Komposiittihunajakennorakenteiden sovellukset siviililentokoneissa

Abstrakti:Komposiittikennorakenteisia sandwich-rakenteita käytetään lukuisissa sovelluksissa siviililentokoneiden alalla, joille on tunnusomaista korkea lujuus, korkea ominaisjäykkyys, alhainen tiheys, hyvät puristus- ja taivutusominaisuudet jne. Sovellusosia ovat runko, moottorikoppa, suojus, luukku, antennin kansi, etureuna ja niin edelleen. Hunajakennorakenteisen sandwich-rakenteen suuri käyttösovellusten määrä vähentää merkittävästi lentokonerakenteen painoa. Muovausprosessin edetessä ja materiaaliominaisuuksien parantuessa hunajakennomainen sandwich-rakenne levitetään vähitellen lattiaan ja muihin päälaakerirakenteisiin. Tässä artikkelissa analysoidaan ensin hunajakennorakenteiden tutkimuksen edistymistä ja kehitysprosessia. Toiseksi se selvittää kennokennorakenteiden soveltamisen tyypillisiin lentokonekomponentteihin. Lopuksi se esittelee hunajakennorakenteisen sandwich-rakenteen soveltamisen siviililentokoneiden lattiaan.

001 Johdanto

Sosioekonomisen kehityksen myötä kuljetusalalla, erityisesti lentoliikenteellä, on edessään kaksi tehtävää: rakenteiden kokonaispainon vähentäminen ja painonpudotukseen suoraan liittyvien etujen kysymys - polttoaineen kulutuksen vähentäminen. Rakennepaino ja polttoaineenkulutus ovat erityisen tärkeitä ilmailualalla. Tällä hetkellä hunajakennoisia sandwich-rakenteita käytetään laajalti rungoissa, luukuissa, siiveissä, pyrstissä, lattioissa, suojuksissa ja antennin suojuksissa ilmailuteollisuudessa. Hunajakennorakenteiset sandwich-rakenteet tarjoavat hyvän lujuus-painosuhteen. Komposiittinahoihin verrattuna ne toimivat paremmin sivuttais- ja taivutuskuormituksessa rakenteellisen muotonsa ansiosta, joka koostuu paksusta, kevyestä ytimestä, jota ympäröi kaksi ohutta, jäykkää kerrosta.

Hunajakennorakenteiden runsas käyttökohde on vähentänyt lentokonerakenteiden painoa merkittävästi niiden hyvien puristus- ja taivutusominaisuuksien ansiosta niin paljon, että kennokennorakenteet ovat vähitellen siirtymässä kohti päälaakerirakenteita, kuten lattioita. Tämän artikkelin sisältö on jaettu pääosin kolmeen osaan: ensinnäkin se analysoi hunajakennorakenteen tutkimuksen edistymistä ja kehitysprosessia; toiseksi se yhdistää hunajakennorakenteen soveltamisen tyypillisiin lentokonekomponentteihin nykyisin käytössä oleviin malleihin; Lopuksi se esittelee hunajakennorakenteen soveltamisen nykytilan siviililentokoneiden lattioihin.

002 Honeycomb Sandwich -rakenne

Ensin bioniikasta syntyneelle hunajakennorakenteelle on ominaista korkea ominaislujuus, korkea ominaisjäykkyys ja kevyt paino verrattuna samantyyppiseen kiinteään materiaaliin, ja siksi sitä on käytetty laajalti ilmailussa, kuljetuksissa ja muilla aloilla. Komposiittikennomainen sandwich-rakenne voi parantaa tehokkaasti taivutusjäykkyyttä ja parantaa kykyä kestää taivutusmomentteja ja -paineita erittäin pienellä painonlisäyksellä, mikä tekee siitä ihanteellisen kevyen rakenteen ilmailulle.

Komposiittikennorakenteiset sandwich-rakenteet koostuvat kolmesta osasta: paneeleista, kennoytimestä ja liimasta.

(1) Paneeli. Paneeli on sandwich-rakenteen tärkein kantava osa. Ydinmateriaaliin verrattuna paneelimateriaalille on ominaista korkea tiheys, korkea moduuli ja korkea lujuus. Komposiittipaneelimateriaali on yleensä alumiiniseosta, titaaniseosta, lasikuituvahvisteista muovia ja muita materiaaleja. Suurin osa yksisuuntaisista hiilikuitu- tai lasikuidun teippi- tai kangaskomposiiteista käytetään tällä hetkellä ilmailun rakenteissa.

