航空复合材料学科发展研究_航空科学技术学科发展报告(2010-2011)

专 题 报 告 航空复合材料学科发展研究 一 、引 �含 高性能航空复合材料通常是指纤维增强树脂基复合材料 , 具有高 比强度 、高 比刚度 、 疲劳性能好 、可设计性强及便于大面积整体成型和综合性能优异等优点 , 在各类飞机等航 空装备的承力和非承力结构中得到广泛的发展和应用 。 随着复合材料 的广泛应用 , 复合 材料结构制造技术得到快速发展 , 尤其是向整体化 、 自动化 、低成本制造技术方向发展 。 复合材料具 有易 于 整体 成 型 的优 点 , 可 以 采 用共 固化 、 胶 接共 固化 、 树 脂 传递 模 塑 � ! ∀ # 、织物预成型等工艺 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 制造出比较复杂的整体结构 , 充分利用复合材料本 身特 点的整体化 制造 技术 可 以 发挥 复 合材 料成 型工 艺 的优势 。 复 合材 料 自动铺 带技 术 �∃ ! %# 是目前世界上 自动化 、数字化程度最高的航空复合材料结构制造技术之一 , 纤维 束 自动铺放 �∃ &∋# 技术结合了自动铺带和纤维缠绕技术的优点 , 可 以成型更复杂的结构 件 , 材料消耗率低 。 低成本制造技术主要的发展是液体成型技术〔‘一(〕。 为保证航空复合材料结构设计合理性与结构完整性 , 复合材料结构比金属结构更依 赖于试样 、元件 、次部件 、部件 、全尺寸部件等多个层次 的 “积木式”方法进行表征 与验证 。 该方法实质上是一个分析和试验验证的程序 , 通过在分析 )验证的过程 中采用逐步增加试 件的复杂程度 , 逐步增大试件尺寸和规模的做法进行分析和试验验证 , 保证工程项 目的研 发质量和成功 , 以便通过鉴定和验收 。 航空复合材料性能表征与分析主要指应用于 “积木 式 ”方法当中的测试 、分析与评价技术 , 突出的特点在于需要考虑上下层次关联和试 验与 分析的关联 。 世界先进飞机的机体结构已经出现 了复合材料化的趋势 , 复合材料用量更 是衡量现代大型客机先进性和市场竞争力的重要标志 。 目前最具代表性的新一代大型客 机—刚刚投人使用的空客 ∃ ∗ +, 飞机 、 即将投人使用 的波音 − +− 飞机和正在研制 的空客 ∃ ∗. 。飞机 , 它们有别于以往同类 飞机的一个重要标志就是其机体结构大量采用 复合 材料 , 其复合材料用量分别占机体结构重量的 (. / 、 ., /和 .( / , 远远高于目前在航线上 运营的 、较先进的空客 ∃ ∗0 , 和波音 −− − 其 1, /数量级的水平 。 二二 、发通几现冷弋 航空复合材料学科涉及材料体 系 、性能表征 、结构制造和结构设计 与应用等多个层 面 , 这些层面之间存在复杂的关联祸合 ,其 中 , 材料体系是物质基础 , 设计应用是学科发展 的牵引与标志 。 �一 #高性能航 空复合材料体系 纤维增强树脂基复合材料主要由增强纤维和树脂基体通过复合工艺制备而成 。 增强 硫空复荟材解李一科夏展研免一 1 ∗ − ( , 1 ,一 ( , 1 1 航空科学技术学科发展 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 纤维在复合材料中的体积含量一般在 ., /一“/ , 纤维及其织物的结构与性能对复合材 料主要力学性能有重大影响 。 复合材料的耐热性 、吸湿性 、湿热性能 、耐化学性 、疲劳性能 以及工艺性能和某些特殊性能等主要取决于树脂基体性能 以及基体与纤维之间的界面 性能 。 作为高性能复合材料的关键增强材料 , 碳纤维得到广泛的发展和应用 。 国际上主要 的碳纤 维厂家 包括东 丽 公 司 、东邦公 司 、 三 菱人 造丝 、 2 3 4 5 3 % 、 56 ! 3 5 、 7 8 % ! 3 5 、 9 : % 、 ∃ ; 9 ∃ 、台湾塑胶公司等 。 ( , , + 年 , 世界碳纤维总产能为 < < , ., = , 总产量为 0 < ( ∗ . = , ( , , > 年提高了 1, /左右 , (,1 , 年进一步提高 。 东丽公司是世界碳纤维的最 主要生产厂 家 , 其主要产 品包括 ! ∗ , , ? 、 ! − , , 9 5 、 ! − , , : 、 ! ≅ Α82 、 ! Β, , , 、 ∀ 0 , 、∀ < Α 等 , 纤维丝束主 要以 Χ; 、 ∗ ; 、 < ; 和 1( ; 为主 。 美国航空军用碳纤维主要使用 2 3 4 5 3 % 公司的 Χ∀ 系列 产品 , 以 Χ∀ − �1( ; #为主 。 国内有多家单位开展 了高性能碳纤维 的研究 。 其中 , 拓展纤维 有限公 司生产的 ! ∗ ,, 级 5 5 &∗ ,, 碳纤维 , 质量稳定 , 已经供应航空型号产品批量使用 。 