Aplikasi Struktur Sandwic Honeycomb Komposit dalam Pesawat Awam

Abstrak:Struktur sandwic sarang lebah komposit digunakan dalam sebilangan besar aplikasi dalam bidang pesawat awam, yang dicirikan oleh kekuatan tinggi, kekakuan spesifik yang tinggi, ketumpatan rendah, sifat mampatan dan lenturan yang baik, dan lain-lain. Bahagian aplikasi termasuk fiuslaj, penutup enjin, fairing, hatch, penutup antena, pinggir utama dan sebagainya. Sebilangan besar aplikasi struktur sandwic sarang lebah dengan ketara mengurangkan berat struktur pesawat. Dengan kemajuan proses pengacuan dan peningkatan sifat bahan, struktur sandwic sarang lebah secara beransur-ansur digunakan pada lantai dan struktur galas utama yang lain. Kertas ini mula-mula menganalisis kemajuan penyelidikan dan proses pembangunan struktur sandwic sarang lebah. Kedua, ia menyelesaikan penggunaan struktur sandwic sarang lebah pada komponen pesawat biasa. Akhir sekali, ia memperkenalkan status semasa penggunaan struktur sandwic sarang lebah di lantai pesawat awam.

001 Pengenalan

Dengan pembangunan sosio-ekonomi, terdapat dua tugas yang dihadapi dalam bidang pengangkutan, terutamanya pengangkutan udara: pengurangan berat keseluruhan struktur dan isu faedah yang berkaitan secara langsung dengan pengurangan berat - pengurangan penggunaan bahan api. Berat struktur dan penggunaan bahan api amat penting dalam bidang penerbangan. Pada masa ini, struktur sandwic sarang lebah digunakan secara meluas dalam fiuslaj, menetas, sayap, ekor, lantai, fairing dan penutup antena dalam industri penerbangan. Struktur sandwic sarang lebah menawarkan nisbah kekuatan kepada berat yang baik. Berbanding dengan kulit komposit, ia berprestasi lebih baik di bawah beban sisi dan lentur kerana bentuk strukturnya, yang terdiri daripada teras tebal dan ringan yang dikelilingi oleh dua lapisan nipis dan tegar.

Sebilangan besar aplikasi struktur sandwic sarang lebah telah mengurangkan berat struktur pesawat dengan ketara, berkat sifat mampatan dan lenturan yang baik, sehinggakan struktur sandwic sarang lebah secara beransur-ansur bergerak ke arah struktur galas utama seperti lantai. Kandungan kertas ini terutamanya dibahagikan kepada tiga bahagian: pertama, ia menganalisis kemajuan penyelidikan dan proses pembangunan struktur sandwic sarang lebah; kedua, ia menggabungkan penggunaan struktur sandwic sarang lebah pada komponen pesawat biasa dengan model yang digunakan sekarang; akhirnya, ia memperkenalkan status semasa penggunaan struktur sandwic sarang lebah di lantai pesawat awam.

002 Struktur Sandwic Honeycomb

Struktur sandwic sarang lebah, yang pertama kali berasal dari bionik, dicirikan oleh kekuatan spesifik yang tinggi, kekakuan spesifik yang tinggi, dan ringan berbanding dengan jenis bahan pepejal yang sama, dan dengan itu telah digunakan secara meluas dalam penerbangan, pengangkutan dan bidang lain. Struktur sandwic sarang lebah komposit boleh meningkatkan kekakuan lentur dengan berkesan dan meningkatkan keupayaan untuk menahan momen dan tekanan lentur dengan peningkatan berat yang sangat kecil, menjadikannya struktur ringan yang lebih ideal untuk penerbangan.

Struktur sandwic sarang lebah komposit terdiri daripada tiga komponen: panel, teras sarang lebah dan pelekat.

(1) Panel. Panel adalah bahagian menanggung beban utama struktur sandwic. Berbanding dengan bahan teras, bahan panel dicirikan oleh ketumpatan tinggi, modulus tinggi dan kekuatan tinggi. Bahan panel komposit biasanya aloi aluminium, aloi titanium, plastik bertetulang gentian kaca dan bahan lain. Kebanyakan pita satu arah atau komposit fabrik gentian karbon atau gentian kaca kini digunakan dalam struktur aeroangkasa.

