Komposiitse kärgstruktuuriga võileibkonstruktsioonide rakendused tsiviillennukites

Abstraktne:Tsiviillennukite valdkonnas kasutatakse paljudes rakendustes kasutatavaid kärgstruktuuriga komposiitkonstruktsioone, mida iseloomustab suur tugevus, kõrge erijäikus, madal tihedus, head surve- ja paindeomadused jne. Rakenduse osad hõlmavad kere, mootori kate, kaitsekate, luuk, antenni kate, esiserv ja nii edasi. Suur kärgstruktuuri kihtide rakenduste arv vähendab oluliselt lennuki konstruktsiooni kaalu. Koos vormimisprotsessi edenemisega ja materjali omaduste paranemisega rakendatakse järk-järgult põrandale ja teistele peamistele kandekonstruktsioonidele kärgstruktuuri. Selles artiklis analüüsitakse esiteks kärgstruktuuride uuringute edenemist ja arendusprotsessi. Teiseks lahendab see kärgstruktuuride kasutamise tüüpilistel lennukikomponentidel. Lõpuks tutvustatakse kärgstruktuuriga kihilise struktuuri rakendamise hetkeseisu tsiviillennukite põrandal.

001 Sissejuhatus

Seoses sotsiaalmajandusliku arenguga seisab transpordivaldkonna ees kaks ülesannet, eriti õhutranspordil: konstruktsioonide üldine kaalu vähendamine ja kaalulangetamisega otseselt seotud eeliste küsimus – kütusekulu vähendamine. Konstruktsiooni kaal ja kütusekulu on eriti olulised lennunduses. Praegu kasutatakse kärgstruktuuriga sandwich struktuure laialdaselt lennundustööstuses keredes, luukides, tiibades, sabades, põrandates, kattes ja antenni katetes. Kärgstruktuuriga sandwich-struktuurid pakuvad head tugevuse ja kaalu suhet. Võrreldes komposiitnahadega toimivad need paremini külg- ja paindekoormuse all tänu oma struktuursele kujule, mis koosneb paksust ja kergest südamikust, mis on ümbritsetud kahe õhukese jäiga kihiga.

Kärgstruktuuride suur kasutusalade arv on tänu nende headele surve- ja paindeomadustele õhusõiduki konstruktsioonide kaalu oluliselt vähendanud, nii et kärgstruktuuri kihtkonstruktsioonid liiguvad järk-järgult põhiliste kandekonstruktsioonide, näiteks põrandate poole. Käesoleva töö sisu jaguneb peamiselt kolmeks: esiteks analüüsitakse kärgstruktuuri võileivastruktuuri uurimise edenemist ja arendusprotsessi; teiseks ühendab see kärgstruktuuri tüüpilise õhusõiduki komponentide kasutamise praegu kasutatavate mudelitega; lõpuks tutvustatakse kärgstruktuuriga kihilise struktuuri rakendamise hetkeseisu tsiviillennukite põrandatel.

002 kärgstruktuuri võileiva struktuur

Esmakordselt bioonikast pärit kärgstruktuuriga võileivastruktuuri iseloomustab suur eritugevus, kõrge erijäikus ja kerge kaal võrreldes sama tüüpi tahke materjaliga ning seetõttu on seda laialdaselt kasutatud lennunduses, transpordis ja muudes valdkondades. Komposiitkärgstruktuuriga võileibstruktuur võib tõhusalt parandada painde jäikust ja suurendada võimet taluda paindemomente ja -rõhku väga väikese kaalutõusuga, muutes selle lennunduse jaoks ideaalsemaks kergeks struktuuriks.

Komposiitkärgstruktuurid koosnevad kolmest komponendist: paneelid, kärgstruktuuri südamik ja liim.

(1) Paneel. Paneel on sandwich-konstruktsiooni peamine kandev osa. Võrreldes südamiku materjaliga iseloomustab paneeli materjali kõrge tihedus, kõrge moodul ja kõrge tugevus. Komposiitpaneeli materjal on tavaliselt alumiiniumisulam, titaanisulam, klaaskiuga tugevdatud plastik ja muud materjalid. Enamikku süsinikkiust või klaaskiust ühesuunalistest lint- või kangaskomposiitidest kasutatakse praegu kosmosetööstuses.