碳纤维 的发展现状可以概括为如下几点 Δ � 产能不断增大 , 应用范围越来越广泛 � 技术 不断创新 , 不断研发新型高性能产品 , 如 ! ∀ # # # 和 ∃% & 等 � ∋ 努力 降低成本 , 包括通过制 造大丝束纤维和改善工艺等 , 一( 〕。 碳纳米管被称为终极纤维 。 与碳纤维相比 ,碳纳米管具有更完整的石墨层结构 、更低 的密度 、更高的强度 ) ∗# # + ∗ (# , − . /和模量 )∗ 0 # 一 ∗ 0 1 ! −. / 。 此外 , 其特有的结构 、 高的 长径比 ) 2 ∗# # # / 、高表面活性以及优 良的力 、电 、热等性质 , 成为新一代的轻质 、高强 、 多功 能纳米纤维材料 , 为新兴纳米复合材料技术的研发开辟了新的途径 。 碳纳米管加人纤维 增强的复合材料中可以得到一种新型的纳米复合材料 , 这种材料与传统的纤维增强复合 材料相 比 , 能够以很低的添加量来实现性能的显著增加 。 良好分散的碳纳米管可以在含 量较小的情况下大幅度提高基体的力学性能 、耐热性 , 并赋予功能特性 。 据报道 , 重量百 分 比含量为 ∗3的碳纳米管对基体弹性模量的增加效果能够达含量为 ∗# 3的传统碳纤维 的增强效果 。 此外 , 通过物理化学方法将碳纳米管接枝或生长于碳纤维表面 , 使碳纳米管 和传统宏观纤维构建成多尺度界面 ,从而提高碳纤维复合材料界面性能 , 同时 , 碳 纳米管 可以起到“纳米缝合”的作用 , 使碳纤维复合材料具有 自愈合 、 自修复等特性 。 国内外对树脂基体的研究一直都很活跃 , 取得的进展也很大 , 主要体现在韧性 、工艺 性以及耐热性能等的不断提高 。 先进复合材料树脂基体主要包括热固性和高性能热塑性 树脂 , 其中广泛应用的是热 固性基体 , 主要包括环氧 、双马 、氰酸酷和聚酞亚胺等 , 新 品种 也不断出现困 。 环氧树脂具有工艺性好 、 成本较低等特点 , 使用温度一般为湿态 ∗4# ℃ 以下 、 干态 ∗(# ℃ 以下 , 高性能环氧树脂体系的牌号已经很多 , 可适用于热压 、 5 ! % 、 5 6∃ 和缠绕等多 种成型工艺 �提高韧性并保持体系优良的综合性能一直是高性能环氧复合材料发展 的重 要 目标 , 已经达到很高的水平 , 如 47 #于89 ! :# 。复合材料体系的 ; < ∃ 值高达 4=: %− . 。 双 马树脂既具有类似于环氧树脂的工艺性 , 又具有聚酞亚胺优 良的耐高温 、耐辐射和耐湿热 等优 良特性 , 使用温度一般在 ∗(# 一84 8℃之间 , 已在航空结构中得到迅速开发应用 � 国内 外已经发展了几十种商品化双马树脂体系 , 如 (8> (; 、 (8( # 一> 、 (8 = # 、 ( 81 # 一∗ 、 6 = ( ( 、 (>8 7 和 ? ≅ 7 = ∗∗等 , 其中 (8= # 9 ∃% 1 复合材料的韧性水平最高 , ; < ∃ 达到 4ΑΒ% − . 以上 Χ 1 一:〕。 氰酸 ∗4 : 一 ’ ‘户廷户乙两丫一丽劝诚为乙乙亏一加一入右而丽口行翻厄一劝胜从龙一入泌 ‘论己白丙乙乙白酥 一一一‘业些进以《醋树脂具有优异的介电性能 、低吸湿率以及优 良的电绝缘性能 、力学性能和工艺性能 , 集结构一功能于一体 Ε航空领域中主要利用氛酸醋树脂及其复合材料优异的介 电性能和力 学性能等作为透波结构使用 , 如由 Φ Α Γ 化学公司研制的 ! ΗΙ = ϑΚ Κ Λ− 1 − + − � ,− 与 9 一( 形成 的透波材料用作 &一(( 的雷达罩 , 其介电常数为 ( � > , 介电损耗正切为 , � , ,( , 工作温度与 双马树脂相当 。 聚酞亚胺树脂最显著的特点就是耐高温 , 可 以在高温环境中作为承力构 件使用 Ε热固性聚酞亚胺依据其活性端基类 型主要可以分为 ∋∀ 聚酞亚胺和炔基封端 聚酞亚胺 , ∋∀ 一1. 是 ∋∀ 技术的典型代表 , 具有 良好的工艺性和综合力学性能 Ε近期发 展应用的聚酸亚胺主要包括 ∋∀ 一 11 、 Μ 一5 ∃ ∋ 、∃ & 一−, 。、 % Η 5一 1 <, 和 ∀∋Χ 一1 等 , 复合材 料的耐热等级可以达到 ∗ −, ℃左右川 。 高性能热塑性树脂具有优异 的韧性 、损伤容限 、 良 好的耐环境 、低吸湿率和低释放速率等特点 , 成型周期较短 , 可重复成型 , 但制备温度和压 力较高 , 在航空结构领域有少量应用 。 主要 品种包括聚讽 、聚醚醚酮 、聚醚酞亚胺等 。 国 外十分重视新品种树脂的开发 , 并且在保持高性能的同时往往引人阻燃 、耐磨 、导 电 、吸 ) 透波等功能 Ν ‘Α 一 ‘∗ Ο 。 《二 #大型航空复合材料结构制造 随着复合材料的广泛应用 , 复合材料结构制造技术得到 了快速发展 , 尤其是向 自动 化 、低成本制造技术方向发展 。 