(2) Teras Sarang Lebah. Prestasi struktur sandwic sarang lebah dan geometri sarang lebah adalah berkaitan dengan bahan teras sarang lebah. Secara amnya, teras sarang lebah boleh didapati sebagai teras sarang lebah aluminium, teras sarang lebah aramid, teras sarang lebah gentian kaca, dan lain-lain mengikut bahan. Sarang lebah Aramid terbahagi kepada sarang lebah meta-aramid dan sarang lebah para-aramid. Sarang lebah Meso-aramid ialah meta-aramid yang diperoleh melalui polikondensasi antara muka atau polikondensasi larutan suhu rendah m-toluene dicarbonyl chloride (MDCL) dan m-phenylenediamine (MPA). Yang paling biasa di pasaran ialah meta-aramid pertama kali dicipta dan digunakan oleh DuPont pada tahun 1960-an. Sarang lebah para-aramid ialah p-phenylenediamine dan p-phenylenedicarbonyl chloride polycondensation untuk mendapatkan para-aramid, nama dagangan Kevlar. Teras sarang lebah aramid yang sedia ada adalah terutamanya meta-aramid, dan penyelidikan para-aramid adalah sangat sedikit. Model aplikasi utama ditunjukkan dalam Jadual 1. Sarang lebah kertas aramid (sarang lebah NOMEX) diperbuat daripada kertas aramid yang dibasahkan dengan resin fenolik. Berbanding dengan sarang lebah aluminium, sarang lebah aramid jauh lebih tahan terhadap ketidakstabilan tempatan kerana sel sarang lebah sarang lebah aramid lebih tebal daripada sarang lebah aluminium. Penyediaan sarang lebah Nomex terdiri daripada sembilan proses: melekatkan kertas aramid, melamina, menekan, memotong, regangan, saiz, celup, pengawetan, dan penghirisan. AVIC Composites Co., Ltd. telah menambah baik proses pelekatan sarang lebah aramid, menyimpulkan parameter proses seperti ketebalan sel dan kertas, dan menyimpulkan formula empirik untuk kawalan ketumpatan. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. menggunakan kertas aramid domestik untuk menyediakan sifat sarang lebah, mampatan dan ricih yang telah dapat memenuhi keperluan HB5435-89 dan BMS8-124, sifat dielektrik dan kalis api juga memenuhi keperluan standard. Meishi, anak syarikat Yantai Spandex Group Co., Ltd. China telah menyediakan pelbagai jenis teras sarang lebah daripada kertas meta-aramidnya melalui satu siri proses matang. Rintangan mampatan dalam satah dan rintangan ricih bagi struktur teras dan sandwicnya pada suhu bilik mampu mencapai nilai indeks dalam piawai Boeing BMS8-124 dan boleh memenuhi keperluan penggunaan sifat mekanikal.

Tab.1 Model aplikasi utama jenis sarang lebah

(3) Pelekat. Pelekat yang digunakan untuk struktur sandwic sarang lebah penerbangan biasanya merupakan pelekat struktur. Pelekat struktur adalah yang boleh menahan daya yang besar dalam tempoh masa yang telah ditetapkan, dalam persekitaran di mana ia digunakan, dan mempunyai kekuatan dan hayat perkhidmatan tahan lama yang sepadan dengan objek yang dipatuhi. Menurut matriks resin secara amnya dibahagikan kepada tiga kategori utama. Epoksi pertama, resin epoksi mempunyai kelebihan mutu kerja yang sangat baik, tempoh penggunaan yang lama, dan rintangan suhu tertinggi sehingga 232 darjah; Kategori kedua ialah bismaleimide, yang boleh mencapai suhu lebih daripada 232 darjah, dan digunakan terutamanya dalam pesawat tentera dengan suhu yang lebih tinggi; Yang ketiga ialah jenis ester cyanoacid, yang mempunyai rintangan yang sangat baik terhadap suhu, dan dielektrik, dan rintangan kepada haba dan kelembapan, oleh itu ia digunakan terutamanya dalam komponen dengan keperluan prestasi Elektrik komponen. Pelekat struktur resin epoksi yang biasa digunakan penerbangan seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 2. Amerika Syarikat Hexcel, Cytec dan syarikat lain telah membangunkan pelbagai kegunaan sistem bahan, dan dalam beberapa tahun kebelakangan ini Syarikat Komposit AVIC domestik juga telah membangunkan suhu sederhana dan tinggi. sistem resin, seperti BA9913, BA9916, SY-24C-300 dan sebagainya.