(2) Hunajakennoydin. Hunajakennosandwich-rakenteen suorituskyky ja hunajakennon geometria liittyvät kennosydämen materiaaliin. Yleensä hunajakennoytimiä on saatavana alumiinikennoytimenä, aramidikennoytimenä, lasikuitukennoytimenä jne. materiaalin mukaan. Aramid-kenno jaetaan meta-aramid-kennoon ja para-aramid-kennoon. Meso-aramidikenno on meta-aramidi, joka on saatu m-tolueenidikarbonyylikloridin (MDCL) ja m-fenyleenidiamiinin (MPA) rajapintojen polykondensaatiolla tai matalan lämpötilan liuospolykondensaatiolla. Markkinoilla yleisin on meta-aramidi, jonka DuPont keksi ja otti ensimmäisen kerran käyttöön 1960-luvulla. Para-aramidikenno on p-fenyleenidiamiinin ja p-fenyleenidikarbonyylikloridin polykondensaatio para-aramidin saamiseksi, kauppanimi Kevlar. Olemassa oleva aramidin kennoydin on pääosin meta-aramidia, ja para-aramidin tutkimusta on hyvin vähän. Pääsovellusmallit on esitetty taulukossa 1. Aramidipaperikenno (NOMEX-kenno) on valmistettu fenolihartsilla kostutetusta aramidipaperista. Alumiiniseen kennoon verrattuna aramidikenno kestää paljon paremmin paikallista epävakautta, koska aramidin kennokenno on paksumpi kuin alumiinikennon kennokenno. Nomex-kennokenno koostuu yhdeksästä prosessista: aramidipaperin liimaus, laminointi, puristus, leikkaus, venyttely, mitoitus, kastaminen, kovettaminen ja viipalointi. AVIC Composites Co., Ltd. on parantanut aramidin kennojen kastoliimausprosessia, päättänyt prosessiparametrit, kuten solun ja paperin paksuuden, ja päätellyt empiirisen kaavan tiheyden säätöön. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. käyttää kotimaista aramidipaperia hunajakennojen valmistukseen, puristus- ja leikkausominaisuudet ovat pystyneet täyttämään HB5435-89 ja BMS8-124 vaatimukset, dielektriset ja palonestoominaisuudet täyttävät myös vakiovaatimukset. Meishi, kiinalaisen Yantai Spandex Group Co., Ltd.:n tytäryhtiö, on valmistanut erityyppisiä hunajakennoytimiä meta-aramidipaperistaan ​​useiden kypsien prosessien avulla. Sen ydin- ja sandwich-rakenteen tasossa oleva puristuskestävyys ja leikkauskestävyys huoneenlämpötilassa voivat saavuttaa Boeing BMS8-124 -standardin indeksiarvot ja täyttää mekaanisten ominaisuuksien käyttövaatimukset.

Piikki.1 Hunajakennotyyppiset pääsovellusmallit

(3) Liima. Lentokonekennoissa käytettävä liima on yleensä rakenteellista liimaa. Rakenteelliset liimat ovat sellaisia, jotka kestävät huomattavaa voimaa ennalta määrätyn ajan käyttöympäristössä, jossa niitä käytetään ja joiden lujuus ja kestävä käyttöikä vastaa kohteen, johon ne on kiinnitetty, käyttöikää. Mukaan hartsi matriisi on yleensä jaettu kolmeen pääluokkaan. Ensimmäisellä epoksilla, epoksihartsilla on etuna erinomainen työstö, pitkä käyttöaika ja korkein lämpötilankesto jopa 232 astetta; Toinen luokka on bismaleimidi, joka voi saavuttaa yli 232 asteen lämpötiloja ja jota käytetään pääasiassa sotilaslentokoneissa, joissa lämpötila on korkeampi; Kolmas on syaanihappoesterityyppi, jolla on erinomainen lämmön- ja dielektrisyyskestävyys sekä lämmön- ja kosteudenkestävyys, joten sitä käytetään pääasiassa komponenteissa, joilla on komponenttien sähköisiä suorituskykyvaatimuksia. Ilmailussa yleisesti käytetty epoksihartsirakenneliima taulukon 2 mukaisesti. Yhdysvaltalaiset Hexcel, Cytec ja muut yritykset ovat kehittäneet materiaalijärjestelmän erilaisia ​​käyttötapoja, ja viime vuosina kotimainen AVIC Composite Company on myös kehittänyt keski- ja korkean lämpötilan hartsijärjestelmä, kuten BA9913, BA9916, SY-24C-300 ja niin edelleen.

