Komposiitkärgstruktuuri võileibkonstruktsioonide rakendused tsiviillennukites

Abstraktne:Tsiviillennukite valdkonnas kasutatakse paljudes rakendustes kasutatavaid komposiitkärgstruktuuri, mida iseloomustab suur tugevus, kõrge erijäikus, madal tihedus, head surve- ja paindeomadused jne. Rakenduse osad hõlmavad kere, mootori kate, kattekiht, 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 sotsiaal-{0}}majandusliku arenguga on transpordivaldkonnal, eriti õhutranspordil, ees kaks ülesannet: konstruktsioonide üldine kaalu vähendamine ja kaalu vähendamisega otseselt seotud eeliste küsimus - kütusekulu vähendamisega. 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{5}}ja-massi suhet. Võrreldes komposiitnahkadega toimivad need paremini külg- ja paindekoormuse all tänu oma struktuursele kujule, mis koosneb paksust ja kergest südamikust, mida ümbritseb kaks õhukest jäiga kihti.

Kärgstruktuuride suur kasutusalade arv on tänu nende headele surve- ja paindeomadustele õhusõidukite konstruktsioonide kaalu oluliselt vähendanud niivõrd, et kärgstruktuuri kihtkonstruktsioonid liiguvad järk-järgult põhiliste kandekonstruktsioonide, näiteks põrandate poole. Käesoleva töö sisu jaguneb peamiselt kolmeks osaks: 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 koormust{2}}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 on saadud m-tolueendikarbonüülkloriidi (MDCL) ja m-fenüleendiamiini (MPA) liidese polükondensatsiooni või madala{10}}temperatuuri lahuse polükondensatsiooni teel. Turul levinuim on meta{14}}aramiid, mille leiutas ja võttis kasutusele DuPont 1960. aastatel. Para-aramiidkärgstruktuuriks on p-fenüleendiamiini ja p-fenüleendikarbonüülkloriidi polükondensatsioon, et saada para-aramiid, kaubanimi Kevlar. Olemasolev aramiidi kärgstruktuuri tuum 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 kärgstruktuuriga võrreldes palju vastupidavam 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, kõvendamine ja slick. 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 vastata standardite HB5435-89 ja BMS8-124 nõuetele, dielektrilised ja leegiaeglustajad vastavad ka standardnõuetele. 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.

Tab.1 Kärgstruktuuri peamised kasutusmudelid

(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 on samad, mis on objektil, 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, millel on komponentide elektrilised jõudlusnõuded. Lennunduses tavaliselt kasutatav epoksüvaigu struktuurliim, nagu on näidatud tabelis 2. Ameerika Ühendriigid 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 vaigusüsteemi, nagu BA9913, BA9916, SY-24C ja nii edasi.

Tab.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, 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 puhul 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 kihilise struktuuriga. Suurim üksik-lennuki doos A380 lennuki jaoks, selle kärgstruktuuri kihtstruktuuri maht ulatus 4000 m², mida kasutatakse peamiselt suurte -mõõtmetega konstruktsioonikomponentide jaoks, sh kõhukatte, põrandakate jne. Põrandakate on valmistatud peamiselt ettevõtte MC GillCorpi Gillfab4909 sandwich-paneelidest. Kevlar kärgstruktuuriga. Airbus A380 põrandakonstruktsioon on valmistatud suurest hulgast Nomexi kärgstruktuuriga võileivakomposiitmaterjalidest, mis on suurepärased materjalid, mis võimaldavad A380 tööiga saavutada 20 000 tundi, tagades, et lennukit saab kasutada üle 10 aasta. 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 ilmneb 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-sertifitseeritud kogu-komposiitkerega reaktiivlennuk, kogu kere on valmistatud kärgstruktuuriga süsinikpaneelidest, kogupaksus 20,6 mm, kere on sõrestike ja raamideta, võrreldes traditsioonilise alumiiniumkonstruktsiooniga, et vähendada ruumi ca 213%, mahuti kaalu on suurendatud 213%. Praegu tootmises oleva Hawker 4000 lennuki kerekonstruktsioon koosneb kolmest tiibadega ühendatud tünnikonstruktsioonist, tünnid on kärgstruktuuriga võileibkonstruktsioonid ja nahk paigaldatakse MAG Cincinnati automaatse traadi{10}}paigaldusmasina Viper abil. Nomexi kärgstruktuuriga võileivastruktuuri komposiitkomponente kasutatakse Venemaal paljudes rakendustes selliste õhusõiduki komponentide jaoks nagu klapid, eleronid, kere seinapaneelid, mootorid, kokpitsid, lastiruumid, horisontaalsed sabad, tiiva esiservad, helikopteri rootori sabatalad ja muud õhusõiduki osad.

AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. ja teiste üksuste kodumaine tootmine suurel hulgal vaigumaatriksiga komposiitmaterjale (nagu tiib, mõla, lame saba ja rootor jne) ja Nomexi kärgstruktuuriga kihilise struktuuriga komposiitmaterjale (kerepaneelid, põrandad, sabatalad jne), mis vähendab oluliselt komponentide tugevust, tugevust ja üldist tugevust. parandab aerodünaamilisi omadusi, et parandada 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 südamikumaterjalide kogus kogu keres on üle 200m2 ja selle leviala moodustab umbes 80% kogu kerest, mis on üks lennukitüüpidest, mis praegu Hiinas enim Nomexi kärgstruktuuriga sandwich struktuurkomposiite kasutab.

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 põranda struktuuri 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 prepregist 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-kraadise klaaskiu prepreg ning kolmas ja neljas kiht on 0-kraadise suunaga 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 kihilise struktuuriga paneelide valik klaaskiust kangast, maatriks fenoolvaigu jaoks, südamik GillcoreHD meta-aramiidkärgstruktuuri jaoks, epoksüsüsteemi liimkile valik. Kogu sandwich-konstruktsiooni paksus on 12,6 mm, ülemise paneeli paksus on 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 valik süsinikkiust ühesuunalise rihma (klaaskiust prepregi pinnakiht), fenoolvaigu maatriksi, GillcoreHD meta-aramiidkärgstruktuuri südamiku, 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 konstruktsioon, mis on komposiitkihiline struktuur, mille väliskate on 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 toormaterjalina{0}}isevalmistatud klaaskiuga tugevdatud fenoolvaigu prepregi. Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. poolt hinnati süstemaatiliselt põranda mehaanilisi ja leegiaeglustavaid omadusi ning analüüsiti prepreg tüübi, kõvenemistemperatuuri ja vormimisprotsessi mõju kärgpaneelide mehaanilistele omadustele ning uuriti kärgpaneelide leegiaeglustavate omaduste mõjutegureid. Tulemused näitavad, et omatehtud prepregmaterjaliga valmistatud kaubaruumi põranda mehaanilised omadused on suurepärased: pika tala paindekoormus on kuni 4348 N, läbipaine 445 N koormusel on ainult 6,79 mm, löögijõud kuni 17,1 J ja rullide koorumistugevus kuni 4 mm, {6 mm ja 6 mm. aja jooksul, vastates rangetele leegiaeglustuse nõuetele, mis võimaldab põrandakattematerjalide lokaalset asendamist lennuki puistlasti ruumis.

005 Järeldus

Suure tugevuse, suure erijäikuse ja väikese tihedusega kärgstruktuuri, millel on head surve- ja paindeomadused, on kasutatud paljudes rakendustes tsiviillennukite valdkonnas. Selles artiklis analüüsitakse kärgstruktuuriga kihtstruktuuri uurimise edenemist ja arendusseisundit, käsitletakse veelgi selle rakendamist tüüpilistel lennukikonstruktsioonidel ning jõutakse järeldusele, et kodumaiste õhusõidukite C919/C929 väljatöötamisel ja tootmisel on lennukipõrandate komposiitkihtstruktuuril palju kasutusvõimalusi. (Allikas: Fiber Composites)