Tab.2 Pelekat struktur penerbangan domestik dan asing

003 Struktur sandwic sarang lebah pada komponen pesawat biasa

Setakat pesawat awam yang besar, Boeing 747 (pertama kali diterbangkan pada 9 Februari 1969) telah direka dengan peratusan besar pembinaan sandwic (Rajah 1). Ia mempunyai kira-kira separuh daripada permukaan sayap, termasuk tepi depan dan belakang, diperbuat daripada gentian kaca dan sarang lebah Nomex. Dalam Boeing 747, cangkang silinder fiuslaj adalah terutamanya sarang lebah Nomex, dan lantai, panel sisi, tong sampah di atas kepala, dan siling juga diperbuat daripada sarang lebah. Kebanyakan kepak diperbuat daripada struktur sarang lebah yang sama, tetapi sarang lebah aluminium dan kulit juga digunakan. Aplikasi struktur sandwic sarang lebah pada B787 termasuk kemudi, lif, hujung sayap dan nacelles enjin. Antaranya, nasel enjin dan penyongsang tujahan diperbuat daripada sarang lebah HexWeb dan prepreg HexPly8552/AS4. Dengan kelebihan ringan dan kekakuan yang tinggi, serta penyerapan akustik, sarang lebah HexWeb telah digunakan oleh semua pengeluar enjin utama di dunia. Untuk Boeing 707, hanya 8% adalah sarang lebah, dan untuk Boeing 757/46 yang lebih baharu, 46% adalah sarang lebah.

Rajah.1 Ilustrasi sebahagian daripada aplikasi struktur sandwic B747 (kawasan biru)

Struktur sandwic honeycomb dalam aplikasi pesawat awam yang besar adalah yang terawal dalam kemudi pesawat Airbus A310, dan kemudian digunakan dalam kemudi A320, A340. Struktur sandwic sarang lebah terbesar ialah kemudi A340, dengan keluasan 15.3 m²daripada struktur sandwic sarang lebah. Dos pesawat tunggal terbesar untuk pesawat A380, jumlah struktur sandwic sarang lebahnya berjumlah 4,000 m², terutamanya digunakan untuk komponen struktur bersaiz besar, termasuk fairing perut, lantai, dll. Dan lantai terutamanya diperbuat daripada panel sandwic Gillfab4909 MC GillCorp. Sarang lebah Kevlar. Struktur lantai pada Airbus A380 diperbuat daripada sebilangan besar komposit sandwic sarang lebah Nomex, yang merupakan bahan yang sangat baik yang membolehkan A380 mencapai hayat operasi selama 20,000 jam, memastikan pesawat itu boleh dalam perkhidmatan selama lebih 10 tahun. Sejak itu, penggunaan komposit telah meningkat dengan ketara, terutamanya dengan ATR72, yang merupakan pesawat awam pertama yang diperakui dengan struktur asas karbon (kotak sayap) (lihat Rajah 2). Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, bahagian bahan sandwic dalam struktur sekunder telah berkurangan. Untuk A380, Boeing 787 atau Airbus A350, hanya fairing perut, nacelles dan pintu gear pendaratan hadapan, beberapa aileron dan kemudi masih diperbuat daripada binaan sandwic, selebihnya adalah struktur monolitik yang menguatkan diri.

