Primjena kompozitnih saćastih sendvič struktura u civilnim zrakoplovima

sažetak:Kompozitne saćaste sendvič strukture se koriste u velikom broju aplikacija u oblasti civilnih aviona, koje se odlikuju velikom čvrstoćom, visokom specifičnom krutošću, malom gustinom, dobrim svojstvima pri savijanju i savijanju, itd. Delovi primene uključuju trup, poklopac motora, oklop, poklopac, poklopac antene, prednju ivicu i tako dalje. Veliki broj primjena sendvič strukture u obliku saća značajno smanjuje težinu konstrukcije aviona. Sa napretkom procesa oblikovanja i poboljšanjem svojstava materijala, saćasta sendvič struktura se postepeno primjenjuje na pod i druge glavne nosive konstrukcije. U ovom radu prvo se analizira napredak istraživanja i razvoj sendvič struktura u obliku saća. Drugo, rješava primjenu sendvič struktura u obliku saća na tipičnim komponentama aviona. Konačno, uvodi se trenutni status primjene saćaste sendvič strukture na podu civilnog zrakoplova.

001 Uvod

Sa socio-ekonomskim razvojem, dva su zadatka sa kojima se suočava oblast transporta, posebno zračnog saobraćaja: smanjenje ukupne težine konstrukcija i pitanje prednosti koje su direktno povezane sa smanjenjem težine - smanjenje potrošnje goriva. Strukturna težina i potrošnja goriva su posebno važni u oblasti avijacije. Trenutno, saćaste sendvič strukture se široko koriste u trupovima, otvorima, krilima, repovima, podovima, oblogama i poklopcima antena u zrakoplovnoj industriji. Sendvič strukture u obliku saća nude dobar odnos snage-i-težine. U poređenju sa kompozitnim omotačem, bolje se ponašaju pod bočnim opterećenjima i opterećenjima na savijanje zbog svog strukturalnog oblika, koji se sastoji od debele, lagane jezgre okružene sa dva tanka, kruta sloja.

Veliki broj primjena sendvič konstrukcija u obliku saća značajno je smanjio težinu konstrukcija aviona, zahvaljujući njihovim dobrim svojstvima pritiska i savijanja, u tolikoj mjeri da se sendvič konstrukcije u obliku saća postupno kreću prema glavnim nosivim konstrukcijama kao što su podovi. Sadržaj ovog rada uglavnom je podijeljen u tri dijela: prvo, analizira napredak istraživanja i proces razvoja sendvič strukture saća; drugo, kombinuje primenu sendvič strukture saća na tipičnim komponentama aviona sa trenutno korišćenim modelima; na kraju, uvodi se trenutni status primjene saćaste sendvič strukture na podovima civilnih aviona.

002 Saća sendvič struktura

Struktura sendviča sa saćem, koja je prvo nastala u bionici, odlikuje se visokom specifičnom čvrstoćom, visokom specifičnom krutošću i malom težinom u poređenju sa istom vrstom čvrstog materijala, te se stoga široko koristi u avijaciji, transportu i drugim poljima. Kompozitna sendvič struktura u obliku saća može efikasno poboljšati krutost na savijanje i poboljšati sposobnost da izdrži momente savijanja i pritiske uz vrlo malo povećanje težine, što je čini idealnijom laganom strukturom za avijaciju.

Kompozitne saćaste sendvič strukture sastoje se od tri komponente: panela, saćastog jezgra i ljepila.

(1) Panel. Panel je glavni dio sendvič konstrukcije koji-nosi nosivost. U poređenju sa materijalom jezgre, materijal panela karakteriše visoka gustina, visoki modul i visoka čvrstoća. Kompozitni materijal panela je obično legura aluminijuma, legura titana, plastika ojačana staklenim vlaknima i drugi materijali. Većina jednosmjernih traka ili kompozita od karbonskih vlakana ili staklenih vlakana trenutno se koristi u zrakoplovnim strukturama.