Piikki.2 Kotimaiset ja ulkomaiset ilmailun rakenneliimat

003 Honeycomb sandwich-rakenteet tyypillisissä lentokonekomponenteissa

Mitä tulee suuriin siviililentokoneisiin, Boeing 747 (ensimmäinen lento 9. helmikuuta 1969) suunniteltiin suurelta osin sandwich-rakenteella (kuva 1). Sen noin puolet siiven pinnasta, mukaan lukien etureunat ja takareunat, on valmistettu lasikuidusta ja Nomex-kennosta. Boeing 747:ssä rungon sylinterimäinen kuori on pääosin Nomex-kennoa, ja lattia, sivupaneelit, yläpuoliset roskakorit ja katto on myös tehty hunajakennosta. Suurin osa läpäistä on valmistettu samasta kennorakenteesta, mutta myös alumiinikennoa ja nahkaa käytetään. B787:n hunajakennorakenteisiin sovelluksiin kuuluvat peräsin, hissi, siipien kärjet ja moottorin konepellit. Niiden joukossa moottorin konepellit ja työntövoiman suunnanvaimentimet on valmistettu HexWeb-kennosta ja HexPly8552/AS4-prepregistä. Kevyen painon ja suuren jäykkyyden sekä akustisen absorption etujen ansiosta HexWeb-hunajakennoa ovat käyttäneet kaikki maailman suurimmat moottorinvalmistajat. Boeing 707:stä vain 8 % on hunajakennoa ja uudemmassa Boeing 757/46:ssa 46 % kennoa.

Kuva.1 Kuva osasta B747-sandwich-rakennesovellusta (sininen alue)

Hunajakenno sandwich rakenne soveltamisessa suurten siviililentokoneiden on aikaisintaan Airbus A310 lentokoneen peräsin, ja sitten käytetty A320, A340 peräsin. Suurin kennokennorakenne on A340-peräsin, jonka pinta-ala on 15,3 m²hunajakennorakenteesta. Suurin yksilentokoneinen annostus A380-koneelle, sen kennokennorakenteen määrä oli 4,000 m², jota käytetään pääasiassa suurikokoisiin rakenneosiin, mukaan lukien vatsaverhous, lattia jne. Ja lattia on pääasiassa valmistettu MC GillCorpin Gillfab4909 sandwich-paneeleista. Kevlar hunajakenno. Airbus A380:n lattiarakenne on valmistettu suuresta määrästä Nomex-kennosandwich-komposiitteja, jotka ovat erinomaisia ​​materiaaleja, jotka mahdollistavat A380:n 20,{5}} tunnin käyttöiän, mikä varmistaa, että lentokone voi olla käytössä yli 10 vuoden ajan. Sen jälkeen komposiittien käyttö on lisääntynyt merkittävästi, erityisesti ATR72:n myötä, joka oli ensimmäinen siviililentokone, joka sertifioitiin hiilipohjaisella perusrakenteella (siipilaatikko) (katso kuva 2). Kuten kuvasta 3 näkyy, sandwich-materiaalien osuus toisiorakenteissa on vähentynyt. A380:ssa, Boeing 787:ssä tai Airbus A350:ssä vain vatsaverhoilu, konepellit ja etulaskutelineen ovet, osa siivekkeistä ja peräsimeistä on edelleen sandwich-rakennetta, loput itsevahvisttavia monoliittisia rakenteita.