目前国外先进的复合材料制造技术主要有以下 . 种 Δ 1 � 复合材料 自动铺带 、 纤维束 自动铺放技术 复合材料 自动铺带技术 �∃ ! %# 是 目前世界上 自动化 、数字化程度最高的航空复合材 料结构制造技术之一 , 尤其适于大型翼面结构 , 如图 1 所示 。 自动铺带技术采用有隔离衬 纸的单 向预浸带 , 其裁剪 、定位 、铺叠 、辊压均采用数控技术 自动完成 。 目前 , 该技术 已广 泛应用于 ? − + − �中央翼盒 、主翼 蒙皮 、尾翼 # 、∃ 0 , ,∀ �机翼 、翼梁 # 、 ∃ ∗ . Α 4 Π ? �机翼 、蒙 皮 、中央翼盒 #等型号飞机中〔’‘一“〕。 图 1 自动铺带设备成型 ∃ ∗+, 壁板蒙皮 纤维束 自动铺放 �∃ &∋# 技术结合 自动铺带和纤维缠绕技术的优点 , 铺束头把缠绕技 术所用的不同预浸纱束独立输送和铺带技术所用 的压实 、切割 、重送功能结合在一起 , 由 铺束头将数根预浸纱束在压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带 ,然后铺放在芯模表面 , 铺放过程 中加热软化预浸纱束并压实定型 。 与 自动铺带技术相比 , 纤维束 自动铺放技术 可以成型更复杂的结构件 , 材料消耗率低 。 如图 ( 所示 。 筑童一复奋材歼甲杆夏展研更一 ” , ( , 1 ,一 ( , 1 1 航空科学技术学科发展报查 图 ( 纤维束自动铺放设备成型的 ? − +− 机头和机身段 ( � 复合材料结 构低成本制造技术 低成本制造技术主要的发展是液体成型技术 。 液体成型技术是指低赫度树脂在模具 中流动浸润增强体 , 或加热熔融预先放人模腔的树脂膜浸润增强体并 固化成型的一种技 术 。 该类技术中主要包含适合制造梁 、肋 、框等小型构件 的 ! ∀ �树脂转移模塑工艺 #技 术 �如图 ∗ 所示 # ,适合制造大型翼面整体成型的 &Χ �树脂膜熔融浸渍工艺 #技术 �如 图 0 所示#以及适合制造大型复杂结构件的 Μ ∃ Χ� 真空辅助树脂浸人工艺 #技术等 。 图 ∗ ! ∀ 工艺制造的 ∃ ∗., 框架 图 0 & Χ工艺制造的 ∃ ∗ +, 后压力框 ∗ � 先进的预成型技术 先进的预成型技术主要是热隔膜成型技术 。 热隔膜成型技术采用 了一种 ; Η∋ =Α Θ 聚 酞亚胺薄膜 ,通过在薄膜内部抽真空利用负压将预成型件压实 , 同时采用红外辐射式加热 系统 , 可以保证梁根端的最厚截面中心也可均匀加热到同一温度 �如图 . 所示 # 。 目前 , 空 客 ∃ 0, , ∀ 机翼大梁和 ∃ ∗ ., 4 Π ? 机翼翼梁的原型件均采用这种工艺制造 。 图 . 热隔膜成型技术及 ∃ 0 ,, ∀ 机翼大梁 和 ∃ ∗ ., 4 Π ? 机翼翼梁 10, “ Ρ晚运户乙两丫丽劝诚泌趁亏一丙俩葫Σ丽口初痴〔一劝ϑ咖沈一入泌 一枯己内丙<由阶 一Τ一Τ 一一遗遨巡土长《 0 � 复合材料整体结构成型技术 复合材料结构的整体化程度越高 , 其减重效果越好 、制造成本越低 。 共固化 、共胶接 和二次胶接是整体结构成型首先要研究发展 的最基本 、最常用的技术 。 空客 ∃ ∗ +, 中央 翼盒的整体壁板 、 ? −+ − 飞机机身段 、水平尾翼外伸盒段都采用复合材料整体结构成型技 术 〔‘, 一 , , 1 �如图 < 、图 − 、图 + 所示# 。 ⋯ 图 < 带整体结构成型壁板的 ∃ ∗+, 飞机复合材料中央翼盒 图 − 复合材料整体结构成 型的 ? − +− 机身段 图 + 复合材料整体结构成 型的 ? − +− 水平尾翼外伸盒段 硫童一复荟材科李一科又展研更一 1 01 ( , 1 ,一 ( , 1 1 航空科学技术学科发展报告 . � 复合材料构件制造的数字化技术 复合材料构件制造技术的数字化已被当今航空工业先进国家视 为当务之急 , 制造过 程的数字化 自动控制技术更是得到快速发展 。 例如 , 采用专 门的数控切割设备来进行预 浸料的平面切割 , 取代了切割样板 , 如图 > 所示 Ε 采用专门的激光投影系统来进行叠层铺 放边界的三维投影定位 , 取代了铺叠样板 , 如图 1, 所示 。 切割样板和铺叠样板 的取消可 以使复合材料构件的制造过程与飞机整体的数字化设计制造环境达到一种基本的协调 , 使航空复合材料构件基于 5 ∃ Φ 设计单一数据源的制造过程具备实现的可能性 。 上述新 技术已在空客 、波音等飞机制造公司得到普遍应用 。 图 > 数控切割设备 图 1, 激光 投影设备 �三 #航空复合材料性能表征与分析 &∃ ∃ 咨询通报 ∃ 5 (, Ρ 1 ,− ? “飞机复合材料与结构 ”明确提出有关结构安全性和持续 适航的试验与分析的 目标和基本要求 ,针对大多数复合材料的结构特性 , 都可以采用试验 测试或者是经过试验验证的分析方法进行验证与评价 。 