(2) Kärgstruktuuri südamik. Kärgstruktuuri jõudlus ja kärje geomeetria on seotud kärjesüdamiku materjaliga. Üldjuhul on kärgsüdamikud vastavalt materjalile saadaval alumiiniumist kärgsüdamikuna, aramiidkärsüdamikena, klaaskiust kärgsüdamikena jne. Aramiidkärjed jagunevad meta-aramiidkärgstruktuuriks ja para-aramiidkärgstruktuuriks. Meso-aramiidkärg on meta-aramiid, mis saadakse m-tolueendikarbonüülkloriidi (MDCL) ja m-fenüleendiamiini (MPA) liidese polükondensatsiooni või madala temperatuuriga lahuse polükondensatsiooni teel. Turul levinuim on meta-aramiid, mille DuPont esmakordselt leiutas ja kasutusele võttis 1960. aastatel. Para-aramiidkärg on p-fenüleendiamiini ja p-fenüleendikarbonüülkloriidi polükondensatsioon, et saada para-aramiid, kaubanimi Kevlar. Olemasolev aramiidkärgstruktuuri südamik on peamiselt meta-aramiid ja para-aramiidi uurimine on väga väike. Peamised kasutusmudelid on toodud tabelis 1. Aramiidpaberi kärg (NOMEX kärg) on ​​valmistatud fenoolvaiguga niisutatud aramiidpaberist. Võrreldes alumiiniumkärjega, on aramiidkärgstruktuuriga kärjed palju vastupidavamad kohalikule ebastabiilsusele, kuna aramiidkärje kärgrakk on paksem kui alumiiniumkärje oma. Nomexi kärgstruktuuri valmistamine koosneb üheksast protsessist: aramiidpaberi liimimine, lamineerimine, pressimine, lõikamine, venitamine, suuruse määramine, kastmine, kuivatamine ja viilutamine. AVIC Composites Co., Ltd. on parandanud aramiidkärgstruktuuri liimimisprotsessi, teinud kindlaks protsessi parameetrid, nagu raku ja paberi paksus, ning tuletanud empiirilise valemi tiheduse reguleerimiseks. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. kasutab kärgstruktuuri valmistamiseks kodumaist aramiidpaberit, surve- ja nihkeomadused on suutnud täita HB5435-89 ja BMS8-124 nõudeid, samuti vastavad dielektrilised ja leegiaeglustavad omadused. standardnõuded. Hiina Yantai Spandex Group Co., Ltd. tütarettevõte Meishi on oma meta-aramiidpaberist valmistanud läbi mitme küpse protsessiga erinevat tüüpi kärgstruktuuri südamikud. Selle südamiku ja kihilise struktuuri tasapinnaline survetakistus ja nihkekindlus toatemperatuuril on võimelised saavutama Boeing BMS8-124 standardi indeksi väärtused ja vastavad mehaaniliste omaduste kasutusnõuetele.

Vahekaardil.1 Kärgstruktuuri peamised rakendusmudelid

(3) Liim. Lennunduse kärgstruktuuride jaoks kasutatav liim on tavaliselt struktuurliim. Struktuurliimid on need, mis taluvad kasutuskeskkonnas ettemääratud aja jooksul märkimisväärset jõudu ning mille tugevus ja vastupidav kasutusiga ühtivad objekti omaga, millele need on liimitud. Vastavalt vaigu maatriks jaguneb üldiselt kolme suurde kategooriasse. Esimese epoksiidi, epoksüvaigu eelisteks on suurepärane töötlus, pikk kasutusaeg ja kõrgeim temperatuuritaluvus kuni 232 kraadi; Teine kategooria on bismaleimiid, mille temperatuur võib ületada 232 kraadi ja mida kasutatakse peamiselt kõrgema temperatuuriga sõjalennukites; Kolmas on tsüanohappe estri tüüp, millel on suurepärane vastupidavus temperatuurile ja dielektrilisusele ning vastupidavus kuumusele ja niiskusele, seega kasutatakse seda peamiselt komponentides, mille elektrilised jõudlusnõuded on komponentidele. Lennunduses tavaliselt kasutatav epoksüvaigust struktuurliim, nagu on näidatud tabelis 2. Ameerika Ühendriikide Hexcel, Cytec ja teised ettevõtted on välja töötanud mitmesuguseid materjalisüsteemi kasutusviise ning viimastel aastatel on kodumaine AVIC Composite Company välja töötanud ka keskmise ja kõrge temperatuuriga liimi. vaigusüsteem, nagu BA9913, BA9916, SY-24C-300 ja nii edasi.

