运8系列飞机复合材料结构件设计与研究

照那斯图

摘要 复合材料结构是飞机结构的主要发展方向。本文对国内外民机和军机复合材料结构件使用情况进行分析，对运8系列飞机采用复合材料结构件进行研究，对设计制造方面存在的薄弱环节突破方面提出了可行的方法。

关键词 复合材料；结构件；设计与研究

1.概述

运8系列飞机经过近50年的发展，已经形成3个平台三大系列飞机群，成功交付多架多型号特种飞机、运输机和外贸机。但运8系列飞机结构件仍然使用金属合金材料为主，与国外先进飞机比较，结构效率、经济性和维修性方面存在一定的差距。

波音和空客系列民机，C-17和A400M等军机已经大面积采用复材。复材结构件是减轻结构重量、提高结构效率，改进飞机经济性的主要途径。运8系列飞机结构设计应尽早采取复材结构件，改进飞机使用性、提升竞争力、提高飞机效率、打造先进平台。

2.国外飞机复材使用情况

20世纪70年代开始在飞机上使用复材，刚开始用在非承力结构件，如口盖、舵面、后缘等结构。1982年空中客车公司率先在A310-200飞机上采用碳纤维复材制造的方向舵、升降舵、扰流板和减速板。1987年在A320飞机的水平尾翼和副翼上采用复材。此后空客将A340飞机的垂尾、平尾、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门和整流罩均采用复材。随后研制的A340 500/600飞机又增加碳纤维龙骨梁和复材机身后密封框。这是复材首次被永远气密区结构，该机复材用量达到飞机结构的10%。

A380飞机研制采取了一系列新技术和新材料，大量采用复材。将复材进一步用于非暴露的主要受力结构上，如机翼的主要受力部件中央翼翼盒采用碳纤维强塑料。一架A380飞机复材用量达30t，复材用量达到飞机结构的23%。

B787飞机的机体表面结构基本采用了复材，具体为碳纤维铺层结构、碳纤维夹层结构和玻璃纤维结构。大量使用复材，使B787飞机不仅减轻了重量而且大大提高了飞机结构耐久性，使B787飞机的维修间隔达到1000h，而B767飞机的维修间隔只有500h。

军用飞机，特别是大中型军用飞机复材结构发展虽然没有民机发展迅猛，但总的发展趋势是一致，就是金属结构逐步被复材结构所代替。当前以C-17为代表的大型军用运输机和以A400M为代表的中型军用运输机机体结构材料应用基本体现了复材结构在军用运输机上的总体体现与发展趋势。另外，已有大量的战机和直升机采用了全复材机体结构，如F-22飞机、NH-90、波音-360、V-22、RAH-66直升机等。

3.运8系列飞机复材结构件设计与研究

3.1国内飞机复材应用情况

国内从20世纪70年代初开始在飞机结构中研制和试用复材，前后成功地研制出歼-8飞机的垂尾，强5飞机的垂尾，运7飞机的安定面等等。值得一提的是，国内直升机上复材的应用比例大大超出了固定翼飞机上的应用。

我国所应用的复材技术还都只是停留在手工铺设和热压罐成形等技术层面上，生产出来的产品质量差、合格率低，致使目前复材的生产成本居高不下，产品价格难以下降。

在复材的主要研究应用方面，国内航空复材仍然发展较慢，在材料研究上沒有突破，在设计应用方面没有大的发展。也没有掌握先进的复材工艺技术，一些新材料、新工艺和相关的设计方法，像高效、低成本的编织/RTM、缝合/RFI、自动铺放系统、电子束固化还没有达到工程应用的地步。复材构件的无损检测技术也没有完全掌握，限制了复材构件的应用，与国外先进国家相比，差距很大。

3.2运8系列飞机复材应用情况

运8系列飞机结构基本材料为铝合金金属结构。复材的应用主要集中在有电性能要求的罩子，如机头罩，雷达罩、尾罩等部位。某型号飞机某舱门采用了复材结构，是运8系列飞机首次除电性能要求以外的结构件中采用复材结构件。运8系列飞机其它非承力件和承力件采用复材应用还未真正起步，仅仅选择了方向舵作为复材应用的突破口，尚处于探索阶段。