随着航空复合材料结构分析能力 的逐步提高 ,分析方法在工程应用 中发挥越来越大的作用 。 工程应用 的需求反过来对于 复合材料各层次结构行为表征方法 、失效分析方法 、计算软件的集成与开发都带来发展机 遇与挑 战 。 美 国 Υ ∃ 9 ∃ % ςΓ ϑ≅ 研究中心开发 了 5 9! 3∀ �5 Α Λ Ω Βς Σ 9 = Ξ Λ ς = Λ Ξ Η Β) ! Ψς Ξ Ζ Η Β) 3 Βς ς = Ξ Α Τ ∀Η[ Θς =ϑΙ ∃ ΘΗ Β∴ ≅ ϑ≅# 软件 , 可以进行力 )热 ) 振动 ) 声 ) 电磁等多场的藕合分析 , 并考虑多环 境藕合 因素下进行结构设计 。 ? Α ς ϑΘ [ 的 5 8 Φ ≅! ∃ Υ �ς Α Ζ Ω Α ≅ ϑ=ς Φ Λ Ξ Η ] ϑΒϑ= ∴ ≅= Ξ Λ ς = Λ Ξ Η Β ∃ Θ Η Β∴ ≅ϑ 9 #软件可以进行 复合材料性 能衰退 、损伤演化和耐久性等的分析 , 同时可 以 与 Υ ∃ 9! ∃ Υ 等大型通用软件接 口 。 英 国国防评估和研究机构 �! Ψ ς Φ ς⊥ς Θ ≅ ς 3 _ Η ΒΛ Η =ϑΑ Θ Η Θ Σ ς ≅ ς Η Ξ ς Ψ ∃ [ ς Θ ς ∴ #对渐进损 伤分析方法进行了长期而深人细致的研究 。 1 > > 0 一 1> > − 年 , 该机构作为项 目发布者 , 针 对 Θ 家研究单位 , 将 同样的材料 、结构和载荷数据给每一家单位 ,让他们各 自进行给定结 构的失效模式研究 , 结果各家单位的研究结果互相差别 比较大 。 1> > + 一 ( , , ( 年为该项 目 的第二个阶段 , 在该阶段项 目发布者将他们的实验结果给了每个参与的研究单位 , 以便他 们根据实验结果修改各 自的模型 。 无论哪一个 阶段的研究都表明 , 不仅各家理论预测的 结果大相径庭 , 而且与实验结果也有比较大差别 。 这些差异主要来 自个人的理论模型不 1 0( 一两论户乙片丫丽五乙俪为乙污互丙骊葫Σ丽口行痴〔一劝ϑ函匕乙� 月泌 ‘花己八凡口乙Σ奋 专 题 报 告 同 , 对于残余应力以及失效机理的处理方式也不同 , 因此各家结果差别比较大 。 该项 目的 主要结论是 Δ � 基于简单物理模型的失效分析比较粗糙 � 载荷历史相关 的损伤演化规律 复杂或是经验性的 � ∋ 大多数模型不能完全表征所有失效模式 、复杂损伤状态 、藕合的应 力状态 � Δ渐进损伤分析是 目前研究人员的一个分析工具 , 可靠的 、经过验证 的 、用户友好 的工程应用工具还有待于进一步开发 。 欧洲飞机制造工业为了降低工程成本 , 减轻机身结构重量 , 提高承载能力和提高工作 稳定性 , 用时 : 年启动了 −Ε Φ∃ ; Ε Φ Φ 和 ; Ε ; Ε %< ! 两个项 目完成这个任务 。 纤维增强 复合材料薄壁机身结构在设计时能够容许屈 曲行为中发生多模式屈 曲 , 只要不引起整个 系统 的灾变 。 研究证明 Γ 结构在不发生严重的损伤破坏 的情况下 , 通过快速且准确 的仿真 模拟程序可以很好地预测结构的屈曲和后屈曲行为 。 有了这种保障后就可以做更好的设 计来提高材料性能的应用价值 Χ8 ‘一 , 8〕。 Η < Φ< Ι. ϑ& ∀Κ Λ 研究中心所作的《飞行器用大型复合材料结构设计 与制 造现状评估 报告 》) < ϑ < Α Α Κ Α ΑΜ Κ ϑ Ν Β Ο Ν Π Κ Φ Ν. Ν Κ 一Β ΟΘΘ ΝΠ ΚΘΘ . Ρ Ν Σ ϑ ΝΠ Κ Τ Κ Α Σ & ϑ . ϑ Υ %泛ϑ ς Ο. Ω Ν ς Ρ Σ ϑ & Β Ο 乙. � & 。 Κ Β Μ −Β Α Σ Ν 。 Α Ν Ρ ς Ω Νς Ρ Κ Γ ΟΒ Ρ < Κ Ρ Β Α户. Ω Κ ΞΚ Π Σ Ω ∀Κ Α /指出 Γ 要减少验证试验量 , 要么有高 可靠性 、高可信度的设计工具支持 , 要么采用大的安全系数进行保守设计 。 而要建立高可 信度的设计与分析工具 , 其 中的一些关键 问题必须解决 , 如结构跨尺度分析 问题 。 目前 Η < Φ < 普遍采用的跨尺度分析方法为总体 9 局部 ) , ΟΒ Ψ .∀ 9 Ι ΕΩ .∀ / 的迭代方法 , 如图 ϑ 所 示 。 此方法预报结构行为的技术成熟度还很欠缺 , 尤其是强度预报准确性较低 。 多尺度 力学方法可以实现微细观尺度与宏观结构的同步关联分析 , 以提高计算效率 。 传统确定性分析方法以安全系数为核心 , 在结构设计的实施 中通过规定一个安全 系 数 )飞机设计 中通常为 ∗ 0 ( / , 以包容诸多未知因素 , 以此来保证结构的可靠性 。 此法沿用 多年 , 易于学习和使用 , 有其成功的历史 , 但也产生许多现实 的问题 。 