Vahekaardil.2 Kodused ja välismaised lennunduse struktuurliimid

003 Kärgstruktuuri tüüpilised õhusõiduki osad

Mis puudutab suuri tsiviillennukeid, siis Boeing 747 (esmakordselt lendas 9. veebruaril 1969) oli konstrueeritud suure osa konstruktsiooniga sandwich (joonis 1). Sellel on umbes pool tiiva pinnast, sealhulgas esi- ja tagaserv, valmistatud klaaskiust ja Nomexi kärgstruktuurist. Boeing 747-l on kere silindriline kest peamiselt Nomexi kärgstruktuuriga ning põrand, küljepaneelid, ülemised prügikastid ja lagi on samuti kärgstruktuuriga. Enamik klappe on valmistatud samast kärgstruktuurist, kuid kasutatud on ka alumiiniumist kärgstruktuuri ja nahka. B787 kärgstruktuuriga võileivastruktuuri rakendused hõlmavad rooli, lifti, tiivaotsi ja mootori gondleid. Nende hulgas on mootori gondlid ja tõukejõu reversorid valmistatud HexWebi kärgstruktuurist ja HexPly8552/AS4 prepregist. Kerge kaalu ja suure jäikuse ning akustilise neeldumise eelistega on HexWeb kärgstruktuuri kasutanud kõik suuremad mootoritootjad maailmas. Boeing 707 puhul on kärgstruktuuri vaid 8% ja uuemal Boeing 757/46 puhul 46% kärgstruktuuri.

Joonis fig.1 Illustratsioon B747 sandwich-struktuuri rakenduse osast (sinine ala)

Suurte tsiviillennukite kasutamisel on kärgstruktuuriga sandwich-struktuur kõige varasem Airbus A310 lennuki roolis ja seejärel kasutatud A320, A340 roolis. Suurim kärgstruktuuriga võileivakonstruktsioon on A340 rool, mille pindala on 15,3 m²kärgstruktuuriga. Suurim ühe lennuki doos A380 lennuki jaoks, selle kärgstruktuuri kiht oli 4,000 m², mida kasutatakse peamiselt suurte konstruktsioonikomponentide jaoks, sealhulgas kõhukatte, põrandakate jne. Põrandakate on peamiselt valmistatud MC GillCorpi kihtpaneelidest Gillfab4909. Kevlar kärgstruktuuriga. Airbus A380 põrandakonstruktsioon on valmistatud suurest hulgast Nomexi kärgstruktuuriga võileivakomposiitmaterjalidest, mis on suurepärased materjalid, mis võimaldavad A380 kasutusiga 20,000 tundi, tagades selle, et lennukit saab kasutada. rohkem kui 10 aastat. Sellest ajast alates on komposiitide kasutamine oluliselt suurenenud, eriti seoses ATR72-ga, mis oli esimene tsiviillennuk, mis sai sertifikaadi süsiniku põhikonstruktsiooniga (tiivakast) (vt joonis 2). Nagu on näidatud joonisel 3, on sandwich-materjalide osakaal sekundaarstruktuurides vähenenud. A380, Boeing 787 või Airbus A350 puhul on ainult kõhukate, gondlid ja esiteliku uksed, osa siivet ja roolid endiselt sandwich-konstruktsioonist, ülejäänud on isetugevduvad monoliitsed konstruktsioonid.

