Zastosowania kompozytowych struktur warstwowych o strukturze plastra miodu w cywilnych statkach powietrznych

Abstrakcyjny:Kompozytowe struktury warstwowe o strukturze plastra miodu są wykorzystywane w wielu zastosowaniach w dziedzinie cywilnych statków powietrznych, które charakteryzują się dużą wytrzymałością, wysoką sztywnością właściwą, niską gęstością, dobrymi właściwościami ściskającymi i zginającymi itp. Części aplikacyjne obejmują kadłub, osłonę silnika, owiewkę, właz, osłonę anteny, krawędź natarcia i tak dalej. Duża liczba zastosowań konstrukcji wielowarstwowej o strukturze plastra miodu znacznie zmniejsza wagę konstrukcji samolotu. Wraz z postępem procesu formowania i poprawą właściwości materiału, na podłogę i inne główne konstrukcje nośne stopniowo nakładana jest struktura typu „sandwich” o strukturze plastra miodu. W artykule w pierwszej kolejności przeanalizowano postęp badań i proces rozwoju struktur warstwowych o strukturze plastra miodu. Po drugie, omawia zastosowanie struktur warstwowych o strukturze plastra miodu na typowych elementach samolotów. Na koniec przedstawiono aktualny stan stosowania konstrukcji warstwowej o strukturze plastra miodu na podłodze cywilnych statków powietrznych.

001 Wprowadzenie

Wraz z rozwojem społeczno-gospodarczym przed dziedziną transportu, zwłaszcza lotniczego, stoją dwa zadania: ogólna redukcja masy konstrukcji oraz kwestia korzyści bezpośrednio związanych z redukcją masy - zmniejszeniem zużycia paliwa. Masa konstrukcyjna i zużycie paliwa są szczególnie ważne w lotnictwie. Obecnie struktury warstwowe o strukturze plastra miodu są szeroko stosowane w kadłubach, włazach, skrzydłach, ogonach, podłogach, owiewkach i osłonach anten w przemyśle lotniczym. Struktury warstwowe o strukturze plastra miodu oferują dobry stosunek wytrzymałości-do-masy. W porównaniu do powłok kompozytowych lepiej radzą sobie pod obciążeniami bocznymi i zginającymi ze względu na swoją formę strukturalną, która składa się z grubego, lekkiego rdzenia otoczonego dwiema cienkimi, sztywnymi warstwami.

Duża liczba zastosowań warstwowych konstrukcji o strukturze plastra miodu znacznie zmniejszyła ciężar konstrukcji lotniczych dzięki ich dobrym właściwościom na ściskanie i zginanie, do tego stopnia, że ​​konstrukcje warstwowe o strukturze plastra miodu stopniowo przesuwają się w stronę głównych konstrukcji nośnych, takich jak podłogi. Treść artykułu dzieli się głównie na trzy części: po pierwsze, analizuje się postęp badań i proces rozwoju struktury typu „sandwich” o strukturze plastra miodu; po drugie, łączy zastosowanie struktury typu „sandwich” o strukturze plastra miodu na typowych elementach samolotów z obecnie stosowanymi modelami; wreszcie przedstawia aktualny stan stosowania konstrukcji warstwowej o strukturze plastra miodu na podłogach cywilnych statków powietrznych.

002 Struktura kanapkowa o strukturze plastra miodu

Struktura warstwowa o strukturze plastra miodu, która wywodzi się z bioniki, charakteryzuje się wysoką wytrzymałością właściwą, wysoką sztywnością właściwą i niewielką wagą w porównaniu z tym samym rodzajem materiału stałego, dlatego jest szeroko stosowana w lotnictwie, transporcie i innych dziedzinach. Kompozytowa struktura warstwowa o strukturze plastra miodu może skutecznie poprawić sztywność zginania i zwiększyć zdolność wytrzymywania momentów i nacisków zginających przy bardzo niewielkim wzroście masy, co czyni ją bardziej idealną lekką konstrukcją dla lotnictwa.

Kompozytowe struktury warstwowe o strukturze plastra miodu składają się z trzech elementów: paneli, rdzenia o strukturze plastra miodu i kleju.

