Aplicații ale structurilor compozite tip sandwich în fagure de miere în aeronavele civile

Abstract:Structurile compozite tip sandwich tip fagure sunt utilizate într-un număr mare de aplicații în domeniul aeronavelor civile, care se caracterizează prin rezistență ridicată, rigiditate specifică ridicată, densitate scăzută, proprietăți bune de compresiune și încovoiere etc. Piesele de aplicare includ fuselaj, capacul motorului, carenajul, trapa, capacul antenei, marginea anterioară și așa mai departe. Numărul mare de aplicații ale structurii sandwich cu fagure reduce semnificativ greutatea structurii aeronavei. Odată cu progresul procesului de turnare și îmbunătățirea proprietăților materialului, structura sandwich cu fagure este aplicată treptat pe podea și pe alte structuri portante principale. Această lucrare analizează în primul rând progresul cercetării și procesul de dezvoltare a structurilor tip sandwich tip fagure. În al doilea rând, rezolvă aplicarea structurilor sandwich tip fagure pe componentele tipice ale aeronavei. În cele din urmă, se introduce stadiul actual al aplicării structurii sandwich tip fagure pe podeaua aeronavelor civile.

001 Introducere

Odată cu dezvoltarea socio-economică, există două sarcini cu care se confruntă domeniul transportului, în special transportul aerian: reducerea greutății globale a structurilor și problema beneficiilor legate direct de reducerea greutății - reducerea consumului de combustibil. Greutatea structurală și consumul de combustibil sunt deosebit de importante în domeniul aviației. În prezent, structurile tip sandwich tip fagure sunt utilizate pe scară largă în fuzelaje, trape, aripi, cozi, podele, carene și acoperiri de antene în industria aviației. Structurile tip sandwich cu fagure oferă un raport bun rezistență-la-greutate. În comparație cu pielea compozită, acestea se comportă mai bine la sarcini laterale și de încovoiere datorită formei lor structurale, care constă dintr-un miez gros, ușor, înconjurat de două straturi subțiri și rigide.

Numărul mare de aplicații ale structurilor tip sandwich cu fagure a redus semnificativ greutatea structurilor aeronavelor, datorită proprietăților lor bune de compresiune și încovoiere, atât de mult încât structurile tip sandwich tip fagure se îndreaptă treptat către structurile portante principale precum planșeele. Conținutul acestei lucrări este împărțit în principal în trei părți: în primul rând, analizează progresul cercetării și procesul de dezvoltare a structurii tip sandwich tip fagure; în al doilea rând, combină aplicarea structurii sandwich tip fagure pe componente tipice de aeronave cu modelele utilizate în prezent; în cele din urmă, se introduce stadiul actual al aplicării structurii sandwich tip fagure pe planșeele aeronavelor civile.

002 Structura Sandwich Fagure

Structura sandwich cu fagure, care a apărut pentru prima dată în bionică, se caracterizează prin rezistență specifică ridicată, rigiditate specifică ridicată și greutate redusă în comparație cu același tip de material solid și, prin urmare, a fost utilizată pe scară largă în aviație, transport și alte domenii. Structura compozită tip sandwich cu fagure poate îmbunătăți în mod eficient rigiditatea la încovoiere și poate îmbunătăți capacitatea de a rezista momentelor de încovoiere și presiunilor cu o creștere foarte mică a greutății, făcându-l o structură ușoară mai ideală pentru aviație.

Structurile compozite tip sandwich tip fagure constau din trei componente: panouri, miez de fagure și adeziv.

(1) Panoul. Panoul este partea principală care suportă sarcina-a structurii sandwich. În comparație cu materialul de bază, materialul panoului se caracterizează prin densitate mare, modul ridicat și rezistență ridicată. Materialul panoului compozit este de obicei aliaj de aluminiu, aliaj de titan, plastic armat cu fibră de sticlă și alte materiale. Majoritatea benzilor unidirecționale sau compozitelor de țesături din fibră de carbon sau fibră de sticlă sunt utilizate în prezent în structurile aerospațiale.

