复合材料在飞机上的应用

新视点NEW VIEWPOINT64航空制造技术２００６年第３期目前，复合材料在飞机上的应用已非常广泛，但在２０世纪９０年代初复合材料市场曾一度陷入低靡，究其原因是由于复合材料设计制造的复杂性造成了成本壁垒，人们开始认识到只有重视性能和成本的平衡，才能使复合材料展现辉煌。

随着复合材料先进技术的成熟，使其性能最优和低成本成为可能，大大推动了复合材料在飞机上的广泛应用。

本文在介绍国外复合材料在飞机上广泛应用的基础上，对作为技术保障的数字化设计技术和先进制造技术进行了分析研究。

从国外情况看，各种先进的飞机都与复合材料的应用密不可分，复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。

下面介绍复合材料在飞机上应用的发展趋势。

（１）　复合材料在飞机上的用量日益增多。

复合材料在飞机上的应用评述北京航空航天大学机械工程及自动化学院 张丽华 范玉青复合材料用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比表示，纵观复合材料在民机上的发展情况发现，无论是波音公司还是空中客车公司，随着时间推移，复合材料的用量都呈增长趋势。

最具代表意义的是空客公司的Ａ３８０客机和波音公司最新推出的７８７客机。

在Ａ３８０上仅碳纤维复合材料的用量就达３２ｔ左右，占结构总重的１５％，再加上其他种类的复合材料，估计其总用量可达２５％左右。

７８７上初步估计复合材料用量可达５０％，远远超过了Ａ３８０。

另外，复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势。

（２）　应用部位由次承力结构向主承力结构过渡。

飞机上最初采用复合材料的部位有舱门、整流罩、安定面等次承力结构，目前已广泛应用于机翼、机身等部位，向主承力结构过渡。

从１９８２年开始用复合材料制造飞行操纵面（如Ａ３１０－２００飞机的升降舵和方向舵），空客公司在主承力结构上使用复合材料已有２０多年的经验。

在Ａ３８０上采用的碳纤维复合材料大型构件主要有中央翼盒、翼肋、机身上蒙皮壁板、机身后段、机身尾段、地板梁、后承压框、垂尾等，大量的主承力结构都采用了复合材料。

７８７复合材料的应用则更让世人瞩目，其机身和机翼部位采用碳纤维增强层合板结构代替铝合金；发动机短舱、水平尾翼和垂直尾翼、舵面、翼尖等部位采用碳纤维增强夹芯板结构；机身与机翼衔接处的整流蒙皮采用玻璃纤维增强复合材料。

与Ａ３８０相比其用量更大，主承载部位的应用更加广泛，这将是世界上采用复合材料最多的大型商用喷气客机。

（３）　复合材料在复杂曲面构件上的应用越来越多。

飞机上复杂曲面零件很多，复合材料的应用也越来越多，比如Ａ３８０机身１９段、１９．１段和球面后压力隔框等均为采用复合材料的具有复杂曲复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一；复合材料构件的整体成型、共固化技术不断进展，复杂曲面构件不断扩大应用；复合材料的数字化设计，设计、制造一体化，以及基于三维模型铺层展开的专用设计／制造软件等技术的开发是先进复合材料发展的基本技术保障复合材料在飞机上的应用NEW VIEWPOINT新视点65航空制造技术２００６年第３期面的大尺寸受力组件，分别采用纤维铺放技术和树脂膜渗透（ＲＦＩ）工艺制造。

在大型复杂曲面构件上应用复合材料最典型的例子，当属洛克希德·马丁公司在ＪＳＦ项目中的复合材料进气道。

采用纤维铺放技术制造的ＪＳＦ进气道，通道截面沿Ｓ形轴线由矩形向圆形过渡，同时直径逐渐变小，形状非常复杂。

该进气道由４部分碳－环氧复合材料结构组成，采用夹芯结构增强刚度，实现减重并降低了成本。

在复杂曲面轮廓上应用复合材料存在潜在的制造变形问题，与铺层边界吻合的复杂曲面的铺层展开形状难以确定，更严重的是铺层甚至无法展开，在设计制造方面具有很大的难度，该类零件的设计具有挑战性。