(1) Panel. Panel jest główną-częścią nośną konstrukcji wielowarstwowej. W porównaniu z materiałem rdzenia materiał panelowy charakteryzuje się dużą gęstością, wysokim modułem i dużą wytrzymałością. Materiał panelu kompozytowego to zwykle stop aluminium, stop tytanu, tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem szklanym i inne materiały. Większość jednokierunkowych kompozytów taśmowych lub tkaninowych z włókna węglowego lub włókna szklanego jest obecnie stosowana w konstrukcjach lotniczych.

(2) Rdzeń o strukturze plastra miodu. Wydajność struktury wielowarstwowej o strukturze plastra miodu i geometria plastra miodu są powiązane z materiałem rdzenia o strukturze plastra miodu. Ogólnie rzecz biorąc, rdzenie o strukturze plastra miodu są dostępne w postaci aluminiowego rdzenia o strukturze plastra miodu, aramidowego rdzenia o strukturze plastra miodu, rdzenia o strukturze plastra miodu z włókna szklanego itp., w zależności od materiału. Plaster miodu aramidowego dzieli się na plaster miodu meta-aramidowy i plaster miodu para-aramidowy. Mezo-aramidowy plaster miodu to meta-aramid otrzymywany w wyniku polikondensacji międzyfazowej lub polikondensacji-w roztworze w niskiej temperaturze chlorku m-toluenodikarbonylu (MDCL) i m-fenylenodiaminy (MPA). Najpopularniejszym na rynku jest meta-aramid wynaleziony i wprowadzony do użytku przez firmę DuPont w latach 60. XX wieku. Plaster miodu para-aramidowego to polikondensacja p-fenylenodiaminy i chlorku p-fenylenodikarbonylu w celu uzyskania para-aramidu, nazwa handlowa Kevlar. Istniejący rdzeń aramidowy o strukturze plastra miodu składa się głównie z meta-aramidu, a badania nad para-aramidem są bardzo niewielkie. Główne modele zastosowań przedstawiono w tabeli 1. Papier aramidowy o strukturze plastra miodu (NOMEX Honeycomb) wykonany jest z papieru aramidowego zwilżonego żywicą fenolową. W porównaniu z plastrem miodu aluminiowego, plaster miodu aramidowego jest znacznie bardziej odporny na lokalną niestabilność, ponieważ komórka plastra miodu aramidowego jest grubsza niż komórka plastra miodu aluminiowego. Przygotowanie plastra miodu Nomex składa się z dziewięciu procesów: klejenie papieru aramidowego, laminowanie, prasowanie, cięcie, rozciąganie, zaklejanie, zanurzanie, utwardzanie i krojenie. Firma AVIC Composites Co., Ltd. ulepszyła proces klejenia zanurzeniowego plastra miodu aramidowego, ustaliła parametry procesu, takie jak grubość ogniwa i papieru, oraz wywnioskowała wzór empiryczny na kontrolę gęstości. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. wykorzystuje krajowy papier aramidowy do przygotowania plastra miodu. Właściwości ściskające i ścinające są w stanie spełnić wymagania HB5435-89 i BMS8-124, właściwości dielektryczne i zmniejszające palność również spełniają wymagania standardowe. Meishi, spółka zależna chińskiej firmy Yantai Spandex Group Co., Ltd., przygotowała różne typy rdzeni o strukturze plastra miodu z papieru metaaramidowego w ramach szeregu dojrzałych procesów. Wytrzymałość na ściskanie w płaszczyźnie oraz odporność na ścinanie rdzenia i struktury warstwowej w temperaturze pokojowej są w stanie osiągnąć wartości wskaźników określone w normie Boeing BMS8-124 i mogą spełniać wymagania użytkowe dotyczące właściwości mechanicznych.

Patka.1 Główne modele zastosowań typu plaster miodu

(3) Klej. Klej stosowany do lotniczych konstrukcji warstwowych o strukturze plastra miodu jest zwykle klejem strukturalnym. Kleje strukturalne to takie, które wytrzymują znaczną siłę w określonym czasie w środowisku, w którym są używane, a ich wytrzymałość i trwałość odpowiadają właściwościom przedmiotu, do którego są przyklejone. Według matrycy żywicy jest ogólnie podzielony na trzy główne kategorie. Pierwsza żywica epoksydowa ma zalety doskonałej jakości wykonania, długiego okresu stosowania i najwyższej odporności na temperaturę do 232 stopni; Drugą kategorią jest bismaleimid, który może osiągać temperatury przekraczające 232 stopnie i jest stosowany głównie w samolotach wojskowych o wyższych temperaturach; Trzeci to rodzaj estru cyjanokwasu, który ma doskonałą odporność na temperaturę i dielektryczność oraz odporność na ciepło i wilgoć, dlatego jest stosowany głównie w komponentach o wymaganiach dotyczących parametrów elektrycznych komponentów. Powszechnie stosowany w lotnictwie klej strukturalny na bazie żywicy epoksydowej, jak pokazano w Tabeli 2. Firmy Hexcel, Cytec i inne firmy ze Stanów Zjednoczonych opracowały różnorodne zastosowania tego systemu materiałów, a w ostatnich latach krajowa firma AVIC Composite Company opracowała również system żywic średnio- i wysokotemperaturowych, taki jak BA9913, BA9916, SY-24C-300 i tak dalej.