Rajah 2 Penggunaan komposit ATR72

(a) Struktur sandwic A380 (b) Struktur sandwic A350 dan B787 set komposit struktur

Rajah.3 Gambar rajah struktur sandwic kapal terbang

Berbanding dengan pesawat awam, aplikasi struktur sandwic sarang lebah dalam pesawat am terutamanya ditunjukkan dalam penggunaan fiuslaj, seperti pesawat HawkerBeechcraf PremierI, Hawker 4000 dan "Perdana Menteri" IA, pesawat Bombardier Aerospace Learjet 85 dan sebagainya. PremierI ialah jet perniagaan jet fiuslaj komposit semua diperakui FAA pertama, keseluruhan fiuslaj diperbuat daripada panel karbon struktur sandwic sarang lebah, ketebalan keseluruhan 20.6mm, fiuslaj bebas daripada kekuda dan bingkai, berbanding struktur aluminium tradisional untuk mengurangkan berat 25%, dan meningkat sebanyak 13% daripada ruang kabin. Struktur fiuslaj pesawat Hawker 4000 yang kini dalam pengeluaran terdiri daripada tiga struktur tong yang disambungkan pada sayap, tong adalah struktur sandwic sarang lebah, dan kulitnya diletakkan menggunakan mesin pelekap wayar automatik MAG Cincinnati Viper. Komponen komposit struktur sandwic sarang lebah Nomex digunakan dalam sebilangan besar aplikasi di Rusia untuk komponen pesawat seperti flaps, aileron, panel dinding fiuslaj, enjin, kokpit, petak kargo, ekor mendatar, tepi utama sayap, rasuk ekor rotor helikopter dan pesawat lain. komponen.

Pengeluaran domestik oleh AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. dan unit lain sebilangan besar bahan komposit matriks resin (seperti drogue, dayung, ekor rata dan rotor, dll.) dan bahan komposit struktur sandwic sarang lebah Nomex (fiuslaj panel, lantai, rasuk ekor, dsb.), yang mengurangkan berat keseluruhan fiuslaj dengan ketara, meningkatkan kekuatan keletihan komponen, dan menambah baik ciri aerodinamik untuk meningkatkan kualiti penerbangan helikopter. Dianggarkan, sebagai tambahan kepada enjin dan kereta api pemacu, hampir 300 bahagian pesawat dibuat daripada komposit sandwic sarang lebah Nomex. Semua bahagian menggunakan bahan teras sarang lebah Nomex dengan 3 ketumpatan dan 12 spesifikasi. Jumlah bahan teras sarang lebah Nomex dalam keseluruhan fiuslaj adalah lebih daripada 200m2, dan kawasan liputannya merangkumi kira-kira 80% daripada keseluruhan fiuslaj, yang merupakan salah satu jenis pesawat yang paling banyak menggunakan komposit struktur sandwic sarang lebah Nomex di China pada masa ini .

004 Penggunaan struktur sandwic sarang lebah pada lantai pesawat awam

4.1 Status Penyelidikan Penumpang Pesawat dan Lantai Petak Kargo

Lantai pesawat konvensional lantai penumpang dan kargo dibina daripada logam. Setiap tingkat mempunyai beratus-ratus rivet dan skru, tetapi juga perlu menggunakan pad elastik dan pengasingan struktur fiuslaj, dan oleh itu mahal. Dan penggunaan bahan komposit boleh meningkatkan struktur lantai kekuatan, kekakuan, keletihan dan rintangan kakisan, boleh mengurangkan penyambung dengan susunan magnitud, dan boleh mengurangkan berat struktur lantai dengan ketara.

Panel struktur sandwic komposit lantai pesawat biasanya diperbuat daripada prepreg gentian kaca, gentian karbon dan prepreg Kevlar, dan matriks dipilih daripada resin epoksi atau resin fenolik. Teras sarang lebah biasanya digunakan dengan sarang lebah Nomex.