特别是先进复合材 料 出现以后在应用中遇到一些障碍 , 如高温 、吸湿 、冲击损伤 、未被探知的缺陷和损伤均可 引起强度性能的退化 , 形成所谓最严酷的情况 , 往往使设计难于优化 , 其结果是导致非常 硫女一复奋材砰李一科又展研更 ‘ ’ ‘ ” ‘ ∗>4 》声哩卫巴鲤巡主创进丝塑逃立一一 保守的设计和较低的结构效率 。 Υ ∃ 9∃ 、 ?Ας ϑΘ [ 、∃ϑ Ξ] Λ ≅ 等机构对此开展 了大量研究 , 目 前已经向非确定性分析方法转变 ,该法不再以一个确定 的安全系数涵盖和包容工程实践 中的许多不确定因素 ,诸如载荷环境 、材料性能与制造过程的变异性 、应力分析 的不确定 性 、疲劳耐久性等 , 而是要对诸多主要的影响因素进行概率和影响程度分析 , 从而进行结 构的可靠性设计 。 具体如图 1( 所示 。 图 1 ( 结构设计非确定性分析方法 传统的 “积木式 ”验证分析方法在时间和成本上的各项需求如图 1∗ 所示 。 由图 1∗ 可 见 ,设计一套完整的“积木式”程序需要的试验量非常庞大 , 成本代价高 , 研发周期长 。 ! ΞΗ Σ ⎯=旧 Θ Η Β9 =Ξ Λ Ι= Λ ΞΗ α ? Λ ϑΒΣ 旧> ? ΒΑ ς β ∃ ∋∋ΞΑ Η ς Ψ ! ς ≅= ∋ΒΗ Θ ⊥Α Ξ χ Λ Η αϑ石ς Η =ϑΑ Θ )5 ς Ξ= ϑ行ςΗ =ΒΑ Θ Δ ! ϑΖ ς δ 5Α ≅ = ΧΘ =ς Θ ∀ Η =ς Θ Η 19 Η Θ Σ ∋Ξ, 5[ 9 . ς 9 Η Θ Σ 9 七「Λ以Λ 旧旧ς ≅ ϑ[ Θ Φ ς帕εΑ ∋Θ拍川 &φ Χ95日Βς %Η] 口习 =侧乍 勤尹−α概 ΔΔΔ , ΔΔΔ 二二二监盆 ��� 5丫> ( 阅卜Τ 乍1 , ∀ Γς 一一Τ Τ 卜叫卜� � Ρ Ρ ΤΤ一Τ Ρ � 多1 . 8∀图 1∗ 传统的“积木式 ”验证分析方法 因此 , 为提高“积木式 ”方法的验证效率 , 国内外正在致力于由过去以实验为主的分析 方法向以计算模拟为主的验证模式转变 , 以 大大减少试验量 , 降低成本 , 缩短验证试验周 期 。 图 1 0 为 ? − + − 研发中采用 ∃ Χ∀ 一5 �∃ ς ς ςΒς Ξ Η =ς Σ ΧΘ ≅ ς Ξ = ϑΑ Θ Α ⊥ ∀ Η = ς Ξ ϑΗ Β≅ 一5 Α Ζ Ω Α ≅ ϑ=ς 9 # 方法 , 对“积木式 ”验证研究发展的具体示例 。 1 0 0 一能户乙两示一丽劝俪泌污亏一加 一入宕月Σ丽访ϑ丽〔≅己胜闪比 �人丽一论己丽Σ乙Σ云乎 专 题 报 告 ! Ξ Η Σ ϑ=ϑΑ Θ Η Β? Λ ϑΒΣ ϑΘ [ ? ΒΑ Ι β ∃ ∋∋ΞΑ Η Ι Ψ � Ζ ∋ΞΑ _ ς ≅ 5 Α Θ石Σ ς Θ Ι ς ] ∴ 3 Κ =ς Θ ≅ ϑ_ς ! ς ≅ =ΒΘ [ 9 Λ∋∋Α血Σ ]∴ ∃ Θ Η Β∴≅ ϑ≅ Δ ∃ Χ∀ ∀ ς =ΨΑ Σ Α Χ, [ ∴ ΧΖ ∋ΞΑ _ ς ≅ 5 Α Θ ⊥ΒΣ ς Θ Ι ς ∀8 Ξς Η∋ΒΣ Β∴ δ 3他 Ι =Β_ς Β∴ ] ∴∃ Θ Η Β∴≅ Β≅ 9 Λ ∋∋8 Ξ= ς Σ ?∴ ! ς ≅ = 1 Φ ς Ζ Α Θ ≅ =ΞΗ =, Α Θ · 图 10 波音 “积木式 ”验证研究发展方向 �四 #航空复合材料结构的设计与应用 复合材料应用的主要优势是可以 明显地减轻结构重量 , 但实践证明 , 不进行复合材料 设计技术研究 , 结构设计不能发挥复合材料可剪裁的设计优势 , 很难达到预期 的减重效 果 。 为此 , 国外研究机构针对以下 < 项关键技术开展了研究 。 1 � 提 高复合材料承载能 力 的研究 复合材料的承载能力主要受许用应变的限制 。 但考虑到复合材料受拉时 , 孔边没有 塑性变形的应力松弛及受压时结构在湿热环境下冲击损伤的扩展带来的受压稳定性问题 后 , 许用应变大大降低 口 为了使应力集中对复合材料的影响降到适当的水平 , 复合材料开孔处必须局部加强 。 为降低低速冲击损伤 , 提高结构的承载能力 , 目前除个别部位采用缝纫方法外 , 较为广泛 地采用的方法还包括 7 型钉 、 4 型钉等增强方法 。 ( � 新概念复合材料结构形 式研究 为发挥复合材料的可设计性 , 目前国外利用缠绕 、 ! ∀ 、 &Χ 等特殊 工艺方法 , 设计 和制造出有别于金属结构的新结构形式 , 如机身结构采用缠绕成形复杂的加筋板 。 这些新整体结构形式 , 大大降低零件数量和装配连接 , 也降低 了产品加工成本 。 目前 统计的西方复合材料制件成本 已接近于相应 的铝合金结构成本 。 ∗ � 复合材料的健康监控 、 无损检测 和维修技术 广泛采用复合材料给航空公司使用和维护这些飞机带来新的挑战—在飞机复合材料结构全寿命使用过程中 , 如何监控 由复合材料机体结构并发现其 内部损伤 , 如何判断损 硫女复荟材砰甲杆夏展Ρ研更 “ “ ‘ � 1 0 . 