Patka.2 Kleje strukturalne dla lotnictwa krajowego i zagranicznego

003 Struktury warstwowe o strukturze plastra miodu na typowych elementach samolotów

Jeśli chodzi o duże samoloty cywilne, Boeing 747 (pierwszy lot odbył się 9 lutego 1969 r.) został zaprojektowany w dużej mierze w konstrukcji wielowarstwowej (rysunek 1). Ma około połowę powierzchni skrzydła, łącznie z krawędzią natarcia i spływu, wykonaną z włókna szklanego i plastra miodu Nomex. W Boeingu 747 cylindryczny kadłub kadłuba wykonany jest głównie z plastra miodu Nomex, a podłoga, panele boczne, górne kosze na śmieci i sufit również są wykonane z plastra miodu. Większość klap wykonana jest z tej samej struktury plastra miodu, ale zastosowano również aluminiowy plaster miodu i powłokę. Zastosowania konstrukcji warstwowej o strukturze plastra miodu w B787 obejmują ster, ster wysokości, końcówki skrzydeł i gondole silnika. Wśród nich gondole silnika i odwracacze ciągu wykonane są z plastra miodu HexWeb i prepregu HexPly8552/AS4. Dzięki zaletom lekkości i wysokiej sztywności, a także pochłanianiu dźwięku, plaster miodu HexWeb jest stosowany przez wszystkich głównych producentów silników na świecie. W przypadku Boeinga 707 tylko 8% to plaster miodu, a w przypadku nowszego Boeinga 757/46 46% to plaster miodu.

Figa.1 Ilustracja przedstawiająca część zastosowania konstrukcji warstwowej B747 (obszar niebieski)

Konstrukcja typu „sandwich” o strukturze plastra miodu stosowana w dużych samolotach cywilnych jest najwcześniej stosowana w sterach samolotów Airbus A310, a następnie stosowana w sterach A320, A340. Największą konstrukcją warstwową o strukturze plastra miodu jest ster A340 o powierzchni 15,3 m²o strukturze plastra miodu. Największa pojedyncza-dawka samolotu dla samolotu A380, ilość jego struktury wielowarstwowej o strukturze plastra miodu wyniosła 4000 m², stosowany głównie do-dużych elementów konstrukcyjnych, w tym owiewek, podłóg itp. Podłoga jest wykonana głównie z płyt warstwowych Gillfab4909 firmy MC GillCorp. Kevlarowy plaster miodu. Konstrukcja podłogi Airbusa A380 wykonana jest z dużej liczby warstwowych kompozytów Nomex o strukturze plastra miodu, które są doskonałymi materiałami, dzięki którym A380 może osiągnąć żywotność 20 000 godzin, co gwarantuje, że samolot będzie mógł służyć przez ponad 10 lat. Od tego czasu znacznie wzrosło wykorzystanie kompozytów, szczególnie w przypadku ATR72, który był pierwszym cywilnym statkiem powietrznym certyfikowanym z podstawową konstrukcją z włókna węglowego (skrzydłem) (patrz rysunek 2). Jak pokazano na rysunku 3, udział materiałów warstwowych w konstrukcjach drugorzędnych maleje. W przypadku A380, Boeinga 787 i Airbusa A350 jedynie owiewka podwozia, gondole i drzwi przedniego podwozia, niektóre lotki i stery są nadal wykonane w konstrukcji warstwowej, a reszta to samo-samowzmacniające się konstrukcje monolityczne.

