹(shù)脂基體分為熱固性和熱塑性材料，目前飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)一般選擇熱固性樹(shù)脂。常用的熱固性樹(shù)脂有酚醛、環(huán)氧和聚酯樹(shù)脂，其中環(huán)氧樹(shù)脂的密度最小，抗拉、彎曲和熱變形強(qiáng)度最高，固化后的力學(xué)性能、電性能、耐腐蝕性、粘接性都很優(yōu)良，固化收縮率小，尺寸固定。綜上，選擇碳纖維-環(huán)氧樹(shù)脂作為地板結(jié)構(gòu)材料。

模具材料主要有鋼模具、鋁模具、復(fù)合材料（碳纖維-環(huán)氧樹(shù)脂）模具、鎳鋼合金等4種，鋼模具線膨脹系數(shù)比碳纖維-環(huán)氧樹(shù)脂高，焊接部位容易出現(xiàn)裂紋而造成報(bào)廢；鋁模具由于表面硬度小而產(chǎn)生劃痕和凹陷；復(fù)合材料是最新采用的模具材料，其與制件線膨脹系數(shù)相同，但多次使用后容易開(kāi)裂且使用溫度偏低，吸濕現(xiàn)象嚴(yán)重；鎳鋼合金是目前成熟的模具材料，線膨脹系數(shù)與制件相當(dāng)，不易變形，質(zhì)量穩(wěn)定。綜上比較，可以選擇鎳鋼合金作為模具制造材料。

圖1　飛機(jī)地板結(jié)構(gòu)示意圖

其余的輔助材料包括固化劑、脫模劑、脫模布、真空袋和透氣袋。固化劑可選用鹵代芳香胺類(lèi)化合物；脫模劑可采用水性脫模劑如Coating7569；脫模布采用聚四氟乙烯布；真空袋采用聚酰亞胺薄膜以便于滿足180℃的固化溫度要求；透氣材料采用玻璃布。

圖2　預(yù)浸料-熱壓罐工藝流程圖

復(fù)合材料地板結(jié)構(gòu)的制造工藝

目前航空復(fù)合材料的主要制造工藝是預(yù)浸料-熱壓罐工藝。這種工藝方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝手段成熟、零件具有均勻的樹(shù)脂含量、致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的內(nèi)部質(zhì)量。缺點(diǎn)是耗費(fèi)能源、工藝設(shè)備較為昂貴。但是隨著自動(dòng)化和信息化水平的提高，這些缺點(diǎn)逐步得到改善。此外，地板橫梁、地板立柱和地板滑軌等一般都是等截面、長(zhǎng)細(xì)比較大的零件，也可以采用拉擠成型工藝，但其工藝技術(shù)還不夠成熟，故本文仍然采用預(yù)浸料-熱壓罐工藝，其主要工藝流程如圖2所示。

其中預(yù)浸料制造工藝采用干法預(yù)浸料層貼工藝，其具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）制造過(guò)程便于機(jī)械化、自動(dòng)化，大大改善了工作環(huán)境和勞動(dòng)強(qiáng)度；

（2）制造過(guò)程的質(zhì)量控制很?chē)?yán)格，可靠性高；

（3）碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂之間的比例易于調(diào)節(jié)，樹(shù)脂含量便于控制；

（4）可按需要調(diào)節(jié)碳纖維角度、單層厚度和層數(shù)，充分實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性。

材料具體牌號(hào)可選擇T700碳纖維單向預(yù)浸料，固化溫度180℃，該溫度下27分鐘之內(nèi)凝膠，最高工作溫度170℃，熱壓罐成形。

地板零件的單向預(yù)浸料一般采用樹(shù)脂膜法進(jìn)行制造，樹(shù)脂膜法可調(diào)節(jié)樹(shù)脂含量并使樹(shù)脂分布均勻，也可以很好地控制預(yù)浸料密度；且樹(shù)脂膜法不需要使用溶劑，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，不易造成生產(chǎn)事故。