(2) Miez de fagure. Performanța structurii sandwich cu fagure și geometria fagurelor sunt legate de materialul miezului de fagure. În general, miezurile de fagure sunt disponibile ca miez de fagure de aluminiu, miez de fagure de aramid, miez de fagure din fibră de sticlă etc., în funcție de material. Fagure de aramid este împărțit în fagure meta-aramid și fagure para-aramid. Fagure de mezo-aramidă este o meta-aramidă obținută prin policondensarea interfacială sau prin policondensarea la-soluție la temperatură joasă a clorurii de m{-toluen dicarbonil (MDCL) și m-fenilendiaminei (MPA). Cel mai comun de pe piață este meta-aramidul inventat și pus în uz prima dată de DuPont în anii 1960. Fagure de para-aramidă este p-fenilendiamină și policondensare a clorurii de p{-fenilendicarbonil pentru a obține para-aramidă, denumire comercială Kevlar. Miezul de fagure aramid existent este în principal meta-aramidă, iar cercetarea para-aramidei este foarte mică. Principalele modele de aplicare sunt prezentate în Tabelul 1. Fagure din hârtie aramidă (fagure NOMEX) este realizat din hârtie aramidă umezită cu rășină fenolică. În comparație cu fagurele de aluminiu, fagurele de aramidă sunt mult mai rezistente la instabilitatea locală, deoarece celula de fagure de aramidă este mai groasă decât cea de fagure de miere de aluminiu. Pregătirea fagurelor de miere Nomex constă în nouă procese: lipirea hârtiei de aramid, laminare, presare, tăiere, întindere, dimensionare, tăiere și scufundare. AVIC Composites Co., Ltd. a îmbunătățit procesul de lipire prin scufundare a fagurelor de aramidă, a concluzionat parametrii procesului, cum ar fi grosimea celulei și a hârtiei, și a dedus formula empirică pentru controlul densității. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. folosește hârtie aramidă autohtonă pentru a pregăti fagure, proprietățile de compresiune și forfecare au fost capabile să îndeplinească cerințele HB5435-89 și BMS8{-124, proprietățile dielectrice și ignifuge îndeplinesc, de asemenea, cerințele standard. Meishi, o filială a companiei chineze Yantai Spandex Group Co., Ltd. a pregătit diferite tipuri de miezuri de tip fagure din hârtie meta-aramidă printr-o serie de procese mature. Rezistența la compresiune în plan și rezistența la forfecare a miezului și a structurii sandwich la temperatura camerei sunt capabile să atingă valorile indicilor din standardul Boeing BMS8-124 și pot îndeplini cerințele de utilizare ale proprietăților mecanice.

Tab.1 Principalele modele de aplicare de tip fagure

(3) Adeziv. Adezivul folosit pentru structurile tip sandwich de tip fagure de aviație este de obicei un adeziv structural. Adezivii structurali sunt cei care pot rezista la o forță considerabilă într-o perioadă de timp prestabilită, în mediul în care sunt utilizați, și au o rezistență și o durată de viață durabilă care se potrivesc cu cea a obiectului de care sunt lipiți. Conform matricei de rășină este în general împărțită în trei categorii majore. Prima rășină epoxidica, epoxidica are avantajele unei manopere excelente, o perioadă lungă de aplicare și cea mai mare rezistență la temperatură de până la 232 de grade; A doua categorie este bismaleimida, care poate atinge temperaturi de peste 232 de grade și este folosită în principal în aeronavele militare cu temperaturi mai ridicate; Al treilea este tipul de ester de cianoacid, care are o rezistență excelentă la temperatură și dielectricitate și rezistență la căldură și umiditate, astfel că este utilizat în principal în componentele cu cerințe de performanță electrică ale componentelor. Adeziv structural din rășină epoxidice utilizat în mod obișnuit în aviație, așa cum se arată în tabelul 2. Statele Unite ale Americii Hexcel, Cytec și alte companii au dezvoltat o varietate de utilizări ale sistemului de materiale, iar în ultimii ani compania internă AVIC Composite a dezvoltat, de asemenea, un sistem de rășină de temperatură medie și înaltă, cum ar fi BA9913, BA9916, SY-24C-300 și așa mai departe.