Rys.. 2 Zastosowanie kompozytów ATR72

(a) Struktura warstwowa A380 (b) Struktura warstwowa zestawu kompozytowego A350 i B787 struktura

Figa.3 Schemat konstrukcji warstwowej samolotu

W porównaniu ze statkami powietrznymi cywilnymi, zastosowanie struktury warstwowej o strukturze plastra miodu w samolotach ogólnych przejawia się głównie w zastosowaniu kadłuba, takich jak samoloty HawkerBeechcraf PremierI, Hawker 4000 i „Prime Minister” IA, samoloty Bombardier Aerospace Learjet 85 i tak dalej. PremierI to pierwszy biznesowy odrzutowiec odrzutowy z kadłubem-certyfikowanym przez FAA-. Cały kadłub jest wykonany z paneli węglowych o strukturze plastra miodu, o całkowitej grubości 20,6 mm, kadłub jest wolny od kratownic i ram, w porównaniu z tradycyjną konstrukcją aluminiową, co pozwoliło zmniejszyć masę o 25% i zwiększyć o 13% przestrzeń w kabinie. Konstrukcja kadłuba samolotu Hawker 4000, który jest obecnie produkowany, składa się z trzech konstrukcji beczkowych połączonych na skrzydłach, lufy mają konstrukcję warstwową o strukturze plastra miodu, a poszycie jest układane za pomocą automatycznej maszyny do układania drutu-Viper firmy MAG Cincinnati. Komponenty kompozytowe o strukturze plastra miodu Nomex są stosowane w Rosji w wielu zastosowaniach w elementach samolotów, takich jak klapy, lotki, panele ścienne kadłuba, silniki, kokpity, przedziały ładunkowe, ogony poziome, krawędzie natarcia skrzydeł, belki ogonowe wirników helikopterów i inne elementy samolotów.

Krajowa produkcja przez AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. i inne jednostki dużej liczby materiałów kompozytowych z matrycą żywiczną (takich jak hamulec, wiosło, płaski ogon i wirnik itp.) oraz materiałów kompozytowych o strukturze warstwowej plastra miodu Nomex (panele kadłuba, podłogi, belki ogonowe itp.), co znacznie zmniejsza masę całego kadłuba, poprawia wytrzymałość zmęczeniową elementów i poprawia właściwości aerodynamiczne, co poprawia jakość lotu helikoptera. Szacuje się, że oprócz silnika i układu napędowego z kompozytów typu „sandwich” o strukturze plastra miodu Nomex wykonanych jest prawie 300 części samolotów. Wszystkie części wykorzystują rdzeń o strukturze plastra miodu Nomex o 3 gęstościach i 12 specyfikacjach. Ilość materiałów rdzeniowych o strukturze plastra miodu Nomex w całym kadłubie wynosi ponad 200 m2, a powierzchnia pokrycia stanowi około 80% całego kadłuba, który jest jednym z typów samolotów, w których obecnie w Chinach najczęściej wykorzystuje się kompozyty konstrukcyjne o strukturze plastra miodu Nomex.

004 Zastosowanie struktury warstwowej o strukturze plastra miodu na podłogach samolotów cywilnych

4.1 Stan badań podłóg przedziałów pasażerskich i ładunkowych statków powietrznych

Konwencjonalne podłogi samolotów i podłogi pasażerskie są zbudowane z metalu. Każda podłoga ma setki nitów i śrub, ale trzeba także zastosować elastyczne podkładki i izolację konstrukcji kadłuba, a przez to drogie. Zastosowanie materiałów kompozytowych może znacznie poprawić wytrzymałość, sztywność, zmęczenie i odporność na korozję konstrukcji podłogi, może zmniejszyć liczbę złączy o rząd wielkości i może znacznie zmniejszyć ciężar konstrukcji podłogi.

Panel kompozytowej konstrukcji wielowarstwowej podłogi samolotu jest zwykle wykonany z prepregu z włókna szklanego, włókna węglowego i prepregu Kevlaru, a matryca jest wybierana spośród żywicy epoksydowej lub żywicy fenolowej. Rdzenie o strukturze plastra miodu są powszechnie używane z plastrem miodu Nomex.

