商用飛機復合材料機翼壁板商用飛機復合材料機翼盒段三、國外民機結(jié)構技術發(fā)展計劃成果的應用情況ACT計劃復合材料機身

B7E7機體結(jié)構、機翼主承力盒段將采用碳纖維復合材料-鈦合金層壓板，復合材料機身，以及采用非熱壓罐的真空輔助樹脂傳遞模塑工藝（VaRTM）制造的復合材料前機身等。先進復合材料、下一代合金以及纖維—金屬層合板的最終用量會達到50%以上。787的設計思想與ACT和AST計劃所取得的成果有著直接的關系。

B787復合材料機身整體結(jié)構驗證樣段(7米長、6米寬)，可顯著減少零件數(shù)量，減重約達20%。飛機復合材料機翼主起落架接頭三維編織機身舷窗窗框復合材料機身壁板比強度和比剛度飛機結(jié)構上使用的復合材料以碳纖維/環(huán)氧樹脂為代表，它具有高的比強度(b/)和比剛度(E/)，可使飛機的結(jié)構重量大幅度減小。表1-3列出了幾種單向復合材料與常用金屬材料性能的比較。更為先進的T800/改性環(huán)氧樹脂的比強度可高出鋁合金10倍，比剛度高出4倍。表1-3幾種結(jié)構材料性能比較拉伸強度(MPa)拉伸模量(GPa)比強度MPa/(g/cm3)比剛度GPa/(g/cm3)密度(g/cm3)鋁合金42072.0151.125.92.78鋼(結(jié)構用)1200206.0152.926.37.85鈦合金1000116.7221.225.84.52玻璃纖維/聚酯復合材料124548.2623.024.12.0高強度碳/環(huán)氧樹脂1471137.3101494.71.45高模量碳/環(huán)氧樹脂1049235.0656.0146.91.60芳綸/環(huán)氧樹脂137378.4981.056.01.40一、民機發(fā)展與復合材料應用B707B737B747B757B767B777B787B727B717A350B747-8更安全更經(jīng)濟更舒適更環(huán)保技術發(fā)展方向產(chǎn)品發(fā)展方向全譜化系列化A380復合材料應用水平不斷提高

復合材料機身與機翼復合材料機翼A380復合材料部件(用量23%)Boeing787結(jié)構材料構成復合材料層合板復合材料夾芯結(jié)構玻璃鋼復合材料鋁合金鈦合金結(jié)構的主要材料構成Boeing787機身結(jié)構特征桁條抗剪帶蒙皮地板帶框全復合材料機身具有良好的抗疲勞與抗腐蝕性能，可以使座艙：承受更大的壓力提高的濕度安裝更大的視窗空客飛機進化技術特征

雙人駕駛艙雙發(fā)雙通道飛機側(cè)桿控制器碳纖維復合材料中央翼盒全新氣動技術機翼A310A300A320A380A340A300B2A310-200A320-200A330-300A340-300A340-600碳纖維復合材料垂尾第二代數(shù)字飛控系統(tǒng)變頻發(fā)電機碳纖維復合材料乘客艙后端密封球形隔墻1970198019902000A380高性能輕質(zhì)結(jié)構用量達62%空客第一架全復合材料機翼飛機在中型民機中燃油消耗最低–百公里2.5升/人機組人員休息不占用座艙空間超寬客機—A350051015202530354045197019751980198519901995200020052010復合材料結(jié)構重量與飛機結(jié)構重量之比%A300A310-200A320A340-300A340-600A380A400M服役起始年空客飛機復合材料應用發(fā)展歷程A350Airbus復合材料技術發(fā)展歷程1980-19901990-20001970-19802000-20101970-19801980-19901990-20002000-2010A310-300+升降舵+垂尾盒段件A400M+機翼+機身A300-B2整流裝置雷達罩A310-200+方向舵+擾流片+阻力板

A320-200+發(fā)動機整流罩+高抗扭盒段件+起落架艙門+副翼+襟翼+油箱高抗扭盒段件

A330-300A340-300+機翼前緣+龍骨梁+客艙后密封球形隔墻A340-600/500A380+中央翼盒+翼肋在過去的三十多年里，AIRBUS不斷地把加大復合材料在飛機的應用時不時，積累了豐富的經(jīng)驗與教訓單通道飛機–A320系列襟、副翼，擾流片機翼前緣/導流片發(fā)動機整流罩垂尾平尾密封球形隔墻長航程A340-600J-形機翼前緣龍骨梁空中巨無霸A380-800中央翼盒后機身19截面后機身19.1截面