Joonis 2 ATR72 komposiitide rakendamine

(a) A380 kihiline struktuur (b) Komposiidi komplekti A350 ja B787 kihiline struktuur struktuur

Joonis fig.3 Lennuki sandwich-struktuuri skeem

Võrreldes tsiviillennukitega väljendub kärgstruktuuri kasutamine üldlennukites peamiselt kere kasutamises, nagu HawkerBeechcrafi PremierI, Hawker 4000 ja "peaminister" IA lennukid, Bombardier Aerospace Learjet 85 lennukid jne. PremierI on esimene FAA sertifikaadiga komposiitmaterjalist kerega reaktiivlennuk, kogu kere on valmistatud kärgstruktuuriga süsinikpaneelidest, kogupaksus 20,6 mm, kere on sõrestike ja raamideta, võrreldes traditsioonilise alumiiniumkonstruktsiooniga. vähendada kaalu 25% ja suurendada salongi ruumi 13% võrra. Hetkel tootmises oleva Hawker 4000 lennuki kerekonstruktsioon koosneb kolmest tiibade juurest ühendatud tünnikonstruktsioonist, tünnid on kärgstruktuuriga võileibkonstruktsioonid ning nahk laotakse MAG Cincinnati automaatse traadipaigaldusmasina Viper abil. Nomexi kärgstruktuuriga võileivastruktuuri komposiitkomponente kasutatakse Venemaal paljudes rakendustes selliste õhusõidukite komponentide jaoks nagu klapid, eleronid, kere seinapaneelid, mootorid, kokpitsid, lastiruumid, horisontaalsed sabad, tiiva esiservad, helikopteri rootori sabatalad ja muud õhusõidukid komponendid.

AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. ja teiste üksuste kodumaine toodang suurel hulgal vaigumaatriksiga komposiitmaterjale (nagu tiib, mõla, lame saba ja rootor jne) ning Nomexi kärgstruktuuriga võileivastruktuuriga komposiitmaterjale (kere) paneelid, põrandad, tagatalad jne), mis vähendab oluliselt kogu kere massi, parandab komponentide väsimustugevust ja aerodünaamilisi omadusi, et tõsta helikopteri lennukvaliteeti. Hinnanguliselt valmistatakse Nomexi kärgstruktuuriga võileivakomposiitidest lisaks mootorile ja jõuülekandele ligi 300 lennukiosa. Kõik osad kasutavad Nomexi kärgstruktuuri materjale, millel on 3 tihedust ja 12 spetsifikatsiooni. Nomexi kärgstruktuuri südamiku materjalide kogus kogu keres on üle 200 m2 ja selle leviala moodustab umbes 80% kogu kerest, mis on üks lennukitüüpidest, mis kasutab praegu Hiinas enim Nomexi kärgstruktuuriga sandwich struktuurkomposiite. .

004 Kärgstruktuuri kasutamine tsiviillennukite põrandatel

4.1 Lennuki reisijate- ja lastiruumi põrandakatete uurimise staatus

Tavalised lennukipõrandad reisijate- ja lastipõrandad on valmistatud metallist. Igal korrusel on sadu neete ja kruvisid, kuid tuleb kasutada ka elastseid padju ja kerekonstruktsiooni isolatsiooni ning seetõttu kulukas. Ja komposiitmaterjalide kasutamine võib oluliselt parandada põrandakonstruktsiooni tugevust, jäikust, väsimust ja korrosioonikindlust, vähendada pistikuid suurusjärgus ja oluliselt vähendada põrandakonstruktsiooni kaalu.

Lennuki põranda komposiitkihilise struktuuri paneel on tavaliselt valmistatud klaaskiust prepregist, süsinikkiust ja kevlari prepregmaterjalist ning maatriks on valitud epoksüvaigu või fenoolvaigu hulgast. Kärgstruktuuri südamikke kasutatakse tavaliselt koos Nomexi kärgstruktuuriga.