劝迎些二三望』遨遗才进世述途壁叁垦丝查Τ �一伤的部位和程度 , 如何及时报警 。 这些问题引出了复合材料飞机结构应用的关键技术之 一 , 即复合材料监控技术 。 确保复合材料部件产品完整性的主要手段是采用无损检测 。 出厂的产品将用无损检 验作出评估和作为健康监控的基本数据 。 这些技术在波音 −+ − 飞机上得到首次应用 。 复合材料机身的维修问题是波音 −+ − 研制的关键问题 。 研究适合不同工艺和材料的 复合材料修补问题成为复合材料大面积应用的关键问题之一 。 目前各飞机制造公司都具 备一定的维修手段 , 但都不十分满意 ,研究工作仍在进行 。 0 � 复合材料优化设计 基于多约束 、多 目标的复合材料优化技术 , 包括复合材料的优化铺层设计方面的内容 已成为复合材料结构设计的重要研究方向 。 以基于强度和气动弹性的多 目标复合材料机 翼铺层拓扑优化为例 , 实践证 明 , 采用优化技术设计的复合材料翼面比采用常规的设计方 法设计的重量明显减轻 。 复合材料稳定性对铺层次序比较敏感 , 因此需要对铺层次序进行优化设计 。 此外 , 优 化后的结构还应解决其工艺实现的可行性问题 , 5 ∃ Φ 软件可以实现复合材料优化后板铺 层的自动化 。 . � 采用 先进复合材料制造技术的设计 为了降低复合材料的制造成本 , 目前在复合材料结构中广泛采用 了低成本制造新技 术 , 在复合材料结构设计中需要采取适 当的设计考虑 , 使得这些新技术发挥 的效果更 明 显 。 下面给出几种常用的新制造技术 。 �1# 共固化技术 对于采用共固化技术的结构设计应考虑到共固化的工艺可行性和经济性 。 �(# ! ∀ 树脂基转移技术 该技术有利于制造复杂三维曲面零件 ,并可提高结构的抗冲击损伤能力 , 但要保证这 种结构有高承载能力 , 必须在设计上采取措施 , 以保证注塑工艺性好 。 对于该工艺所需较 高价格的模具所带来的成本问题 , 也应予以考虑 。 �∗# & Χ树脂膜熔渗成型方法 该方法和 ! ∀ 有类 似之 处 , 但 是其 对模具 的要 求较低 , 制造成 本可 相应 降低 。 ∃ ∗ +, 飞机机身后增压框采用了 &Χ 成型的双 曲面框结构形式 。 该结构在采用这种工艺 方法制造前 , 采用了只有 8“和 士 0 . 。的“无皱褶 ”铺层方式 。 < � 航空复合材料结构技术的集成验证 “积木式 ”方法是航空复合材料工业界广泛认可的复合材料结构研制 、取证方法 。 鉴 于 目前复合材料结构分析方法能力有限 , 需要采用逐级“积木式”试验方法来逐级揭示可 能出现的失效模式 Ε验证和修正 已在低层次试验 中验证过 的分析方法 Ε允许引人 预制损 伤 , 验证结构承载能力等 。 波音公司自 (, 世纪 +, 年代以 来 , 先后通过美国 Υ ∃ 9 ∃ ∃ 5 ! 计划资助 的 ∃ ! 5 ∃ 9 项 目 , 与 日本研究机构联合开展的 9∀9 9 项 目 , 逐步验证复合材料在大型客机机身应用 的关键技术 。 而空客公司也先后通过实施欧盟的 ! ∃ Υ : 8 和 ∃ %5 ∃ 9 计划 , 开展对大型 10 ‘ 一 ”能户乙两下丽入乙而沁乙污污一ϑ凡五百泊内人口初以厄一亏Σ ϑ幽沈一人丽 一枯己丽口〔Σ酥 一Τ 一全卫逛造一蕉三客开展这些集成验证的成果 , 都直接应用于波音 −− − 、 −+ − 和空客 ∃ ∗ +, 、∃ ∗. Α 的研制 当中 。 三三 、国内外只宁义轰夕析 国内高性能碳纤维技术明显落后于国外 , 中低档碳纤维基本可以实现 自主保障 , 在性 能稳定性和应用工艺性等方面仍需进一步改进 。 我国航空用环氧和双马复合材料的种类 很 多 , 牌号为 ., 多种 , 技术相对成熟 , 已经在飞机承力和非承力结构等领域得到了广泛应 用 , 但复合材料 的综合性能不如国外 , 应用相对落后 。 和 国外相 比 , 国内氛酸醋原材料基 础薄弱 , 复合材料产品种类少 , 稳定性有待改进 , 应用规模小 。 新型航空高性能复合材料 品种缺乏突破性发展 。 国内航空业在军用飞机复合材料结构件 的研发与生产上有较好的基础 , 但在 民用飞 机复合材料结构件的生产上经验较少 。 国内一些主要航空企业已基本具备复合材料蜂窝 夹芯结构 , 加筋壁板结构 、雷达罩 、垂尾壁板及内饰等结构的生产 , 树脂 、预浸料生产线 、蜂 窝生产线 、复合材料构件的传统热压罐成型及液态成型的研制和生产能力 以及模具设计 、 连接及加工技术 、无损检测技术 、5 ∃ Φ ) 5 ∃ ∀ 应用技术研究能力 。 国内在大型航空复合 材料结构制造工程能力与经验等方面与国外差距显著 , 自动化制造装备与配套 的材料技 术刚刚起步 , 低成本制造技术的工程应用未见突破 , 大尺寸主承力结构制造技术的工程应 用经验还很缺乏 。 