副翼導軌安裝梁及側(cè)壁板翼肋預浸料–自動預浸帶鋪迭制件A340高抗扭壁板A380襟翼蒙皮A380中央翼盒壁板纖維鋪放A380后機身大型復雜形狀復合材料構件優(yōu)化后的復合材料鋪層在A380上的首次使用 纖維鋪放機液體樹脂滲透技術的應用鋪覆編織帶客艙后密封加筋球形隔墻A380客艙后密封加筋球形隔墻樹脂轉(zhuǎn)移模塑工藝A380后機后框A380副翼梁A380連接件A380centrewingboxA380中央翼盒大型商用運輸機復合材料應用發(fā)展大型商用運輸機復合材料用量Airbus:A-340復合材料用量占飛機總重13%A-380復合材料用量占飛機總重20%Boeing:B-777復合材料用量占飛機總重10%B-7E7復合材料用量計劃占飛機總 重50%以上B-777復合材料使用情況

A-380復合材料使用情況軍用飛機復合材料應用發(fā)展F-18EF戰(zhàn)斗機復合材料占19%AV8-B鷂式戰(zhàn)斗機復合材料占26%EF-2000中機身復合材料上壁板F-22復合材料用量占飛機總重26%F-22復合材料應用情況機翼：蒙皮——碳/雙馬中梁——碳/環(huán)氧機身：鈦合金、鋁合金、復合材 料平尾安定面：碳/雙馬蒙皮鋁蜂窩夾層板垂尾安定面：碳/雙馬蒙皮、碳/環(huán)氧梁操縱面：復合材料蜂窩夾層板F-22復合材料機翼組裝情況B-2轟炸機（1989年首飛）B-2轟炸機復合材料使用情況機翼：蒙皮和內(nèi)部結(jié)構為碳/環(huán)氧的蜂窩夾 層板機身：大量使用復合材料

