Anvendelser af sammensatte honeycomb-sandwichstrukturer i civile fly

Abstrakt:Sammensatte honeycomb-sandwichstrukturer anvendes i en lang række applikationer inden for civile fly, som er karakteriseret ved høj styrke, høj specifik stivhed, lav densitet, gode kompressions- og bøjningsegenskaber osv. Anvendelsesdelene omfatter skrog, motorkappe, kåbe, luge, antennedæksel, forkant og så videre. Det store antal anvendelser af honeycomb-sandwichstruktur reducerer vægten af ​​flystruktur betydeligt. Med fremskridtene i støbeprocessen og forbedringen af ​​materialeegenskaber påføres honeycomb-sandwichstruktur gradvist på gulvet og andre hovedbærende strukturer. Dette papir analyserer først forskningsfremskridtet og udviklingsprocessen for honeycomb-sandwichstrukturer. For det andet sorterer den anvendelsen af ​​honeycomb-sandwichstrukturer på typiske flykomponenter. Endelig introducerer den den nuværende status for anvendelsen af ​​honeycomb sandwich-struktur på gulvet i civile fly.

001 Indledning

Med den samfundsøkonomiske-udvikling er der to opgaver, som transportområdet står over for, især lufttransport: den samlede vægtreduktion af strukturer og spørgsmålet om fordele direkte relateret til vægtreduktion - reduktion af brændstofforbrug. Strukturel vægt og brændstofforbrug er særligt vigtige på luftfartsområdet. I øjeblikket er honeycomb-sandwichstrukturer meget udbredt i flykroppe, luger, vinger, haler, gulve, kåber og antennedæksel i luftfartsindustrien. Honeycomb sandwichstrukturer giver et godt styrke-til-vægtforhold. Sammenlignet med kompositbeklædning klarer de sig bedre under side- og bøjningsbelastninger på grund af deres strukturelle form, som består af en tyk, let kerne omgivet af to tynde, stive lag.

Det store antal anvendelser af honeycomb-sandwichstrukturer har reduceret vægten af ​​flystrukturer betydeligt, takket være deres gode kompressions- og bøjningsegenskaber, så meget, at honeycomb-sandwichstrukturer gradvist bevæger sig mod bærende hovedstrukturer såsom gulve. Indholdet af dette papir er hovedsageligt opdelt i tre dele: For det første analyserer det forskningsfremskridt og udviklingsprocessen for honeycomb sandwich struktur; for det andet kombinerer den anvendelsen af ​​honeycomb sandwich-struktur på typiske flykomponenter med de aktuelt brugte modeller; endelig introducerer den den nuværende status for anvendelsen af ​​honeycomb sandwich-struktur på gulvene i civile fly.

002 Honeycomb Sandwich Struktur

Honningkage-sandwichstrukturen, som først opstod i bionikken, er kendetegnet ved høj specifik styrke, høj specifik stivhed og let vægt sammenlignet med den samme type fast materiale, og har derfor været meget udbredt inden for luftfart, transport og andre områder. Den sammensatte honeycomb sandwichstruktur kan effektivt forbedre bøjningsstivheden og forbedre evnen til at modstå bøjningsmomenter og tryk med en meget lille vægtstigning, hvilket gør den til en mere ideel letvægtsstruktur til luftfart.

Sammensatte honeycomb sandwich strukturer består af tre komponenter: paneler, honeycomb kerne og klæbemiddel.

(1) Panel. Panelet er den hovedlast-bærende del af sandwichstrukturen. Sammenlignet med kernematerialet er panelmaterialet kendetegnet ved høj densitet, høj modulus og høj styrke. Kompositpanelmateriale er normalt aluminiumslegering, titanlegering, glasfiberforstærket plast og andre materialer. De fleste af de ensrettede tape eller stofkompositter af kulfiber eller glasfiber bruges i øjeblikket i rumfartsstrukturer.