(2) Jezgro saća. Performanse sendvič strukture saća i geometrija saća povezane su sa materijalom jezgre saća. Općenito, saćasta jezgra su dostupna kao jezgra od aluminijuma saća, jezgra od aramidnog saća, jezgra od fiberglasa sa saćem, itd. u zavisnosti od materijala. Aramidno saće se dijeli na meta-aramidno saće i para{6}}aramidno saće. Mezo-aramidno saće je meta-aramid dobijen interfacijskom polikondenzacijom ili polikondenzacijom rastvora na niskoj{11}}toluen dikarbonil hlorida (MDCL) i m{{12}fenilendiamina (MPA) na niskim temperaturama. Najčešći na tržištu je meta{14}}aramid koji je prvi izmislio i stavio u upotrebu DuPont 1960-ih. Para{17}}aramidno saće je p{18}}fenilendiamin i p-fenilendikarbonil hlorid polikondenzacija da se dobije para{20}}aramid, trgovačko ime Kevlar. Postojeće jezgro aramidnog saća je uglavnom meta{22}}aramid, a istraživanja para{23}}aramida su vrlo malo. Glavni modeli primjene prikazani su u tabeli 1. Saće od aramidnog papira (NOMEX honeycomb) izrađeno je od aramidnog papira navlaženog fenolnom smolom. U poređenju sa aluminijskim saćem, aramidno saće je mnogo otpornije na lokalnu nestabilnost jer je ćelija saća aramidnog saća deblja od one u aluminijskom saću. Priprema Nomex saća sastoji se od devet procesa: lijepljenje aramidnog papira, kaširanje, presovanje, rezanje, razvlačenje, razvlačenje, curenje. AVIC Composites Co., Ltd. je poboljšao proces lijepljenja aramidnog saća, zaključio parametre procesa kao što su debljina ćelije i papira i izveo empirijsku formulu za kontrolu gustoće. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. koristi domaći aramidni papir za pripremu saća, svojstva kompresije i smicanja su uspjeli ispuniti zahtjeve HB5435-89 i BMS8{41}}124, dielektrična svojstva i svojstva otpornosti na vatru također ispunjavaju standardne zahtjeve. Meishi, podružnica kineske Yantai Spandex Group Co., Ltd. je pripremila različite vrste jezgri saća od svog meta-aramidnog papira kroz niz zrelih procesa. Otpornost na kompresiju u ravni i otpornost na smicanje njegove jezgre i sendvič strukture na sobnoj temperaturi mogu dostići vrijednosti indeksa u Boeing BMS8-124 standardu i mogu zadovoljiti zahtjeve upotrebe mehaničkih svojstava.

Tab.1 Glavni modeli primjene tipa saća

(3) Ljepilo. Ljepilo koje se koristi za avio-saćaste sendvič strukture je obično strukturno ljepilo. Strukturalna ljepila su ona koja mogu izdržati znatnu silu u unaprijed određenom vremenskom periodu, u okruženju u kojem se koriste, te imaju snagu i izdržljiv vijek trajanja koji odgovaraju onoj na objektu na koji su pričvršćeni. Prema smoli matrica se općenito dijeli u tri glavne kategorije. Prva epoksidna, epoksidna smola ima prednosti odlične izrade, dugog perioda nanošenja i najveće otpornosti na temperaturu do 232 stepena; Druga kategorija je bismaleimid, koji može dostići temperaturu veću od 232 stepena, a uglavnom se koristi u vojnim avionima sa višim temperaturama; Treći je tip estera cijanokiseline, koji ima odličnu otpornost na temperaturu, dielektričnost i otpornost na toplinu i vlagu, pa se uglavnom koristi u komponentama sa zahtjevima za električne performanse komponenti. U avijaciji se obično koristi strukturni ljepilo od epoksidne smole kao što je prikazano u Tabeli 2. Hexcel, Cytec i druge kompanije iz Sjedinjenih Američkih Država razvile su različite primjene sistema materijala, a posljednjih godina domaća AVIC Composite Company je također razvila sistem smole srednje i visoke temperature, kao što su BA9913, BA9916, SY-04C i tako dalje.

Tab.2 Domaća i strana vazduhoplovna strukturna lepila

003 Sendvič strukture u obliku saća na tipičnim komponentama aviona

Što se tiče velikih civilnih aviona, Boeing 747 (prvi let 9. februara 1969.) projektovan je sa velikim procentom sendvič konstrukcije (slika 1). Ima otprilike polovinu površine krila, uključujući prednju i stražnju ivicu, od stakloplastike i saća Nomex. U Boeingu 747, cilindrična školjka trupa je uglavnom Nomex saća, a pod, bočne ploče, nadzemne kante za smeće i strop također su napravljeni od saća. Većina klapni napravljena je od iste strukture saća, ali se koriste i aluminijumsko saće i koža. Primjena sendvič strukture saća na B787 uključuje kormilo, dizalo, vrhove krila i gondole motora. Među njima, gondole motora i reverseri potiska izrađeni su od HexWeb saća i HexPly8552/AS4 preprega. Uz prednosti male težine i velike krutosti, kao i akustične apsorpcije, HexWeb saće koriste svi glavni proizvođači motora u svijetu. Za Boeing 707, samo 8% je saće, a za noviji Boeing 757/46, 46% je saće.