Kuva 2 ATR72-komposiittien käyttö

(a) A380:n kerrosrakenne (b) A350:n ja B787:n komposiittisarjan kerrosrakenne rakenne

Kuva.3 Kaavio lentokoneen kerrosrakenteesta

Verrattuna siviililentokoneisiin kennokennorakenteen soveltaminen yleisissä lentokoneissa ilmenee pääasiassa rungon käytössä, kuten HawkerBeechcrafin PremierI, Hawker 4000 ja "Prime Minister" IA -lentokone, Bombardier Aerospace Learjet 85 -lentokone ja niin edelleen. PremierI on ensimmäinen FAA-sertifioitu täysin komposiittirunkoinen suihkukone, koko runko on valmistettu hunajakennorakenteisista hiilipaneeleista, kokonaispaksuus 20,6 mm, rungossa ei ole ristikoita ja kehyksiä, kuin perinteinen alumiinirakenne. vähentää painoa 25 % ja lisännyt matkustamon tilaa 13 %. Tällä hetkellä tuotannossa olevan Hawker 4000 -lentokoneen runkorakenne koostuu kolmesta siipien kohdalta yhdistetystä piippurakenteesta, tynnyrit ovat kennokennorakenteita ja pinta on laskettu MAG Cincinnatin Viper-automaattilanganlaskukoneella. Nomexin hunajakennorakenteisia komposiittikomponentteja käytetään Venäjällä useissa sovelluksissa lentokoneiden komponenteissa, kuten läppäissä, siivekkeissä, rungon seinäpaneeleissa, moottoreissa, ohjaamoissa, tavaratiloissa, vaakasuorassa pyrstössä, siipien etureunassa, helikopterin roottorin takapalkeissa ja muissa lentokoneissa. komponentit.

Kotimainen tuotanto AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. ja muiden yksiköiden suuri määrä hartsi matriisi komposiittimateriaalit (kuten drogue, mela, litteä häntä ja roottori, jne.) ja Nomex hunajakenno sandwich rakenne komposiittimateriaalit (runko) paneelit, lattiat, takapalkit jne.), mikä vähentää merkittävästi koko rungon painoa, parantaa komponenttien väsymislujuutta ja parantaa aerodynaamisia ominaisuuksia helikopterin lennon laadun parantamiseksi. Nomex-kennosandwich-komposiiteista on arvioitu olevan moottorin ja voimansiirron lisäksi lähes 300 lentokoneen osaa. Kaikissa osissa käytetään Nomex-hunajakennomateriaalia 3 tiheydellä ja 12 erittelyllä. Nomex-kennosydänmateriaalien määrä koko rungossa on yli 200m2 ja sen peittoalue on noin 80 % koko rungosta, mikä on tällä hetkellä Kiinassa eniten Nomex-kennosandwich-rakennekomposiitteja käyttäviä lentokonetyyppejä. .

004 Kennomaisen sandwich-rakenteen soveltaminen siviililentokoneiden lattiaan

4.1 Lentokoneen matkustaja- ja rahtitilan lattian tutkimustilanne

Perinteiset lentokoneiden lattiat matkustaja- ja rahtilattiat on valmistettu metallista. Jokaisessa kerroksessa on satoja niittejä ja ruuveja, mutta on myös käytettävä elastisia tyynyjä ja rungon rakenneeristystä, ja siksi se on kallista. Ja komposiittimateriaalien käyttö voi parantaa merkittävästi lattiarakenteen lujuutta, jäykkyyttä, väsymystä ja korroosionkestävyyttä, voi vähentää liittimiä suuruusluokkaa ja vähentää merkittävästi lattiarakenteen painoa.

Lentokoneen lattian komposiittisandwich-rakenteen paneeli on yleensä valmistettu lasikuituprepregistä, hiilikuidusta ja Kevlar-prepregistä ja matriisi valitaan epoksihartsista tai fenolihartsista. Hunajakennoytimiä käytetään yleisesti Nomex-kennojen kanssa.