Figa.4 Podłoga przedziału pasażerskiego i ładunkowego statku powietrznego

4.2 Stosowanie konstrukcji warstwowych na podłogi

Główna podłoga kabiny cywilnego helikoptera Chinook Boeinga Model 234 ma wymiary 2,5 x 2,2 m każda i składa się z czterech paneli. Panele są wykonane z kompozytów włókna szklanego/Kevlaru49 z rdzeniami o strukturze plastra miodu Nomex, a podłoga wielowarstwowa składa się z czterech warstw, z których każda składa się z górnego i dolnego układu paneli, symetrycznych do rdzenia o strukturze plastra miodu pośrodku. Pierwsza i druga warstwa to prepreg z włókna szklanego o kącie 0 stopni, a trzecia i czwarta warstwa to prepreg z włókna Kevlar49 o kącie 0 stopni. Rdzeń Nomex ma wysokość 38 mm, długość ogniwa 2 mm i gęstość 48 kg/m3. Płyty i rdzeń sklejone są folią samoprzylepną EA9. Kompozytowa konstrukcja warstwowa jest również wybierana na podłogę kabiny Boeinga 777, Boeinga 787 Dreamliner i innych modeli samolotów.

MC GillCorp. produkcja panelu o strukturze warstwowej Gillfab4223, dobór tkaniny z włókna szklanego, matryca na żywicę fenolową, rdzeń dla meta-aramidu o strukturze plastra miodu GillcoreHD, dobór folii klejącej w systemie epoksydowym. Grubość całej konstrukcji warstwowej wynosi 12,6 mm, grubość górnego panelu wynosi 1,27 mm, a grubość dolnego panelu wynosi 0,508 mm. Konstrukcja warstwowa Gillfab4223 jest stosowana w Airbusach A318/A319/A320/A321/A330/A340/A300/A310/A300-600. MC GillCorp. produkcja płyty warstwowej Gillfab4505 dobór jednokierunkowego pasa z włókna węglowego (warstwa wierzchnia prepregu z włókna szklanego), matrycy z żywicy fenolowej, rdzenia do metaaramidu GillcoreHD o strukturze plastra miodu, doboru folii klejącej systemu epoksydowego. Grubość całej konstrukcji warstwowej wynosi 9,5 mm, a grubość górnego i dolnego panelu wynosi 0,5 mm. Konstrukcja warstwowa Gillfab4505 jest stosowana w Airbusach A318/A319/A320/A321/A330/A340.

Podłoga ładunkowa Fokkera 100 to stosunkowo prosta konstrukcja, będąca kompozytową konstrukcją warstwową z zewnętrznym poszyciem z arkuszy-wytrzymałych kompozytów termoplastycznych i rdzeniem o strukturze plastra miodu Nomex. Powłoka i rdzeń są sklejone folią epoksydową.

Podłoga ładowni pewnego modelu konstrukcji warstwowej o strukturze plastra miodu z Nomexu została przygotowana poprzez prasowanie na gorąco przy użyciu-samodzielnie wykonanego prepregu z żywicy fenolowej wzmocnionej włóknem szklanym jako surowca panelu przez Niu Fangxu i in. z Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. Systematycznie oceniano właściwości mechaniczne i zmniejszające palność podłogi, analizowano wpływ rodzaju prepregu, temperatury utwardzania i procesu formowania na właściwości mechaniczne paneli o strukturze plastra miodu, a także badano czynniki wpływające na właściwości zmniejszające palność paneli o strukturze plastra miodu. Wyniki pokazują, że właściwości mechaniczne podłogi przedziału ładunkowego przygotowanej z-własnoręcznie wykonanego prepregu są doskonałe, przy obciążeniu końcowym długiej belki zginającej do 4348 N, ugięciu zaledwie 6,79 mm przy obciążeniu 445 N, udarności do 17,1 J i wytrzymałości na odrywanie rolek do 66,4 N- mm/mm, a jednocześnie spełnia rygorystyczne wymagania dotyczące ognioodporności, które mogą zrealizować miejscowe zastąpienie materiałów podłogowych przestrzeni ładunkowej statku powietrznego.

005 Wniosek

Struktura warstwowa o strukturze plastra miodu o wysokiej wytrzymałości, wysokiej sztywności właściwej i niskiej gęstości, korzystająca z dobrych właściwości na ściskanie i zginanie, została wykorzystana w wielu zastosowaniach w dziedzinie cywilnych statków powietrznych. W artykule przeanalizowano postęp badań i stan rozwoju konstrukcji wielowarstwowej o strukturze plastra miodu, szczegółowo omówiono jej zastosowanie w typowych konstrukcjach samolotów i stwierdzono, że wraz z rozwojem i produkcją krajowych samolotów C919/C929 kompozytowa konstrukcja warstwowa do podłóg samolotów ma szerokie perspektywy zastosowania. (Źródło: Fiber Composites).