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计算硕士:浅谈飞机复合材料先进制造技术探究

作者:2021-06-03 22:08阅读:文章来源:未知

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[摘要]随着先进复合资料技术和工艺技术的疾速开展,复合资料在飞机上的应用比例稳步增长,应用部位从非承力、次承力构造向主承力和中心部件扩展,本文总结了近年来推进复合资料开展的先进资料技术和制造工艺技术。

 

  [关键词]航空先进复合资料;资料技术;工艺技术

 

  中图分类号:V258文献标识码:A文章编号:1009-914X(2018)01-0310-01

 

  1.引言

 

  航空复合资料是一种由高强度、高刚度加强资料构成的新型资料,具有良好的抗疲倦性、抗腐蚀性等一系列优点。复合资料是综合权衡飞机减重、性能、本钱三方面要素的理想资料,在飞机上大量应用能够明显减轻飞机的构造重量,进步飞机的性能。

 

  2.航空先进复合资料开展剖析

 

  复合资料原资料方面,航空用各种树脂基复合资料程度有大幅度进步。在碳纤维资料方面,大丝束12k、24k已逐步替代3k及6k,高强度的T700S及T800S已开端普遍消费。以977-3/IM7和3900/T800S为代表的环氧树脂复合资料已开展到第二代,其CAI到达245~315MPa,可谓数一数二。以5250-4/IM7为代表的双马基高温复合资料已开展到第二代,工作温度到达177℃,普遍用于飞机高温部位。

 

  聚酰亚胺复合资料普遍用于发起机高温部位,缺陷是含二氨基二苯甲烷(MDA)有毒,美国研讨出无MDA的预浸带可用于发起机及飞机;因钛合金稀缺,聚酰亚胺预浸带正研讨用来替代500℃以下的钛合金。美国Amber公司开发的C740阻燃氰酸乙酯树脂与碳纤维组成的资料固化后工作温度可达344℃,可用作无人机S-100的尾喷管及发起机。

 

  3.航空复合资料先进工艺技术开展剖析

 

  航空复合资料先进工艺技术方面,数字化技术、自动化技术、低本钱技术以及先进工艺配备的应用和开展,推进了复合资料工艺技术从以手工制造、模仿量传送为特征的传统技术疾速转变为以自动化制造、数字量传送为特征的先进技术,目前在航空复合资料中得到普遍认可和推行应用的先进制造技术如下:

 

  3.1数字化技术普遍应用

 

  采用数字量方式对产品停止全面描绘和数据传送,完成了设计与制造之间的无缝对接。目前复合资料构件数字化制造主要表现在预浸料自动下料、激光铺层定位和纤维自动铺放等方面。

 

  3.2自动化技术迅猛开展

 

  自动铺叠可成型超大尺寸和外形复杂的复合资料制件,而且质量稳定,工件净近成形,加工切削加工及原资料消耗减少。自动铺带及丝束铺放的资料应用率到达80%~97%,而手工铺层的资料应用率仅为40%,先进铺带技术可降低制形成本30%~50%。据统计,2001年前全球只要缺乏100台自动化复合资料铺层机,到2007年全球具有自动化复合资料构造制造用机器人设备250台。2007年大型民机复合资料构造只要43%是用自动化制造的,估计10年内将到达64%。

 

  复合资料自动化技术包括自动铺带技术(ATL)和自动铺丝(AFP)技术。目前最先进的第五代铺带机是带有双超声切割刀和缝隙光学探测器的十轴铺带机,铺带宽度最大可到达300mm,铺带速度达(1.3~20.4)kg/h,消费效率可到达手工铺叠的数十倍。一切波音787翼面及翼盒构件均采用自动铺带技术制造。

 