Rajah.4 Lantai ruang penumpang dan kargo pesawat

4.2 Penggunaan struktur sandwic pada lantai

Lantai kabin utama helikopter sivil Chinook Model 234 Boeing berukuran 2.5mx 2.2m setiap satu dan terdiri daripada empat panel. Panelnya adalah komposit gentian kaca/Kevlar49 dengan teras sarang lebah Nomex, dan lantai sandwic mempunyai empat lapisan susun atur panel atas dan bawah setiap satu, simetri kepada teras sarang lebah di tengah. Lapisan pertama dan kedua ialah 0 darjah prepreg gentian kaca, dan lapisan ketiga dan keempat ialah 0 darjah prepreg gentian Kevlar49 arah. Teras Nomex mempunyai ketinggian 38mm, panjang sel 2mm, dan ketumpatan 48kg/m3. Panel dan teras dilekatkan bersama dengan filem pelekat EA9. Struktur sandwic komposit juga dipilih untuk lantai kabin Boeing 777, Boeing 787 Dreamliner dan model pesawat lain.

MC GillCorp. pengeluaran pilihan panel struktur sandwic Gillfab4223 fabrik gentian kaca, matriks untuk resin fenolik, teras untuk sarang lebah meta-aramid GillcoreHD, pemilihan filem pelekat sistem epoksi. Ketebalan keseluruhan struktur sandwic ialah 12.6mm, ketebalan panel atas ialah 1.27mm, dan ketebalan panel bawah ialah 0.508mm. Struktur sandwic Gillfab4223 digunakan dalam Airbus A318/ A319/ A320/ A321/ A330/ A340/ A300/ A310/ A300-600. MC GillCorp. pengeluaran Gillfab4505 struktur sandwic panel pemilihan tali pinggang satu arah gentian karbon (lapisan permukaan untuk prepreg gentian kaca), matriks untuk resin fenolik, teras untuk sarang lebah meta-aramid GillcoreHD, pemilihan filem pelekat sistem epoksi. Ketebalan keseluruhan struktur sandwic ialah 9.5mm, dan ketebalan panel atas dan bawah ialah 0.5mm. Struktur sandwic Gillfab4505 digunakan dalam Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340.

Lantai kargo Fokker 100 adalah struktur yang agak ringkas, iaitu struktur sandwic komposit dengan kulit luaran kepingan komposit termoplastik berprestasi tinggi dan teras sarang lebah Nomex. Kulit dan teras dilekatkan bersama dengan filem epoksi.

Lantai pegangan kargo model tertentu struktur sandwic sarang lebah Nomex telah disediakan dengan pengacuan akhbar panas menggunakan prepreg resin fenolik bertetulang gentian kaca buatan sendiri sebagai bahan mentah panel oleh Niu Fangxu et al. Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. Sifat mekanikal dan sifat kalis api lantai dinilai secara sistematik, dan kesan jenis prapreg, suhu pengawetan dan proses pengacuan pada sifat mekanikal panel sarang lebah dianalisis, dan faktor yang mempengaruhi sifat kalis api panel sarang lebah telah dikaji. Keputusan menunjukkan bahawa sifat mekanikal lantai petak kargo yang disediakan dengan prepreg buatan sendiri adalah sangat baik, dengan beban muktamad rasuk panjang membongkok sehingga 4348N, pesongan hanya 6.79mm pada beban 445N, prestasi impak sehingga 17.1J, dan kekuatan pengelupasan roller sehingga 66.4N-mm/mm, dan pada masa yang sama, memenuhi keperluan ketat untuk kalis api, yang boleh merealisasikan penggantian setempat bahan lantai untuk kawasan kargo pukal pesawat.

005 Kesimpulan

Struktur sandwic sarang lebah dengan kekuatan tinggi, kekakuan spesifik yang tinggi dan ketumpatan rendah, mendapat manfaat daripada sifat mampatan dan lenturnya yang baik, telah digunakan dalam sebilangan besar aplikasi dalam bidang pesawat awam. Kertas kerja ini menganalisis kemajuan penyelidikan dan status pembangunan struktur sandwic sarang lebah, menyisir lagi aplikasinya pada struktur pesawat biasa, dan membuat kesimpulan bahawa dengan pembangunan dan pengeluaran pesawat domestik C919/C929, struktur sandwic komposit untuk lantai pesawat mempunyai pelbagai aplikasi. prospek.(Sumber: Fiber Composites)