Tab.2 Adezivi structurali pentru aviație autohtonă și străină

003 Structuri tip sandwich tip fagure pe componente tipice de aeronave

În ceea ce privește aeronavele civile mari, Boeing 747 (primat zbor pe 9 februarie 1969) a fost proiectat cu un procent mare de construcție tip sandwich (Figura 1). Are aproximativ jumătate din suprafața aripii, inclusiv marginile de sus și de sus, din fibră de sticlă și fagure Nomex. La Boeing 747, carcasa cilindrică a fuzelajului este în principal din fagure Nomex, iar podeaua, panourile laterale, coșurile de gunoi deasupra capului și tavanul sunt, de asemenea, din fagure. Majoritatea clapetelor sunt realizate din aceeași structură de fagure, dar se folosesc și fagure și piele de aluminiu. Aplicațiile structurii sandwich tip fagure de pe B787 includ cârma, liftul, vârfurile aripilor și nacelele motorului. Printre acestea, nacelele motorului și inversoarele de tracțiune sunt fabricate din fagure HexWeb și preimpregnat HexPly8552/AS4. Având avantajele greutății ușoare și rigidității ridicate, precum și absorbției acustice, fagurele HexWeb a fost utilizat de toți marii producători de motoare din lume. Pentru Boeing 707, doar 8% este fagure, iar pentru noul Boeing 757/46, 46% este fagure.

Smochin.1 Ilustrație a unei părți a aplicației de structură sandwich B747 (zonă albastră)

Structura sandwich de tip fagure în aplicarea aeronavelor civile mari este cea mai timpurie din cârma aeronavei Airbus A310, iar apoi utilizată în cârma A320, A340. Cea mai mare structură tip sandwich tip fagure este cârma A340, cu o suprafață de 15,3 m.²a structurii sandwich cu fagure. Cea mai mare doză de-aeronava pentru aeronava A380, cantitatea structurii sandwich cu fagure sa ridicat la 4.000 m², utilizat în principal pentru componente structurale de-dimensiuni mari, inclusiv carcasa de burtă, pardoseală etc.. Iar pardoseala este realizată în principal din panouri sandwich Gillfab4909 de la MC GillCorp. Fagure de kevlar. Structura podelei Airbus A380 este realizată dintr-un număr mare de compozite tip sandwich Nomex tip fagure, care sunt materiale excelente care îi permit lui A380 să atingă o durată de viață de 20.000 de ore, asigurând că aeronava poate fi în funcțiune mai mult de 10 ani. De atunci, utilizarea compozitelor a crescut semnificativ, în special cu ATR72, care a fost prima aeronavă civilă care a fost certificată cu o structură de bază de carbon (cutie cu aripi) (vezi Figura 2). După cum se arată în Figura 3, proporția materialelor sandwich în structurile secundare a fost în scădere. Pentru A380, Boeing 787 sau Airbus A350, doar carena de burtă, nacelele și ușile trenului de aterizare din față, unele elerone și cârme sunt încă din construcție tip sandwich, restul fiind structuri monolitice auto-întărite.