  针对复杂双曲率型面,由Hercules率先开发了自动丝束铺放(ATP)。其分离了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保送和铺带技术所用的压实、切割、重送功用分离在一同,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,然后铺放在芯模外表,铺放过程中加热软化预浸纱束并压实定型。目前最新的Viper6000系统能够铺放并控制32个纤维束,每束宽3.2mm,铺层带宽到达10.2cm,铺丝速度可达6.8~11.3kg/h,最高可达23kg/h,丝束的铺放精度到达±1.3mm。

 

  除普遍采用自动化铺层设备外,还普遍采用了大型自动化高速喷水切割机、超声切割机、数控自动化钻铆机、大型剪切螺栓紧固机等。

 

  3.3液态成型、非热压罐固化等多种工艺日趋成熟

 

  VARTM技术是目前液态成形技术中开展得较为完善的一种,在CRJ700/900支线飞机、A380、787机身后压力隔框及A400M货舱门上普遍应用了VAP技术,纤维体积密度到达65%,孔隙率小于0.2%。非热压罐固化虽会使纤维体积含量减少,但其影响甚小,如在VARTM技术中,单向带及织物的纤维体积含量已分别到达60%和56%,而热压罐固化所能到达的相应值也仅为62%和58%。

 

  较之VARTM和RTM更接近传统办法的是采用为非热压罐固化开发的专用预浸料,然后在固化炉中固化。目前,先进复合资料公司的首个热压罐外固化复合资料MTM44-1已获得空客认可用做构造件。

 

  3.4先进无损检测技术的应用

 

  复合资料制件无损检测设备主要需求配置大型超声C扫描设备和X光无损检测设备。此外激光剪切摄影及激光超声检测也是主要开展方向。

 

  在超声检验技术上最重要的停顿之一是相控阵检验的开发。相控阵超声检验与传统超声检验相比,改良了探测的概率,并明显加快了检验速度。

 

  波音及空军实验室等采用了一批先进的无损检测技术。波音公司的挪动式自动扫描机(MAUS)C扫描系统,检测速度9.3m2/h;空军实验室的激光超声检验速度是水浸超声探伤的10倍。此外还有电子剪切成像、相控阵超声等多种办法。

 

  3.5大型工艺配备的树立

 

  波音787的机翼固化用热压罐8m×40m,机身固化热压罐9m×23m。A380固化用热压罐9m×42m,为世界之最。此外还有Viper6000自动铺放机、大型喷水切割机、隔阂成形机以及自动钻铆机等也是重要的大型设备。

 

  大型构件的模具重量太大,重达45360kg,采用复合资料作模具,使波音787的后机身模具重量降低60%。目前还在开发气相堆积薄壳镍基合金模具,低温固化复合资料制的模具、碳泡沫模具以及納米技术改性模具等。

 

  3.6手工铺层在次承力构造制造中仍不可替代

 

  手工铺层在定货量小,质量请求高的场所仍普遍应用。它的优点是可使蒙皮厚度有大的变化,停止部分增强。目前手工铺层运用了许多专用设备来控制和保证铺层的质量,如复合资料预浸料自动剪裁下料系统、铺层激光定位系统等,从而将依赖于榜样的制造过程转变为可依据复合资料设计软件产生的数据文件停止全面运作的制造过程。在某些外形复杂的次承力构件制造中,手工铺层仍是不可取代的。手工铺层的缺陷是请求铺层人员有很高的技艺和施工经历,手工铺贴费工费时,效率低、本钱高(占总本钱的1/4),难以顺应大批量消费和大型复杂复合资料制件的消费请求。

 

  4.结论

 

  先进复合资料在飞机上的应用和开展很大水平上取决于复合资料技术和工艺制造技术的快速进步。在目前及将来一段时期内,在恰当保存传统手工制造的根底上,耐高温、耐腐蚀、高强度等高性能复合资料及数字化、自动化、低本钱制造技术是航空复合资料开展的主要方向。

 

  作者:刘爽

    参考文献 

  [1] 益小苏.先进复合资料技术研讨与开展[M].国防工业出版社,2016,(5). 

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