（４）　构件向整体成型、共固化方向发展。

飞机上大量采用复合材料的一个主要目的就是减重，而复合材料构件的共固化、整体成型能够成型大型整体部件，可以明显减少零件、紧固件和模具的数量。

减少装配是复合材料结构减重的重要措施，也是降低成本的有效方法。

构件整体成型最有代表性的例子是ＰｒｅｍｉｅⅠ商务机采用纤维铺放技术制造的整体成型机身结构。

该机身厚度为２０．６ｍｍ，采用碳纤维增强复合材料作为面板的蜂窝夹层结构，消除了传统铝制机身中需要的桁条和框架，由此比相同尺寸的飞机增加了３３％的客舱空间，并带来了２５％的减重。

ＰｒｅｍｉｅⅠ商务机的机身只有两个整体成型的部件构成，整个机身质量小于２７３ｋｇ，而同样大小的铝合金机身结构将包括加强筋、框架、舱壁、外蒙皮等，零部件数目超过３０００个，质量至少为４５４ｋｇ。

零部件数目的减少在很大程度上缩短了生产周期，减少了在制造和装配部件过程中的工时，从而大幅度降低成本。

然而，当越来越多的功能被集成到单一部件中时，复杂程度大大增加，使设计和制造具有更大难度，需要设计的创新以及制造集成零件的先进技术来保证。

由于复合材料设计制造的独特性，设计、材料、工艺要求一体化以及在主承力结构、复杂曲面轮廓上应用复合材料和构件整体成型所带来的问题，使复合材料构件的成本、性能都受到影响。

大量复合材料的应用具有很大的挑战性，必须以先进的复合技术作为技术保障，主要包括复合材料数字化设计、先进制造技术以及设计、制造一体化等。

１　复合材料数字化设计在复合材料数字化设计、制造环境下进行复合材料构件的结构设计、铺层设计、铺层展开以及制造数据准备等工作，复合材料专用设计／制造软件是不可缺少的工具。

目前世界领先的复合材料专用设计／制造软件有ＣＡＴＩＡ　ＣＰＤ（ＣＡＴＩＡ－ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＤｅｓｉｇｎ）模块和ＶＩＳＴＡＧＹ公司开发的ＦｉｂｅｒＳＩＭ软件。

前者与ＣＡＴＩＡ系统全面集成，后者亦能完全集成到ＣＡＴＩＡ、Ｐｒｏ／Ｅ以及ＵＧ等ＣＡＤ软件中。

复合材料设计／制造软件与已有ＣＡＤ系统的集成提供了高效的复合材料数字化设计／制造工具。

复合材料数字化设计不仅包括构件的几何建模，更为关键的是体现制造信息的铺层设计。

复合材料数字化设计分为初步设计、详细设计和制造准备３个阶段。

在初步设计阶段，先采用三维ＣＡＤ软件构建三维数字样机，定义构件的形状以及定位特征，以便在其工装设计以及数字化装配中应用。

在几何建模的基础上，定位构件的结构区域，完成层合板的定义。

初步设计之后，进入详细设计阶段。

依据分析软件的区域划分以及各区域的详细铺层定义数据，设计者定义构件的铺层集以及铺层集中的每一个铺层，包括几何轮廓、铺设角度、辅设顺序、材料类型、参考坐标系、相邻铺层集之间的铺层递减信息以及铺层集中铺层数目的定义等。

完成铺层定义后，利用铺层分析工具对定义好的铺层进行分析，如指定位置的夹芯检查、剖切面检查以及重量和面积计算等，检验实际铺层与预期铺层定义的差别，并指导铺层的修改。

技术保障新视点NEW VIEWPOINT复合材料的制造准备阶段完成材料余量定义、三维实体生成、铺层展开以及技术文档的自动生成等。

一旦设计者对铺层几何感到满意，一方面生成构件的三维实体以便在数字化预装配、工装设计等过程中应用；另一方面将构件的三维实体模型逐层展开，生成铺层展开数据，为制造应用做数据准备。