Fig. 2 Aplicarea compozitelor ATR72

(a) Structura sandviș a A380 (b) Structura sandviș a A350 și B787 set de compozit structura

Smochin.3 Diagrama structurii sandwich a aeronavei

În comparație cu aeronavele civile, aplicarea structurii tip sandwich în fagure de miere în aeronavele generale se manifestă în principal în utilizarea fuselajului, cum ar fi aeronavele HawkerBeechcraf PremierI, Hawker 4000 și „prim-ministru” IA, aeronavele Bombardier Aerospace Learjet 85 și așa mai departe. PremierI este primul jet de afaceri cu jet de fuzelaj compozit certificat FAA-tot-, întregul fuselaj este realizat din panouri de carbon cu structură tip sandwich tip fagure, grosimea totală de 20,6 mm, fuselajul este lipsit de ferme și cadre, decât structura tradițională din aluminiu pentru a reduce greutatea cu 25% și spațiul cabină a crescut cu 25%. Structura fuselajului aeronavei Hawker 4000 aflate în producție în prezent constă din trei structuri de butoi conectate la aripi, butoaiele sunt structuri sandwich tip fagure, iar pielea este așezată folosind mașina automată de așezare-sârmei Viper de la MAG Cincinnati. Componentele compozite cu structură tip sandwich Nomex tip fagure sunt utilizate într-un număr mare de aplicații în Rusia pentru componentele aeronavei, cum ar fi flaps, eleronoane, panouri de perete pentru fuzelaj, motoare, cabine de pilotaj, compartimente de marfă, cozi orizontale, margini anterioare ale aripilor, grinzi de coadă ale rotorului elicopterului și alte componente ale aeronavei.

Producția internă de către AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. și alte unități dintr-un număr mare de materiale compozite cu matrice de rășină (cum ar fi barbă, paletă, coadă plată și rotor etc.) și materiale compozite cu structură tip sandwich Nomex (panouri de fuzelaj, podele, grinzi de coadă etc.), ceea ce reduce semnificativ greutatea componentelor generale și îmbunătățește rezistența la oboseală a componentelor generale, îmbunătățește rezistența la oboseală caracteristici astfel încât să sporească calitatea zborului elicopterului. Se estimează că, pe lângă motor și trenul de propulsie, aproape 300 de piese de aeronave sunt fabricate din compozite tip sandwich Nomex tip fagure. Toate piesele folosesc materiale de miez tip fagure Nomex de 3 densități și 12 specificații. Cantitatea de materiale de miez de tip fagure Nomex din întregul fuzelaj este mai mare de 200 m2, iar aria sa de acoperire reprezintă aproximativ 80% din întregul fuzelaj, care este unul dintre tipurile de aeronave care utilizează cel mai mult compozite structurale tip sandwich Nomex din China în prezent.

004 Aplicarea structurii sandwich tip fagure pe podelele aeronavelor civile

4.1 Starea cercetării pardoselii compartimentelor pentru pasageri și marfă a aeronavei

Podelele aeronavelor convenționale podelele pentru pasageri și marfă sunt construite din metal. Fiecare etaj are sute de nituri și șuruburi, dar, de asemenea, trebuie să utilizeze tampoane elastice și izolarea structurii fuzelajului și, prin urmare, costisitoare. Și utilizarea materialelor compozite poate îmbunătăți considerabil structura podelei de rezistență, rigiditate, oboseală și rezistență la coroziune, poate reduce conectorii cu un ordin de mărime și poate reduce semnificativ greutatea structurii podelei.

Panoul structurii compozite sandwich a podelei aeronavei este de obicei realizat din fibră de sticlă preimpregnată, fibră de carbon și preimpregnat Kevlar, iar matricea este selectată dintre rășină epoxidice sau rășină fenolică. Miezurile de fagure sunt utilizate în mod obișnuit cu fagure Nomex.