(2) Honeycomb Core. Ydeevnen af ​​honeycomb sandwich struktur og geometrien af ​​honeycomb er relateret til materialet af honeycomb kerne. Generelt fås honeycomb-kerner som aluminium-bikagekerne, aramid-bikagekerne, glasfiber-bikagekerne osv. alt efter materialet. Aramid honeycomb er opdelt i meta-aramid honeycomb og para-aramid honeycomb. Meso-aramid honeycomb er en meta-aramid opnået ved grænsefladepolykondensation eller lav-temperaturopløsningspolykondensation af m-toluendicarbonylchlorid (MDCL) og m-phenylendiamin (MPA). Den mest almindelige på markedet er meta-aramiden, der først blev opfundet og taget i brug af DuPont i 1960'erne. Para-aramid honeycomb er p-phenylendiamin og p-phenylendicarbonylchlorid polykondensation for at få para-aramid, handelsnavn Kevlar. Den eksisterende aramid-bikagekerne er hovedsageligt meta-aramid, og forskningen i para-aramid er meget lidt. De vigtigste applikationsmodeller er vist i tabel 1. Aramidpapir-bikage (NOMEX honeycomb) er lavet af aramidpapir fugtet med phenolharpiks. Sammenlignet med aluminium honeycomb er aramid honeycomb meget mere modstandsdygtig over for lokal ustabilitet, fordi honeycomb celle af aramid honeycomb er tykkere end aluminium honeycomb.Forberedelsen af ​​Nomex honeycomb består af ni processer: limning af aramidpapir, laminering, presning, udskæring, udskæring, udskæring, udskæring, udskæring. AVIC Composites Co., Ltd. har forbedret dyppelimningsprocessen for aramid honeycomb, afsluttet procesparametrene såsom celle- og papirtykkelse og udledt den empiriske formel for tæthedskontrol. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. bruger aramidpapir til hjemmebrug til fremstilling af honeycomb, kompressions- og forskydningsegenskaber har været i stand til at opfylde kravene i HB5435-89 og BMS8-124, dielektriske og flammehæmmende egenskaber opfylder også standardkravene. Meishi, et datterselskab af Kinas Yantai Spandex Group Co., Ltd. har forberedt forskellige typer honeycomb-kerner fra sit meta-aramidpapir gennem en række modne processer. Kompressionsmodstanden og forskydningsmodstanden i dets kerne og sandwichstruktur ved stuetemperatur er i stand til at nå indeksværdierne i Boeing BMS8-124-standarden og kan opfylde brugskravene til mekaniske egenskaber.

Tab.1 Hovedanvendelsesmodeller af honeycomb-type

(3) Klæbemiddel. Det klæbemiddel, der bruges til luftfartshonningkage-sandwichstrukturer, er normalt et strukturelt klæbemiddel. Strukturelle klæbemidler er dem, der kan modstå betydelige kræfter i en forudbestemt tidsperiode, i det miljø, de bruges i, og som har en styrke og holdbar levetid, der matcher den genstand, som de er klæbet til. Ifølge harpiks matrix er generelt opdelt i tre hovedkategorier. Den første epoxy, epoxyharpiks, har fordelene ved fremragende håndværk, lang påføringsperiode og den højeste temperaturbestandighed på op til 232 grader; Den anden kategori er bismaleimid, som kan nå temperaturer på mere end 232 grader, og det bruges hovedsageligt i militærfly med højere temperaturer; Den tredje er typen af ​​cyanosyreester, som har fremragende modstandsdygtighed over for temperatur og dielektricitet og modstandsdygtighed over for varme og fugtighed, og den bruges derfor hovedsageligt i komponenter med komponenters elektriske ydeevnekrav. Aviation almindeligvis anvendte epoxyharpiks strukturel klæbemiddel som vist i tabel 2. USA Hexcel, Cytec og andre virksomheder har udviklet en række forskellige anvendelser af materialesystemet, og i de senere år har det indenlandske AVIC Composite Company også udviklet et medium og høj temperatur harpiks system, såsom BA9913, BA9916, SY-3000 og så videre.

Tab.2 Strukturelle klæbemidler til indenlandsk og udenlandsk luftfart

003 Honeycomb sandwich strukturer på typiske flykomponenter

For så vidt angår store civile fly, var Boeing 747 (først fløjet den 9. februar 1969) designet med en stor procentdel sandwichkonstruktion (figur 1). Den har omkring halvdelen af ​​vingeoverfladen, inklusive for- og bagkanten, lavet af glasfiber og Nomex honeycomb. I Boeing 747 er skrogets cylindriske skal hovedsageligt Nomex honeycomb, og gulvet, sidepanelerne, overliggende skraldespande og loftet er også lavet af honeycomb. De fleste klapper er lavet af den samme bikagestruktur, men der bruges også aluminium bikage og skind. Honeycomb sandwich struktur applikationer på B787 inkluderer ror, elevator, vingespidser og motornaceller. Blandt dem er motorgondolerne og trykreverserne lavet af HexWeb honeycomb og HexPly8552/AS4 prepreg. Med fordelene ved let vægt og høj stivhed, samt akustisk absorption, er HexWeb honeycomb blevet brugt af alle større motorproducenter i verden. For Boeing 707 er kun 8 % honeycomb, og for den nyere Boeing 757/46 er 46 % honeycomb.