3.3运8系列飞机复材结构件的设计研究

1）复材结构件应用思路。综合运8系列飞机机体结构，特别是主承力结构采用复材，仍然存在技术风险、材料风险和经济风险。运8系列飞机的复材结构件的应用应借鉴行业内工程经验以及国内复材的发展基础上，从辅助结构件开始到次承力件，再到主承力件，再到大型复杂整体承力件，实现复材结构达到一半以上水平。虽然达到复材应用率达到一半以上存在一定的困难，且需要一段很长的路，但必须尽快采取措施实施，否则很难提高结构效率，很难提高飞机竞争力。

运8系列飞机罩子及某型机某舱门的复材件的成功应用，充分说明，复材非承力件没有存在风险。起落架舱门、各操纵舵面、端板、腹鳍、背鳍等组部件完全可以使用复材结构件。

2）承力复材结构件的设计。由于复材对环境因素的敏感性，破坏形式的多样性，形成了以“设计是主导，材料是基础，制造是关键，检修是保证，目的是应用”的对于各方关系的应用策略，这策略充分说明机体结构选用复材的复杂性，因此，我们在承力结构件采用复材需做以下方面的技术储备或技术攻关。

（1）复材选材研究。复材原材料包括增强材料、基体材料和由它们组成的中间材料预浸料。此外，还有夹层结构所用的蜂窝材料、泡沫材料、胶粘剂和工艺辅助材料。基体和增强材料的不同搭配有不同的材料性能，因此合理选材是复材设计的基础。

（2）典型结构铺层设计研究。复材是可设计的，在结构应用时其层压板可以由不同比例、不同纤维方向的铺层构成。结构铺层设计中包括铺层设计的准则掌握、连接区域设计，避免翘曲等技术要点。

（3）典型结构许用值的测算与研究。复材结构设计许用值与材料许用值不同。结构设计许用值的确定是复材结构设计的关键技术之一。其定义为“保证整个结构的完整性具有高置信度，在许用值的基础上，由设计师规定的设计限制值”。设计许用值是结构设计思想、设计要求的具体体现和设计师设计经验与教训的结晶。

（4）试验验证。由于复材结构缺乏成熟的分析方法和足够的设计与使用经验，复材结构完整性采用全尺寸部件和必要的试样、组合件相结合的多层次设计验证试验方法来保证。对于全尺寸部件的结构试验，模拟诸多的综合环境效应往往十分困难，但是经过恰当组织的积木式验证，可以保证复材结构的强度验证在总体上是完整的。复材的应用需要大量的试验验证。

（5）工艺技术的研究。复材成型和制造工艺是复材应用的关键环节之一。目前广泛使用的复材成型技术有热压罐制造技术、纤维缠绕技术、电子束固化技术、液体成型技术，增强材料预成型体制造技术等等。不同的材料、不同的结构需要不同的制造技术。

（6）健康监控和维修技术研究。复材结构件使用后，在飞机复材结构全寿命使用过程中，如何监控复材结构件其内部的损伤，如何判断损伤部位和程度，如何报警提示已成为难点。复材的强度来自于纤维与机体树脂固化形成结构，一旦损伤分层或纤维断裂，结构强度就要受到很大的损失。复材破损后，很难采用修补金属的方法来修补。研究适合不同工艺和材料的复材修补问题成为复材大面积应用的关键问题之一。目前各厂家使用的修复方法均不是很理想。因此复材结构件的健康监控和修复技术迫在眉睫。

4.结论

先进复合材料具有比强度高、比刚度高、可设计性强、耐腐蚀、尺寸稳定性好以及便于大面积整体成形等独特优点，采用特殊的增强体和基体还具有特殊的电磁性能和吸波隐身作用。虽然我们面临材料、设计、工艺、试验、检测等各个方面都存在困难和挑战，但国内大中型飞机结构对复材的需求和国外飞机结构复材的快速发展已不允许我们再拖延，必须抛弃以往在复材技术研究方面的一些不良做法，吸取国内复材所取得的成果和工程应用经验，总结、提炼和共享，采取灵活多变的合作方式，把运8系列飞机结构复材的应用推向新的台阶。