Smochin.4 Pardoseala compartimentului pentru pasageri și marfă a aeronavei

4.2 Aplicarea structurilor sandwich pe pardoseli

Podeaua cabinei principale a elicopterului civil Chinook Model 234 de la Boeing măsoară 2,5 mx 2,2 m fiecare și este formată din patru panouri. Panourile sunt compozite din fibră de sticlă/Kevlar49 cu miez de fagure Nomex, iar podeaua tip sandwich are patru straturi de panouri superioare și inferioare fiecare, simetrice cu miezul de fagure din mijloc. Primul și al doilea strat sunt preimpregnate din fibră de sticlă de 0 grade, iar al treilea și al patrulea strat sunt preimpregnate din fibră Kevlar49 cu direcția 0 grade. Miezul Nomex are o înălțime de 38 mm, lungimea celulei de 2 mm și o densitate de 48 kg/m3. Panourile și miezul sunt lipite împreună cu folie adezivă EA9. Structura sandwich compozită este aleasă și pentru podeaua cabinei Boeing 777, Boeing 787 Dreamliner și alte modele de avioane.

MC GillCorp. producția de panouri cu structură tip sandwich Gillfab4223 selecție din țesătură din fibră de sticlă, matrice pentru rășina fenolică, miez pentru fagure meta-aramid GillcoreHD, selecție film adeziv pentru sistem epoxidic. Grosimea întregii structuri sandwich este de 12,6 mm, grosimea panoului superior este de 1,27 mm, iar grosimea panoului inferior este de 0,508 mm. Structura sandwich Gillfab4223 este utilizată în Airbus A318/ A319/ A320/ A321/ A330/ A340/ A300/ A310/ A300-600. MC GillCorp. producția de panou cu structură sandwich Gillfab4505 selecție de centură unidirecțională din fibră de carbon (stratul de suprafață pentru preimpregnat din fibră de sticlă), matricea pentru rășina fenolică, miezul pentru fagure meta-aramid GillcoreHD, selecția filmului adeziv al sistemului epoxidic. Grosimea întregii structuri sandwich este de 9,5 mm, iar grosimea panourilor superioare și inferioare este de 0,5 mm. Structura sandwich Gillfab4505 este utilizată în Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340.

Podeaua de încărcare a lui Fokker 100 este o structură relativ simplă, care este o structură compozită tip sandwich, cu o piele exterioară din foi de compozite termoplastice de înaltă-performanță și un miez de fagure Nomex. Pielea și miezul sunt lipite împreună cu un film epoxidic.

Podeaua calei de marfă a unui anumit model de structură tip sandwich Nomex cu fagure a fost pregătită prin turnare prin presare la cald folosind rășină fenolică armată cu fibră de sticlă preimpregnată ca materie primă a panoului de către Niu Fangxu și colab. de la Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. Au fost evaluate sistematic proprietățile mecanice și proprietățile ignifuge ale podelei și s-au analizat efectele tipului de preimpregnat, temperatura de întărire și procesul de turnare asupra proprietăților mecanice ale panourilor de tip fagure și au fost studiati factorii de influență ai proprietăților ignifuge ale panourilor de tip fagure. Rezultatele arată că proprietățile mecanice ale podelei compartimentului de marfă pregătite cu preimpregnat auto-fabricate sunt excelente, cu sarcina finală de îndoire a fasciculului lung de până la 4348N, o deformare de numai 6,79 mm la o sarcină de 445 N, performanța la impact de până la 17,1 J și rezistența la decojire a rolei de până la 4348 N/{160 N. timp, îndeplinind cerințele stricte de ignifugare, care poate realiza înlocuirea localizată a materialelor de pardoseală pentru zona de marfă în vrac a aeronavei.

005 Concluzie

Structura tip sandwich tip fagure cu rezistență ridicată, rigiditate specifică ridicată și densitate scăzută, beneficiind de bunele sale proprietăți de compresiune și încovoiere, a fost utilizată într-un număr mare de aplicații în domeniul aeronavelor civile. Această lucrare analizează progresul cercetării și starea de dezvoltare a structurii sandwich cu fagure, pieptene în continuare aplicarea acesteia pe structurile tipice de aeronave și concluzionează că, odată cu dezvoltarea și producția de aeronave interne C919/C929, structura sandwich compozită pentru podelele aeronavei are o gamă largă de perspective de aplicare. (Sursa: Fibre Composites)