C-17軍用運輸機復合材料使用情況原型機復合材料用于：次要結(jié)構和操縱面1994年將平尾改為復合材料（AS4/Epoxy）1998年通過靜力試驗：

133%UltimateLoad破壞2001年70架飛機全換為復合材料平尾C-17軍用運輸機平尾

C-17軍用運輸機復合材料應用效果

復合材料使用量占總重量8%減重：20%減少零件數(shù)：90%減少緊固件數(shù)：80%降低成本：50%V-22

旋翼機

V-22旋翼機復合材料使用情況機翼：IM6/3501-6機身和尾翼：AS4/3501-6復合材料使用量占總重量41%減重：13%減少零件數(shù)：35%降低成本：22%科曼奇直升機全球鷹無人偵查機捕食者無人偵查機X-45無人戰(zhàn)斗機無人直升機表1-1國外復合材料在軍機上的應用情況國別機種用量(%)首飛時間復合材料體系應用情況美F-1411969硼/環(huán)氧樹脂水平安定面F-151.21972硼/環(huán)氧樹脂水平安定面、垂直安定面、方向舵F-163.41976碳/環(huán)氧樹脂(AS4/3502)進氣道斜板、垂尾、平尾。機翼蒙皮（碳/雙馬來酰亞胺）F/A-18A121978碳/環(huán)氧樹脂除前機身外，包括機翼在內(nèi)的所有蒙皮結(jié)構。前機身邊條、翼根延伸段等AV-8B26.31982碳/環(huán)氧樹脂機翼蒙皮和亞結(jié)構骨架，其機翼70%重量為復合材料結(jié)構。比金屬結(jié)構減重20%以上。機翼梁和肋為“工”形剖面，腹板為正弦波紋板A-612碳/環(huán)氧樹脂機翼蒙皮B-1轟炸機碳/環(huán)氧樹脂、硼/環(huán)氧樹脂、Kevlar49/環(huán)氧樹脂機身大梁、平尾、垂尾、前緣縫翼、襟翼、進氣道斜板、艙門等X-31A171990碳/增韌環(huán)氧(IM6/6376)機翼、機身蒙皮YF-22231991碳/增韌雙馬(IM7/5250-2)機翼、中機身隔框和蒙皮、尾翼F-22241996碳／增韌雙馬(IM6/5250-4)機翼、中機身隔框和蒙皮、尾翼、前機身俄米格297S-3721前掠機翼等雅克-14124機翼、尾翼、部分機身1.42161.4430法Rafale24碳／增韌雙馬(IM6/5245C)機翼、垂尾、鴨翼、副翼、前機身蒙皮幻影4000整體油箱翼盒、尾翼等ASX10碳/環(huán)氧樹脂機翼(壁板尺寸6.34m1.5m)、機身、垂尾瑞典JAS-39301988碳/環(huán)氧樹脂(AS4/8552)機翼、機身、鴨翼、垂尾、進氣道德、英西、意EF-2000301994碳/增韌雙馬(T800/5245)機翼、前機身、中機身、尾翼蒙皮日FS-X~18整體機翼、垂尾、平尾等英美洲豹虎碳/環(huán)氧樹脂機翼、方向舵占結(jié)構重量百分比(%)機型材料表1-2民用飛機結(jié)構用材料重量百分比復合材料鋁合金鈦合金鋼第1代Boing7070.2第2代Boing747A300158176441313第3代Boing767Boeing757A320335.5807876.5264.5141213.5第4代Boing777A340118707576118各向異性和可設計性由單向預浸帶鋪疊并固化而成的層壓結(jié)構是目前飛機復合材料結(jié)構的主要形式。單向帶呈現(xiàn)強烈的正交異性(沿纖維方向的性能與垂直纖維方向的性能差別很大)，可以在不同的方向鋪設不同比例的單向帶，來滿足結(jié)構平面內(nèi)所需方向性能的要求。當然各向異性給結(jié)構設計、分析和制造增加了困難，這也是復合材料結(jié)構設計的特點之一。損傷、斷裂和疲勞行為各向異性、脆性和非均質(zhì)性，特別是層間性能遠低于層內(nèi)性能等特點，使復合材料層壓板的失效機理與金屬完全不同，因而它們的損傷、斷裂和疲勞性能也有很大差別。另一方面，復合材料構件制造目前主要靠人工鋪貼和熱壓成形，再加上加工、運輸過程中可能受到的外來物沖擊，其制件會比金屬制件更易帶有程度不等的缺陷/損傷。表1-4概述了影響復合材料結(jié)構與金屬結(jié)構疲勞和損傷容限的因素比較。(1)主要的缺陷/損傷類型裂紋是金屬飛機結(jié)構的主要損傷形式。復合材料結(jié)構的關鍵缺陷/損傷形式是界面脫膠、分層和低能量(特別是低速)外來物產(chǎn)生的沖擊損傷。沖擊損傷的威脅在于當內(nèi)部產(chǎn)生大范圍基體開裂和分層時，外表面往往仍目視不可檢，但其壓縮承載能力已大幅度下降(外表面目視勉強可檢的沖擊損傷可使其壓縮強度降為無損強度的40%)。分層是復合材料層壓結(jié)構特有的損傷形式。生產(chǎn)過程中工具墜落、撞擊；使用過程中跑道碎石及冰雹、鳥類等外來物沖擊，以及局部層間應力集中或結(jié)構超載，都可能引起內(nèi)部分層。這類損傷的存在和擴展對層壓板或結(jié)構強度和剛度下降的影響是顯著的。(2)缺口敏感性金屬一般都具有屈服階段，而復合材料往往直至破壞其應力-應變曲線仍呈現(xiàn)線性，所以復合材料的靜強度缺口敏感性遠高于金屬。但復合材料的疲勞缺口敏感性則遠低于金屬，其疲勞缺口系數(shù)(一定循環(huán)次數(shù)下，無缺口試件疲勞強度與含缺口疲勞強度之比)遠小于靜應力集中系數(shù)，并且在中長壽命情況下接近于1。疲勞性能金屬對疲勞一般比較敏感，特別是含缺口結(jié)構受拉-拉疲勞時，其疲勞強度會急劇下降，但復合材料一般都顯示有優(yōu)良的耐疲勞性能。另外含沖擊損傷和分層的復合材料結(jié)構在疲勞載荷下，一般很難觀察到它們在疲勞下的擴展，即使出現(xiàn)損傷擴展，也往往出現(xiàn)在壽命后期，并且很難確定其擴展規(guī)律。剛度降對金屬結(jié)構，一般不考慮由疲勞載荷引起的剛度變化，但對復合材料結(jié)構，特別是承受高周疲勞的直升機旋轉(zhuǎn)部件(如旋翼槳葉)，有時需要加以考慮。(5)分散性復合材料靜強度和疲勞強度的分散性均高于金屬，疲勞強度尤為突出，因此在對復合材料結(jié)構進行疲勞驗證時，除壽命分散系數(shù)外