Fig.1 Ilustracija dijela aplikacije B747 sendvič strukture (plavo područje)

Sendvič struktura u obliku saća u primjeni velikih civilnih aviona je najranija u kormilu aviona Airbus A310, a zatim se koristi u kormilu A320, A340. Najveća sendvič struktura u obliku saća je kormilo A340, površine 15,3 m²saćaste sendvič strukture. Najveća pojedinačna-doza ​​aviona za avion A380, količina njegove saćaste sendvič strukture iznosila je 4.000 m², uglavnom se koristi za strukturalne komponente velikih-veličina, uključujući obloge za trbuh, podove, itd.. I podovi su uglavnom napravljeni od Gillfab4909 sendvič panela MC GillCorp. Kevlar saće. Podna konstrukcija na Airbusu A380 je napravljena od velikog broja Nomex saćastih sendvič kompozita, koji su odlični materijali koji omogućavaju A380 da dostigne radni vijek od 20.000 sati, osiguravajući da avion može biti u službi više od 10 godina. Od tada se upotreba kompozita značajno povećala, posebno sa ATR72, koji je bio prvi civilni avion koji je certificiran sa osnovnom strukturom od karbona (krilna kutija) (vidi sliku 2). Kao što je prikazano na slici 3, udio sendvič materijala u sekundarnim konstrukcijama se smanjuje. Za A380, Boeing 787 ili Airbus A350, samo su trbušni oklop, gondole i vrata prednjeg stajnog trapa, neki eleroni i kormila još uvijek napravljeni od sendvič konstrukcije, a ostalo su samoojačavajuće monolitne strukture.

Fig. 2 Primjena ATR72 kompozita

(a) Sendvič struktura A380 (b) Sendvič struktura A350 i B787 set kompozita strukturu

Fig.3 Dijagram sendvič strukture aviona

U poređenju sa civilnim avionima, primena saćaste sendvič strukture u opštim avionima se uglavnom manifestuje u upotrebi trupa, kao što su HawkerBeechcrafovi PremierI, Hawker 4000 i "Prime Minister" IA avioni, Bombardier Aerospace Learjet 85 i tako dalje. PremierI je prvi FAA-certificirani sve-kompozitni poslovni mlazni avion s trupom, cijeli trup je napravljen od karbonskih panela saćaste sendvič strukture, ukupne debljine 20,6mm, trup je bez rešetki i okvira, od tradicionalne aluminijumske konstrukcije za smanjenje težine kabine za 25% i povećana težina kabine za 25%. Struktura trupa aviona Hawker 4000 koji se trenutno proizvodi sastoji se od tri strukture cijevi spojene na krilima, cijevi su sendvič strukture u obliku saća, a obloga se postavlja pomoću automatizirane mašine za polaganje žice Viper kompanije MAG Cincinnati{10}. Kompozitne komponente Nomex sa saćastom strukturom koriste se u velikom broju aplikacija u Rusiji za komponente aviona kao što su zakrilci, krilci, zidne ploče trupa, motori, kabine, tovarni odjeljci, horizontalni repovi, prednje ivice krila, repne grede rotora helikoptera i druge komponente aviona.

Domaća proizvodnja od strane AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. i drugih jedinica velikog broja kompozitnih materijala matrice smole (kao što su kočnica, lopatica, ravni rep i rotor, itd.) i Nomex kompozitnih materijala sa saćastom strukturom (ploče trupa, podovi, repne grede, itd.), što značajno smanjuje ukupnu čvrstoću fasela komponente, te poboljšava aerodinamičke karakteristike kako bi se poboljšao kvalitet leta helikoptera. Procjenjuje se da je, osim motora i pogonskog sklopa, gotovo 300 dijelova za avione napravljeno od Nomex saćastog sendvič kompozita. Svi dijelovi koriste Nomex materijale saćastih jezgara 3 gustine i 12 specifikacija. Količina Nomex saćastih materijala jezgre u cijelom trupu je veća od 200m2, a njegova pokrivenost čini oko 80% cijelog trupa, što je jedan od tipova aviona koji trenutno najviše koriste Nomex saćaste sendvič strukturne kompozite u Kini.

004 Primena saćaste sendvič strukture na podovima civilnih aviona

4.1 Status istraživanja podova putničkog i teretnog prostora u avionu

Konvencionalni podovi aviona, putnički i teretni podovi su izrađeni od metala. Svaki sprat ima stotine zakovica i šrafova, ali je potrebno koristiti i elastične jastučiće i izolaciju strukture trupa, a samim tim i skupe. A upotreba kompozitnih materijala može uvelike poboljšati strukturu poda od čvrstoće, krutosti, zamora i otpornosti na koroziju, može smanjiti konektore za red veličine i može značajno smanjiti težinu podne konstrukcije.