Fig.1 Illustration af en del af B747 sandwichstrukturapplikationen (blåt område)

Honeycomb sandwich struktur i anvendelsen af ​​store civile fly er den tidligste i Airbus A310 fly ror, og derefter brugt i A320, A340 ror. Den største honeycomb sandwich struktur er A340 roret, med et areal på 15,3 m²af honeycomb-sandwichstruktur. Den største enkelt-flydosis for A380-flyet, mængden af ​​dets honeycomb-sandwichstruktur udgjorde 4.000 m², hovedsagelig brugt til strukturelle komponenter i store-størrelser, herunder mavebeklædning, gulvbelægning osv.. Og gulvbelægningen er hovedsageligt lavet af Gillfab4909 sandwichpaneler fra MC GillCorp. Kevlar honeycomb. Gulvstrukturen på Airbus A380 er lavet af et stort antal Nomex honeycomb sandwich-kompositter, som er fremragende materialer, der gør det muligt for A380 at nå en levetid på 20.000 timer, hvilket sikrer, at flyet kan være i drift i mere end 10 år. Siden da er brugen af ​​kompositter steget markant, især med ATR72, som var det første civile fly, der blev certificeret med en carbon basisstruktur (vingeboks) (se figur 2). Som vist i figur 3 har andelen af ​​sandwichmaterialer i sekundære strukturer været faldende. For A380, Boeing 787 eller Airbus A350 er det kun mavebeklædningen, nacellerne og de forreste landingshjulsdøre, nogle slagroer og ror er stadig lavet af sandwichkonstruktion, resten er selvforstærkende monolitiske strukturer.

Fig. 2 Anvendelse af ATR72-kompositter

(a) Sandwichstruktur af A380 (b) Sandwichstruktur af A350 og B787 sæt af komposit struktur

Fig.3 Diagram af flysandwichstruktur

Sammenlignet med civile fly er anvendelsen af ​​honeycomb-sandwichstruktur i generelle fly hovedsageligt manifesteret i brugen af ​​flykroppen, såsom HawkerBeechcrafs PremierI, Hawker 4000 og "Prime Minister" IA-fly, Bombardier Aerospace Learjet 85-fly og så videre. PremierI er det første FAA-certificerede alle-kompositfly til forretningsjetfly, hele skroget er lavet af carbonpaneler af honeycomb-sandwichstruktur, den samlede tykkelse på 20,6 mm, skroget er fri for spær og rammer, end den traditionelle aluminiumsstruktur for at reducere vægten af ​​kabinepladsen med 25 %, %. Skrogstrukturen af ​​Hawker 4000-flyet, der i øjeblikket er i produktion, består af tre tøndestrukturer forbundet ved vingerne, tønderne er honeycomb-sandwichstrukturer, og skindet er lagt ved hjælp af MAG Cincinnati's Viper-automatiserede trådlægningsmaskine.{10} Nomex honeycomb sandwich struktur kompositkomponenter bruges i et stort antal applikationer i Rusland til flykomponenter såsom flaps, ailerons, flykroppe vægpaneler, motorer, cockpits, lastrum, vandrette haler, vinge forkanter, helikopter rotor hale bjælker og andre flykomponenter.

Den indenlandske produktion af AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. og andre enheder af et stort antal harpiksmatrix-kompositmaterialer (såsom drogue, paddle, flad hale og rotor osv.) og Nomex honeycomb sandwich struktur kompositmaterialer (flykroppe paneler, gulve, hale bjælker osv.), som væsentligt reducerer fuselvægten af komponenterne, forbedrer den samlede vægt af skroget og forbedrer den samlede vægt af komponenterne. aerodynamiske egenskaber for at forbedre helikopterens flyvekvalitet. Det anslås, at ud over motoren og drivlinjen er næsten 300 flydele lavet af Nomex honeycomb sandwich-kompositter. Alle dele bruger Nomex honeycomb kernematerialer med 3 tætheder og 12 specifikationer. Mængden af ​​Nomex honeycomb kernematerialer i hele flykroppen er mere end 200m2, og dens dækningsområde udgør omkring 80% af hele flykroppen, hvilket er en af ​​de flytyper, der bruger Nomex honeycomb sandwich strukturelle kompositter mest i Kina på nuværende tidspunkt.

004 Anvendelse af honeycomb sandwich struktur på civile flygulve

4.1 Forskningsstatus for flypassager- og lastrumsgulve

Konventionelle flygulve passager- og fragtgulve er konstrueret af metal. Hver etage har hundredvis af nitter og skruer, men skal også bruge elastiske puder og skrogstrukturisolering, og derfor dyre. Og brugen af ​​kompositmaterialer kan i høj grad forbedre gulvstrukturen af ​​styrke, stivhed, træthed og korrosionsbestandighed, kan reducere forbindelserne med en størrelsesorden og kan reducere vægten af ​​gulvstrukturen betydeligt.