Joonis fig.4 Lennuki reisijate- ja kaubaruumi põrandakate

4.2 Sandwich-konstruktsioonide paigaldamine põrandatele

Boeingi Chinooki tsiviilhelikopteri Model 234 salongi põhipõrand on 2,5x2,2 meetrit ja koosneb neljast paneelist. Paneelid on klaaskiud/Kevlar49 komposiitmaterjalid Nomexi kärgstruktuuri südamikuga ning sandwich-põrandal on neli ülemise ja alumise paneelikihi kihti, mis on sümmeetrilised keskel oleva kärgstruktuuriga südamikuga. Esimene ja teine ​​kiht on 0 kraadi klaaskiust prepreg ning kolmas ja neljas kiht on 0 kraadi suunas Kevlar49 fiiberprepreg. Nomexi südamiku kõrgus on 38 mm, elemendi pikkus 2 mm ja tihedus 48 kg/m3. Paneelid ja südamik on kokku liimitud EA9 kleepkilega. Komposiit-sandwich-struktuur on valitud ka Boeing 777, Boeing 787 Dreamlineri ja teiste lennukimudelite salongi põrandale.

MC GillCorp. Gillfab4223 sandwich-struktuuriga paneelide valik klaaskiust kangast, fenoolvaigu maatriks, GillcoreHD meta-aramiidkärgstruktuuri südamik, epoksüsüsteemi liimkile valik. Kogu sandwich-konstruktsiooni paksus on 12,6 mm, ülemise paneeli paksus 1,27 mm ja alumise paneeli paksus on 0,508 mm. Gillfab4223 sandwich-struktuuri kasutatakse Airbus A318/ A319/ A320/ A321/ A330/ A340/ A300/ A310/ A300-600. MC GillCorp. Gillfab4505 kihilise struktuuriga paneelide tootmine süsinikkiust ühesuunaline rihm (klaaskiust prepregi pinnakiht), fenoolvaigu maatriks, GillcoreHD meta-aramiidkärgstruktuuri südamik, epoksüsüsteemi liimkile valik. Kogu sandwich-konstruktsiooni paksus on 9,5 mm ning ülemise ja alumise paneeli paksus on 0,5 mm. Gillfab4505 sandwich-struktuuri kasutatakse lennukites Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340.

Fokker 100 kaubapõrand on suhteliselt lihtne struktuur, mis on komposiitkihiline struktuur, mille väliskiht koosneb suure jõudlusega termoplastsetest komposiitmaterjalidest ja mille südamik on Nomexi kärgstruktuuri. Nahk ja südamik liimitakse kokku epoksükilega.

Nomexi kärgstruktuuri teatud mudeli lastiruumi põrand valmistati kuumpressimise teel, kasutades Niu Fangxu jt paneeli toorainena isevalmistatud klaaskiuga tugevdatud fenoolvaigu prepregi. Põranda mehaanilisi ja leegiaeglustavaid omadusi hinnati süstemaatiliselt ning analüüsiti prepreg-tüüpi, kõvenemistemperatuuri ja vormimisprotsessi mõju kärgpaneelide mehaanilistele omadustele ning mõjutegureid. uuriti kärgpaneelide leegiaeglustavaid omadusi. Tulemused näitavad, et isevalmistatud prepregiga valmistatud kaubaruumi põranda mehaanilised omadused on suurepärased, kusjuures pika tala paindekoormus on kuni 4348N, läbipaine vaid 6,79 mm koormuse korral 445N, löögikindlus kuni 4348N. 17,1 J ja rulli koorimistugevus kuni 66,4 N-mm/mm ning samal ajal vastab rangetele leegiaeglustuse nõuetele, mis võimaldab põrandakattematerjalide lokaalset asendamist õhusõiduki puistlasti ruumis.

005 Järeldus

Kõrge tugevuse, kõrge erijäikuse ja väikese tihedusega kärgstruktuuri, millel on head surve- ja paindeomadused, on kasutatud paljudes rakendustes tsiviillennukite valdkonnas. Selles artiklis analüüsitakse kärgstruktuuri kihilise struktuuri uurimise edenemist ja arendustegevust, käsitletakse täiendavalt selle rakendamist tüüpilistes lennukikonstruktsioonides ning jõutakse järeldusele, et kodumaiste lennukite C919/C929 väljatöötamisel ja tootmisel on lennukipõrandate komposiitkihtstruktuuril lai valik rakendusi. väljavaated. (Allikas: Fiber Composites)