在研发理念与技术储备方 面差距更大 , 主要体现在工艺设计依赖经验 性的试错方法 、对于降低制造成本缺乏系统思路 、制造技术仍然以跟踪仿制为主 、民机适 航审定要求的标准规范处于编制阶段 、基础研究与工程技术开发比较脱节 。 国内在航空复合材料表征分析方面已经建立 比较完整的测试标准体 系 , “积木式 ”方 法在型号研制过程中已经开始得到部分应用 , 结构强度试验技术具备了 比较系统 的发展 基础和工程应用经验 。 国内外的差距主要体现在分析计算方法的能力和所起的作用等方 面 。 发达国家在大量系统研究的基础上 , 建立了完善的模拟与实验评价体 系 , 包括复合材 料性能衰变 、损伤演化和耐久性分析理论 、实验测试方法 和模拟软件 , 能对服役条件下复 合材料结构的性能演化进行有效预测与评价 。 而国内尚处于不重视分析方法 的建立 、基 本依赖试验的阶段 , 试验矩阵规划 、试验标准的建立缺乏针对性的研究基础 , 可以在工程 应用中发挥核心作用的自主开发软件基本空白 , 无法实现“积木式 ”方法 当中各层次试验 与分析一致的基本要求 , 因而造成重复性试验量大 、试验周期长 , 能够给 出有用 的失效信 息 �破坏性试验 #的试验总是局限于体系的一小部分和很少的失效模式 , 不能提供失效相 似性或失效结果的信息 , 必然导致成本 、时间和结构效率的代价 。 我国航空复合材料结构应用技术的发展从 (, 世纪 +, 年代开始 , 经过 (, 多年的科研 攻关 , 先后对复合材料在军用飞机垂尾 、前机身 、平尾直至机翼结构的应用进行研究 , 积累 了大量的设计 、制造经验 。 (, 世纪 >, 年代中期 , 我国开展运七飞机复合材料垂尾应用研 究 , 该复合材料垂尾通过了结构地面验证 和适航审定卿〕 。 我国的新支线客机 ∃ φ( 1 在 次要承力构件上应用 了复合材料 。 ( ,1 , 年 1, 月 , 国产 5 > 1> 大型客机后压力框部段样件 的研制成功 , 为 5 [ Β[ 大型客机项 目复合材料技术应用积累了宝贵经验 。 虽然我国航空 祝女一夏奋材砰甲科夏展拼免一 10 − 戈# 丝卫生巡竺丛全生刽到当坦选玉色乞一一 , 复合材料结构技术已经有了长足进步 , 现正在研制 1 ., 座级单通道大型客机 5 > 1 > , 但 由 于我国目前仍未建立起完整的大型 民用飞机技术体系 , 航空复合材料结构技术与航空发 达 国家相比还存在较大差距 , 主要表现为 Δ 尚未走完一个 1 ., 座级 以上的大型 民用飞机型 号研制的全过程 , 通过攻关掌握的一些复合材料结构设计关键技术还未得到型号验证 , 未 来宽体 、 中长距离的先进大型客机复合材料主结构设计等核心设计 以及综合集成技术更 是严重匾乏 。 四 、展望与对策 航空装备结构复合材料化已经成为发展的必然趋势 。 为了全面满足新 型先进战机 、 大型飞机等航空装备发展的需要 , 航空高性能复合材料应重点关注以下几个方面 Δ Β# 由于西方国家对先进复合材料技术采取了封锁 政策 公共政策概论形成性考核册答案公共政策概论形成性考核册答案2018本科2018公共政策概论形成性考核册答案公共政策概论作业1答案公共政策概论形成考核册答案 , 我们发展复合材料技术必须 结合我国大型飞机 、新一代歼击机和临近空间飞行器等的发展需要 , 立足我国现有技术基 础 , 借鉴国外发展模式和成功经验 , 走 自主创新 的发展道路 。 (# 我国先进复合材料在航空领域要获得持续稳定 的发展 , 就必须进一步采取切实的 措施支持与推动国产碳纤维的稳定发展 。 同时 , 还要不失时机地发展碳纳米管纤维增强 复合材料 , 以缩短与国外的差距 , 满足国防和国民经济领域对先进复合材料的需求 。 ∗# 围绕先进航空复合材料结构的应用要求 , 消除过去研究中资源利用率低的现象 , 大 力整合资源 , 实现资源共享 , 注重军 民结合 Ε 强调技术 向成果转化 , 边研究 , 边制造 , 边应 用 , 快速推进复合材料技术工程化应用 Ε加强风险意识 , 采取积极的应对措施 。 0# 要充分利用以往储备的技术经验 , 巩固已有成果 , 针对发展航空复合材料技术的薄 弱环节 , 重点开展和突破相关新技术和关键技术 , 促进复合材料技术的全面深化和发展 , 为我国大型飞机 、新一代歼击机和临近空间飞行器复合材料的高效应用提供技术保障 。 .# 以服务大飞机材料技术需求为牵引 , 立足长远 , 制订合理的研究计划 , 加快复合材 料技术和产业的发展 Ε 同时加强专业技术人才的培养工作 , 为整体技术的后续发展储备技 术力量 , 最终使我国复合材料发展达到世界先进水平 。 