设计信息在模型内定义后，使用复合材料设计／制造软件基于三维ＣＡＤ模型可以自动生成工程图纸、材料表、工艺流程卡、铺层页、箭标、铺层表等，是指导复合材料构件生产和装配的依据。

一旦设计模型有所改动，文档自动更新以适应变化，极大缩短了设计时间。

２　复合材料设计、制造一体化除上述的数字化设计功能之外，复合材料专用设计／制造软件还提供数据接口以联系设计和制造环节，使制造与设计定义直接结合，实现设计、制造的一体化。

三维模型建好以后，一边用于工装的设计制造，一边输入复合材料专用设计／制造软件完成基于三维模型的铺层展开。

铺层展开数据进一步提取通过数据接口生成下料机专用的排样下料文件、直接支持Ｖｉｒｔｅｋ和Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ激光投影系统的激光投影编码（或提供中介ＡＰＴ格式文件）以及用于纤维铺放的铺层文件等，通过数据接口将上述文件信息分别输入到排样系统、自动剪裁机、激光铺层定位系统和纤维铺放机等制造设备，自动进行优化排样、下料、各铺层精确定位以及纤维铺放等。

复合材料设计、制造一体化实现了零件三维模型到制造的无缝集成，极大地减少了不准确的铺层尺寸和铺设方向，提高了产品质量，同时自动切割和优化排样减少了材料浪费，激光铺层定位消除了手工切割样板和手工铺层样本，降低了成本。

３　复合材料先进制造技术传统的复合材料制造技术自动化程度低，致使复合材料构件存在质量分散性大，生产成本居高不下等问题。

近年来出现的各种各样的自动化程度较高的复合材料先进制造技术，比如纤维铺放、树脂膜转移成型／树脂膜渗透成型及电子束固化等，对提高生产效率、提高构件质量、降低成本起到了关键作用。

纤维铺放技术是自动铺丝束技术和自动窄带铺放技术的统称，是在已有缠绕和自动铺放基础上发展起来的一种全自动制造技术，适用于机身等大型、复杂型面结构的制造。

纤维铺放技术是近年来发展最快、最有效的复合材料自动化制造技术之一，应用也非常广泛。

预成型体复合材料液体成型工艺技术（ＬＣＭ）是先进树脂基复合材料低成本制造技术的一个重要方面，目前已获得相当成功的有ＲＴＭ和ＲＦＩ工艺，为制造集成零件的最先进技术之一。

在零件固化方面，传统的热压罐固化初期投资大，要求高温高压，大型制品还受到成型设备大小的限制，采用电子束固化的目的是显著降低大型、复杂、整体结构复合材料构件的固化成本。

另外，电子束固化与纤维铺放技术相结合，能够成型大型整体部件，对构件的整体成型、共固化有重要意义。

先进的复合材料技术为飞机制造企业带来了巨大的效益，对提高飞机的性能起着极重要的作用。

例如，ＪＳＦ飞机在复合材料进气道的研制中由于采用了数字化设计和纤维铺放等先进技术，最终将其设计时间由３００ｈ减少到１５０ｈ，制造时间由４５０ｈ减少到２００ｈ；西科斯基公司在Ｓ－９２直升机坐舱罩的研制中通过采用先进技术，降低开发时间２７％，减少更改超过９０％；在整体成型ＰｒｅｍｉｅⅠ机身的过程中采用了纤维铺放技术，与手工铺层相比，使结构重量减少了２０％，材料浪费减少了６０％。

飞机的绝大部分结构将采用复合材料的这一预言已经实现，人们期待着复合材料在飞机上更广阔的应用前景，甚至全复合材料飞机的出现。

随着材料方面的新进展，比如智能复合材料的出现，以及复合材料设计／制造技术朝着数字化、集成化、知识化等方向的不断发展，将会大大加速这一进程。

近年来，我国的复合材料技术得到了迅速发展，开始朝着实现复合材料构件设计、制造、检测一体化方向发展。

借鉴国外的先进技术和经验，对加速我国的复合材料技术的发展、扩大复合材料的应用具有重要意义。

（责编 根山）碳层合板碳夹芯板玻璃纤维铝铝／钢／钛吊架结束语波音７８７材料应用图66航空制造技术２００６年第３期。