Kuva.4 Lentokoneen matkustaja- ja rahtitilan lattia

4.2 Sandwich-rakenteiden levitys lattioihin

Boeingin Model 234 Chinook -siviilihelikopterin päähytin lattia on kooltaan 2,5 x 2,2 metriä ja se koostuu neljästä paneelista. Paneelit ovat lasikuitu/Kevlar49-komposiitteja, joissa on Nomex-kennoytimet, ja sandwich-lattiassa on neljä kerrosta ylä- ja alapaneeliasioita, jotka ovat symmetrisiä keskellä olevaan kennoytimeen nähden. Ensimmäinen ja toinen kerros ovat 0 asteen lasikuituprepregiä ja kolmas ja neljäs kerros ovat 0 asteen suuntaisia ​​Kevlar49-kuituprepregiä. Nomex-ytimen korkeus on 38 mm, kennon pituus 2 mm ja tiheys 48 kg/m3. Paneelit ja ydin on liimattu yhteen EA9-liimakalvolla. Komposiittisandwich-rakennetta on valittu myös Boeing 777:n, Boeing 787 Dreamlinerin ja muiden lentokonemallien matkustamon lattiaan.

MC GillCorp. tuotanto Gillfab4223 sandwich rakenne paneeli valikoima lasikuitu kangasta, matriisi fenolihartsille, ydin GillcoreHD meta-aramid kenno, liimakalvo valikoima epoksijärjestelmä. Koko sandwich-rakenteen paksuus on 12,6 mm, yläpaneelin paksuus 1,27 mm ja alapaneelin paksuus on 0,508 mm. Gillfab4223 sandwich-rakennetta käytetään Airbus A318/ A319/ A320/ A321/ A330/ A340/ A300/ A310/ A300-600. MC GillCorp. tuotanto Gillfab4505 sandwich rakenne paneeli valikoima hiilikuitu yksisuuntainen hihna (pinta kerros lasikuitu prepreg), matriisi fenolihartsille, ydin GillcoreHD meta-aramid kenno, liimakalvo valinta epoksijärjestelmä. Koko sandwich-rakenteen paksuus on 9,5 mm ja ylä- ja alapaneelien paksuus 0,5 mm. Gillfab4505 sandwich -rakennetta käytetään Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340:ssä.

Fokker 100:n lastilattia on suhteellisen yksinkertainen rakenne, joka on komposiittikerrosrakenne, jonka ulkopinta on korkean suorituskyvyn kestomuovikomposiittilevyjä ja ydin Nomex-kennokennoa. Pinta ja ydin liimataan yhteen epoksikalvolla.

Tietyn Nomex-kennosandwich-rakenteen mallin lastitilan lattia valmistettiin kuumapuristusmuovauksella käyttämällä paneelin raaka-aineena itse valmistettua lasikuituvahvisteista fenolihartsiprepregiä Niu Fangxun et al. Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd:ltä. Lattian mekaanisia ominaisuuksia ja palonestoominaisuuksia arvioitiin systemaattisesti ja prepreg-tyypin, kovettumislämpötilan ja muovausprosessin vaikutukset kennopaneelien mekaanisiin ominaisuuksiin sekä vaikuttavia tekijöitä analysoitiin. kennopaneelien paloa hidastavia ominaisuuksia tutkittiin. Tulokset osoittavat, että itse valmistetulla prepregillä valmistetun tavaratilan lattian mekaaniset ominaisuudet ovat erinomaiset, pitkän palkin taivutuskuormitus on jopa 4348 N, taipuma vain 6,79 mm kuormituksella 445 N, iskukyky jopa 4348 N. 17,1 J ja rullan kuoriutumislujuus jopa 66,4 N-mm/mm, ja samalla se täyttää tiukat liekinestovaatimukset, mikä voi toteuttaa lattiamateriaalien paikallisen korvaamisen lentokoneen irtolastialueella.

005 Johtopäätös

Hunajakennorakennetta, jolla on suuri lujuus, korkea ominaisjäykkyys ja pieni tiheys ja joka hyötyy sen hyvistä puristus- ja taivutusominaisuuksista, on käytetty lukuisissa sovelluksissa siviililentokoneiden alalla. Tässä artikkelissa analysoidaan hunajakennorakenteisen sandwich-rakenteen tutkimuksen edistymistä ja kehittämisen tilaa, tarkastellaan edelleen sen soveltamista tyypillisiin lentokonerakenteisiin ja päätellään, että kotimaisten lentokoneiden C919/C929 kehittämisen ja tuotannon myötä lentokoneiden lattioiden komposiittikerrosrakenteella on laaja käyttöalue. näkymät. (Lähde: Fibre Composites)