預(yù)浸料的下料和鋪堆疊一般采用層疊滑移工藝。該工藝是國(guó)內(nèi)研發(fā)的專(zhuān)門(mén)用于類(lèi)似地板梁等大長(zhǎng)細(xì)比零件的毛坯制造工藝。首先將零件三維模型展開(kāi)成平面，并用自動(dòng)鋪帶機(jī)鋪疊成展開(kāi)后的平面毛坯，再將其放入專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行加熱軟化，通過(guò)施加壓力使其貼合于模具表面，形成最終三維的疊層制件毛坯。

疊層毛坯形成以后，將其置入熱壓罐中對(duì)其進(jìn)行抽真空，并形成真空、隔離、透膠、吸膠和透氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制樹(shù)脂流動(dòng)方向和流出量、排除夾雜氣體以及外部壓力的均勻分布。最終形成熱壓罐的真空封裝系統(tǒng)。復(fù)合材料在熱壓罐中固化時(shí)要通過(guò)纖維及樹(shù)脂性能來(lái)確定熱壓罐壓力-溫度控制曲線。

對(duì)于脫模環(huán)節(jié)，脫模難易程度及脫模質(zhì)量和模具設(shè)計(jì)優(yōu)劣息息相關(guān)。產(chǎn)品脫模后，應(yīng)按地板零件的外邊緣進(jìn)行切邊或打磨。

復(fù)合材料地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

地板橫梁或立柱一般為工字形，在實(shí)際鋪層的時(shí)候由2個(gè)背靠背的C形、一個(gè)上緣板和一個(gè)下緣板組成，為防止三者之間的結(jié)合面發(fā)生剝離，結(jié)合面處應(yīng)都采用0°鋪層；兩個(gè)C形梁進(jìn)行背靠背貼合時(shí)，頂部會(huì)形成空腔，空腔內(nèi)應(yīng)用填充料填充。地板橫梁或立柱的截面應(yīng)采用等截面形式，以避免應(yīng)力集中；在零件的彎邊處應(yīng)采用圓弧過(guò)渡，內(nèi)圓半徑應(yīng)大于板厚；鋪層相對(duì)模具的位置應(yīng)正確，同時(shí)保證鋪層纖維方向與設(shè)計(jì)圖紙保證一致，每一層預(yù)浸料的表面要保持清潔避免雜物進(jìn)入，隔離層應(yīng)被剝離；預(yù)浸料應(yīng)保持平整防止扭曲；應(yīng)盡量采用對(duì)稱(chēng)鋪層，以消除熱變形和內(nèi)應(yīng)力；鋪疊時(shí)間應(yīng)盡量短；應(yīng)根據(jù)溫度壓力曲線嚴(yán)格控制溫度和壓力參數(shù)以及加壓時(shí)間。各個(gè)地板梁結(jié)構(gòu)零件在熱壓罐中應(yīng)均勻排布，防止發(fā)生堵塞和干涉。在滿足該條件的情況下，應(yīng)盡量布置更多的零件以提高生產(chǎn)效率。

結(jié)束語(yǔ)

目前民用飛機(jī)碳纖維-環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的地板結(jié)構(gòu)越來(lái)越多的在各民用飛機(jī)型號(hào)所采用，其具有較高的比強(qiáng)度和比模量，性能可設(shè)計(jì)和易于整體成形等一系列優(yōu)異特性，相對(duì)常規(guī)金屬地板可減重25%～30%。復(fù)合材料地板的設(shè)計(jì)方法和金屬地板有比較大的差異，應(yīng)主要從選材、工藝流程和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)來(lái)考慮。本文介紹的設(shè)計(jì)方法對(duì)國(guó)內(nèi)研制先進(jìn)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)具有一定參考意義。

孫健宇

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究部

孫健宇，男，碩士研究生，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)部，研究方向?yàn)轱w行器設(shè)計(jì)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.014