Panel kompozitne sendvič strukture poda aviona obično je napravljen od preprega od staklenih vlakana, karbonskih vlakana i preprega od kevlara, a matrica se bira od epoksidne smole ili fenolne smole. Jezgra saća se obično koriste sa Nomex saćem.

Fig.4 Podovi putničkog i tovarnog prostora u avionu

4.2 Primjena sendvič konstrukcija na podove

Pod glavne kabine Boeingovog civilnog helikoptera Chinook Model 234 ima dimenzije 2,5 x 2,2 m svaki i sastoji se od četiri panela. Paneli su od fiberglasa/Kevlar49 kompozita sa Nomex saćastim jezgrom, a sendvič pod ima po četiri sloja gornjeg i donjeg sloja panela, simetričnih u odnosu na jezgro saća u sredini. Prvi i drugi sloj su prepreg od staklenih vlakana od 0 stepeni, a treći i četvrti sloj su prepreg od 0 stepena od Kevlar49 vlakana. Nomex jezgro ima visinu od 38 mm, dužinu ćelije od 2 mm i gustinu od 48 kg/m3. Paneli i jezgro su zalijepljeni EA9 ljepljivom folijom. Kompozitna sendvič struktura odabrana je i za pod kabine Boeinga 777, Boeing 787 Dreamliner i drugih modela aviona.

MC GillCorp. proizvodnja Gillfab4223 sendvič strukture panel panela, izbor fiberglas tkanine, matrica za fenolnu smolu, jezgro za GillcoreHD meta-aramidno saće, izbor ljepljivog filma epoksidnog sistema. Debljina cijele sendvič strukture je 12,6 mm, debljina gornjeg panela je 1,27 mm, a debljina donjeg panela je 0,508 mm. Gillfab4223 sendvič struktura se koristi u Airbus A318/ A319/ A320/ A321/ A330/ A340/ A300/ A310/ A300-600. MC GillCorp. proizvodnja Gillfab4505 sendvič strukture panela izbor jednosmjernog pojasa od karbonskih vlakana (površinski sloj za prepreg od staklenih vlakana), matrice za fenolnu smolu, jezgra za GillcoreHD meta-aramidno saće, izbor ljepljivog filma epoksidnog sistema. Debljina cijele sendvič strukture je 9,5 mm, a debljina gornjeg i donjeg panela je 0,5 mm. Gillfab4505 sendvič struktura se koristi u Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340.

Teretni pod Fokkera 100 je relativno jednostavna struktura, koja je kompozitna sendvič struktura sa vanjskom oblogom od listova termoplastičnih kompozita visokih{1}}performansi i jezgrom od Nomex saća. Koža i jezgra su zalijepljeni epoksidnim filmom.

Pod tovarnog prostora određenog modela Nomex saćaste sendvič strukture pripremljen je vrućim presovanjem koristeći prepreg od fenolne smole ojačane staklenim vlaknima vlastite proizvodnje, Niu Fangxu et al. Peking Glass Steel Institute Composites Ltd. Sistematski su procjenjivane mehaničke osobine poda i otpornost na vatru, analizirani su efekti tipa preprega, temperature očvršćavanja i procesa oblikovanja na mehanička svojstva ploča sa saćem, te su proučavani faktori utjecaja na svojstva usporivača plamena ploča sa saćem. Rezultati pokazuju da su mehanička svojstva poda prtljažnog prostora pripremljenog sa samoproizvedenim prepregom odlična, sa krajnjim opterećenjem savijanja duge grede do 4348N, otklonom od samo 6,79 mm pri opterećenju od 445N, performansama udarca do 17,1J, i snagom ljuštenja valjka do 4N{10} istih pri 4N{10} mm ispunjavanje strogih zahtjeva za otpornost na vatru, što može realizirati lokaliziranu zamjenu podnih materijala za prostor za rasuti teret u avionu.

005 Zaključak

Sendvič struktura saća sa visokom čvrstoćom, visokom specifičnom krutošću i malom gustinom, zahvaljujući dobrim svojstvima pritiska i savijanja, koristi se u velikom broju aplikacija u oblasti civilnih aviona. Ovaj rad analizira napredak istraživanja i status razvoja sendvič strukture sa saćem, dalje pročešlja njenu primjenu na tipičnim avionskim konstrukcijama, te zaključuje da razvojem i proizvodnjom domaćih aviona C919/C929 kompozitna sendvič struktura za podove aviona ima širok spektar mogućnosti primjene.(Izvor: Fiber Composites)