Panelet af den sammensatte sandwichstruktur af flygulvet er normalt lavet af glasfiber prepreg, kulfiber og Kevlar prepreg, og matrixen er valgt fra epoxyharpiks eller phenolharpiks. Honeycomb-kerner bruges almindeligvis sammen med Nomex honeycomb.

Fig.4 Gulvbelægning af flypassagerer og lastrum

4.2 Anvendelse af sandwichkonstruktioner på gulve

Hovedkabinegulvet i Boeings Model 234 civile Chinook-helikopter måler hver 2,5 x 2,2 m og består af fire paneler. Panelerne er glasfiber/Kevlar49-kompositter med Nomex honeycomb-kerner, og sandwichgulvet har fire lag af øvre og nedre panellayups hver, symmetrisk med honeycomb-kernen i midten. Det første og andet lag er 0 graders glasfiber prepreg, og det tredje og fjerde lag er 0 graders retning Kevlar49 fiber prepreg. Nomex-kernen har en højde på 38 mm, cellelængde på 2 mm og en tæthed på 48 kg/m3. Panelerne og kernen er limet sammen med EA9 klæbende film. Sammensat sandwichstruktur er også valgt til kabinegulvet i Boeing 777, Boeing 787 Dreamliner og andre flymodeller.

MC GillCorp. produktion af Gillfab4223 sandwich struktur panel udvalg af glasfiber stof, matrix til phenolharpiksen, kerne til GillcoreHD meta-aramid honeycomb, klæbende film valg af epoxy system. Tykkelsen af ​​hele sandwichstrukturen er 12,6 mm, tykkelsen af ​​det øverste panel er 1,27 mm, og tykkelsen af ​​det nederste panel er 0,508 mm. Gillfab4223 sandwichstruktur bruges i Airbus A318/ A319/ A320/ A321/ A330/ A340/ A300/ A310/ A300-600. MC GillCorp. produktion af Gillfab4505 sandwich struktur panel udvalg af kulfiber ensrettet bælte (overfladelaget til glasfiber prepreg), matrixen for phenolharpiksen, kernen til GillcoreHD meta-aramid honeycomb, klæbende film valg af epoxy system. Tykkelsen af ​​hele sandwichstrukturen er 9,5 mm, og tykkelsen af ​​de øvre og nedre paneler er 0,5 mm. Gillfab4505 sandwichstruktur bruges i Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340.

Fokker 100's lastgulv er en forholdsvis enkel struktur, som er en sammensat sandwichstruktur med en udvendig hud af plader af højtydende termoplastiske kompositter og en kerne af Nomex honeycomb. Huden og kernen limes sammen med en epoxyfilm.

Lastrumsgulvet af en bestemt model af Nomex honeycomb sandwich-struktur blev forberedt ved varmpressning ved hjælp af selv-fremstillet glasfiberforstærket phenolharpiks prepreg som råmateriale til panelet af Niu Fangxu et al. fra Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. Gulvets mekaniske egenskaber og flammehæmmende egenskaber blev systematisk evalueret, og virkningerne af prepreg-type, hærdetemperatur og støbeproces på de mekaniske egenskaber af bikagepanelerne blev analyseret, og de påvirkningsfaktorer, som de flammehæmmende egenskaber af honeycomb-panelerne har, blev undersøgt. Resultaterne viser, at de mekaniske egenskaber af lastrumsgulvet forberedt med selv-fremstillet prepreg er fremragende, med den ultimative belastning af lang bjælke bøjning op til 4348N, afbøjningen på kun 6,79 mm ved en belastning på 445N, slagydelsen op til 17,1J, og rullens afskalningsstyrke op til 6,0 mm. samtidig opfylder de strenge krav til flammehæmning, som kan realisere den lokale udskiftning af gulvmaterialerne til flyets bulklastområde.

005 Konklusion

Honeycomb sandwichstruktur med høj styrke, høj specifik stivhed og lav densitet, der drager fordel af dens gode kompressions- og bøjningsegenskaber, er blevet brugt i et stort antal applikationer inden for civile fly. Dette papir analyserer forskningsfremskridt og udviklingsstatus for honeycomb-sandwichstruktur, kæmmer yderligere dens anvendelse på typiske flystrukturer og konkluderer, at med udviklingen og produktionen af ​​indenlandske fly C919/C929, har sammensat sandwichstruktur til flygulve en bred vifte af anvendelsesmuligheder.(Kilde: Fiber Composites)