参考文献 〔1 〕陈祥宝 , 张宝艳 , 邢丽英 � 先进树脂基复合材料技术发 展及应用现状 Νφ〕� 中国材料进展 , ( , ,> , (+ �< # Δ ( 一1 ( � 「( Ο 《中国军工材料体 系》总 编委会 � 中国军工材料体 系 �航空 · 飞 机 # Ν ∀」� 北 京 Δ 国防工业 出 版 社 , ( , , 0 · Ν ∗ 〕陈绍杰 � 聚焦碳纤维 Ν φ〕� 高科技纤维与应用 , ( , ,< , ∗ 1 �1 # Δ 1 一+� 「0 〕陈绍杰 � 碳纤维再聚焦 Ν φ〕� 高科技纤维与应用 , ( , ,> , ∗ 0 �1 # Δ 1 一+� 「. 」贺福 � 碳纤维及其应用技术 Ν∀ Ο � 北京 Δ 化学工业 出版社 , ( , , 0 � 「< 〕陈祥宝 � 高性能树脂基体 Ν∀」� 北京 Δ 化学工业出版社 , 1> >> � 「− 〕陈平 , 刘胜平 � 环氧树脂〔∀」� 北京 Δ化学工业 出版社 , 1 > > −� 1 0 + ” � 户污神乙两丫丽五乙而泌污[ 丙骊葫Σ丽白初丽厄9 5 ,石闪5石 ∃Υ Φ ΧΤ3 52 Υ 8 %8 : 丫 专 题 报 告 〔+ 〕梁 国正 , 顾媛娟� 双马来酞亚胺树脂〔∀〕� 北京 Δ 化学工业出版社 , 1 > > −� 〔> 〕丁孟贤 , 何天 白 � 聚酞亚胺新材料〔∀〕� 北京 Δ科学 出版社 , ( , , (� Ν 1叼 黄发荣 , 周燕 � 先进树脂基复合材料 Ν ∀〕� 北京 Δ 化学工业出版社 , ( , , δ Ν 1 1〕陈祥宝 , 等 � 低成本复合材料技术 Ν ∀」� 北京 Δ化学工业出版社 , ( , ,0 � Ν 1 (〕《中国航空材料手册 》编辑委员会 � 中国航空材料手册 �第 < 卷 复合材料 胶粘剂 #〔∀〕� 北京 Δ 中国 标准 出版社 , ( ,,( � 〔1∗ 〕吴培熙 , 沈健 � 特种性能树脂基复合材料【∀ Ο � 北京 Δ化学工业 出版社 , ( , ,∗ � 【10 〕杜善义 , 关志东 � 我 国大型 客机先进复合材料技术应对策略思 考 Νφ〕� 复合材料学报 , ( , , + , (. �1 # Δ Β一 1 , � 〔1 .〕崔德刚 � 浅谈民用大飞机结构技术的发展「φΟ � 航空学报 , (。。+ , (> �∗ # Δ .− ∗ 一.+ (� 〔1 <〕杨乃宾 � 新一代大型客机复合材料结构〔φ〕� 航空学报 , ( , ,+ , ( > �∗ # Δ .>< 一 <,0 � Ν 1 − Ο ΧΒς ς Γ ϑς Δ % ? , 9 Ζ ϑ=Ψ ∋ φ , 2 Α Ξ = Α Θ 3 � ∃ Σ _ Η Θ ς ς Σ ς Α Ζ Ω Α ≅ϑ=ς ⊥Λ ≅ ς ΒΗ [ ς =ς ςΨ Θ Α ΒΑ [ ∴ Ν ⎯� Υ > . Τ ( > , ∗ 0 , 1 > > . � Ν一+〕ΧΒς ς Γ ϑς Δ % ? , 9 Ζ ϑ=Ψ ∋ φ , 2 Α Ξ = Α Θ 3 , ς = Η Β� ∃ Σ _ Η Θ ςς Σ 。Α Ζ Ω Α ≅ ϑ=ς ⊥Λ ≅ς ΒΗ [ ςΤ ∋ΞΑ [ Ξ ΗΖ Α _ ς Ξ _ ϑς Γ Ν 〕� Υ ∃ 9 ∃ 5 Α Θ = Ξ Η ς = Α Ξ ς Ω Α Ξ = 0 − ∗ 0 , 1 > > − � Ν 1 >〕! Α ≅ Ψ ϑΑ ! � Φ Η Γ Θ Α ⊥ Η Θ ς Γ ς Ξ Η Α ⊥ Λ Θ ϑ_ ς Ξ ≅ϑ=∴Τ ϑΘ Σ Λ ≅ = Ξ ∴ Ξ ς ΒΗ =ϑΑ Θ ≅ ϑΘ φΗ Ω Η Θ Ν φΟ � 9 ∃ ∀∋ 3 φΑ Λ Ξ Θ Η Β , ( , , 0 , 0 , �∗ # Δ . 0 一. − � Ν 7Α ⎯ ! Η⎯ ϑΖ Η Υ , 9 Η β Λ Ξ Η ϑ ! , 9 Η ≅ Η⎯ ϑΖ Η ∀ , ς = Η Β� 8 _ ς Ξ_ ϑς Γ Α ⊥ Σ ς Ζ Α Θ ≅ = Ξ Η =Α Ξ Ω ΞΑ [ Ξ ΗΖ Α ⊥φΗ Ω Η Θ ς ≅ ς ≅ Ζ Η Ξ = Ζ Η Τ =ς Ξ ϑΗ Β≅ Η Θ Σ ≅= Ξ Λ ς = Λ Ξ ς ≅ ≅ ∴≅ =ς Ζ Ω ΞΑ⎯ ς ς = 〔φ〕� ∋Ξ Α ς ς ς ΣϑΘ [ ≅ Α ⊥ 9 ∋Χ3 , ( , , ∗ , . , . 0 Δ 1 < . 一 1 − 0 � Ν ( 1Ο 胡红东 , 孙树栋 � 欧美加强民用航空复合材料技术开发 Ν φ〕� 国际航空 , ( , ,− , . Δ <∗ 一“ � Ν (( 〕孙侠生 , 胡红东 � 国外 民用飞机结构强度技术发展思路研究 Ν φΟ � 航空科学技术 , (。。0 , < Δ ( ∗ 一 (< � Ν (∗ 〕杨乃 宾 , 梁伟 � 大飞机复合材料结构设计导论 Ν∀〕� 北京 Δ 航空工业出版社 , ( , ,> � 撰稿人 Δ 张博明 杨继 萍 琉女夏荟材科甲科夏展�拼更“ “ ‘ 一 1 0 ,