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用复合材料制造民机有多好啊 全面解析民机用复合材料优缺点 原

用复合材料制造民机有多好啊 全面解析民机用复合材料优缺点原创:杨超凡碳纤维生产技术1周前本文是杨超凡研究员原创于2019年3月19日,已获授权发布。波音787机体(仅指结构,不包括发动机、系统和设备)大约50多吨。其中50%,约25吨是用复合材料制造的。这25吨中,主要是碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)。特别是机身、机翼主要受力结构件,使用的是T800量级碳纤维、增韧环氧树脂基基材的碳纤维复合材料(波音787机身、机翼用T800S/3900-2B; 空客A350机身、机翼用IMA/M21E)。减重是复合材料使用的最大优点之一。碳纤维复合材料的密度只有铝的60%,因此它们的强度重量比比金属高得多,有时甚至高达20%。一般说法,相同结构使用复合材料要比使用金属轻20%(目前用在民机上,还没有达到)。波音787设计目标是与当时畅销的金属飞机空客A330-200竞争。解决了飞机的疲劳问题。金属飞机的疲劳问题,长期困扰着工程技术人员。疲劳是指,金属飞机在多次重复变化的载荷作用后,应力值虽然始终没有超过材料的强度极限,甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏。飞机升空后,机身客舱要增压,着陆要减压。机身一直承受着,增压—减压这样的重复载荷。50年代,英国接连有三架“慧星”号喷气客机,就是在这样的重复载荷作用下,金属机身在空中解体。另外,机身蒙皮厚度一般只有2毫米左右。特别是,蒙皮和长桁是用铆钉连接。用铆钉连接就得在结构上钻孔、锪窝、打铆钉。一个铆钉孔、窝就是一个疲劳源。多少年来,工程技术人员在小小的铆钉孔、窝和铆钉上费了不少的心思,想提高抗疲劳的能力。但效果并不理想。要想较好地解决疲劳问题,最好是不用钻孔、锪窝、打铆钉。但对金属材料用其他连接工艺,如胶接、点焊、胶接点焊,都存在难以克服的问题。现在用树脂基碳纤维复合材料制造蒙皮、长桁,不再钻孔、锪窝、打铆钉,彻底解决了疲劳问题。制造机身使用树脂基碳纤维复合材料的波音787,被西方誉为民机工程一次技术革命。由于复合材料强度重量比比金属高,客舱的压力可以提高。金属飞机的座舱压力相当于,海拔2400公尺的压力。复合材料飞机座舱压力相当于,海拔1800公尺的压力。客舱玻璃比金属飞机客舱玻璃大2/3。复合材料不腐蚀,因此座舱内可以加湿。树脂基碳纤维复合材料,对声波有阻尼作用、吸收声波能量,因此降低客舱的躁音。这几方面的共同作用,提高了座舱的舒适度。树脂基碳纤维复合,其中树脂俗称“塑料”。塑料的设计、制造优势在于,零件综合集成。零件综合集成的结果是零件数量减少、连接件减少、连接用的紧固件也减少了。波音787的机身充分应用了这一优势。使得直径6米、长13米的机身段(蒙皮内有100多根长桁)的巨大壳体,成为一个零件(见图)。机翼使用复合材料制造,除了解决疲劳问题,还给空气动力带来很大的好处。机翼蒙皮是在凹模中用复合材料模塑成形的。蒙皮外形准确、且光滑流线,再加上它与长桁连接不用铆钉。装配好的机翼,比金属机翼阻力小。复合材料比强度高,机翼做的比金属机翼薄。薄机翼阻力小。特别复合材料机翼,可以做到比金属机翼展弦比大。展弦比大,机翼的升力就大。展弦比大就是机翼窄长,像滑翔机、太阳能飞机,为追求大的升力,都有很长的机翼(展弦比特别大)。综合上述好处,使用50%复合材料制造的波音787,给飞机的用户航空公司带来更诱人的好处—节省燃油。波音787使用G E公司的 GEnx-1B或者罗罗公司的 Trent 1000两款发动机中任何一款。这两款新型发动机本身可节省燃油20%。根据波音公司测算,安装新型发动机的波音787,能节省燃油20%。具体由下列组成: 新型发动机节油8%; 先进气动节油3%; 先进机内系统节油3%; 使用复合材料节油3%;以上3项综合作用,节油3%。波音787和空客A350,全机表面几乎都是复合材料(见图)。全机喷漆不再用油基漆,而改用水性漆。这样一来,施工简单又环保。复合材料不腐蚀。因此使用50%复合材料的波音787,机体基本是长寿命的。飞机在使用中节省了机体维护费用。下面图片是波音公司给出,787与金属飞机767的维护成本的比较。复合材料用量达到50%的波音787,全面改变了飞机制造工厂的面貌。制造铝合金机身蒙皮、长桁、框、连接角片,等钣金零件的钣金车间,工作量大大减少了。巨大的加工设备,如蒙皮拉伸机、型材拉弯机、橡皮囊液压机、超宽剪床、超宽滚床等,使用的机会很少了。部、组件装配车间,由复合材料制造零件开始,直到完成部件是全新的生产组织。车间里一台台全新的自动化设备,一改车间的面貌。结束语:用复合材料制造民机有上述如此多的好处,波音787才用到50%,空客A350用到53%。为什么不多用点呢?简单说,因为碳纤维的形态是点(短切纤维)、线(丝束)、面(纺织布),它只适合制造大面积、曲率小的零件。如:机身、机翼蒙皮、长桁、机身普通框、梁、连接角片等。它不适合制造立体、形状复杂、承受集中载荷的接头类零件(此处也有例外,A350客舱门绞链大接头是复合材料制造的)。另外,树脂基碳纤维复合材料压缩强度低,不适合制造承受剪切应力大的零件,如机翼翼肋(波音787和空客A350翼肋全部是铝合金的)。实际上是能用复合材料制造的零件,基本上都用到了。

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2019年04月04日 10:55
来自财经客户端

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