Aplicacions de les estructures de sandvitx de niu d'abella compostes en aeronaus civils

Resum:Les estructures sandvitx de niu d'abella compostes s'utilitzen en un gran nombre d'aplicacions en el camp de l'aeronau civil, que es caracteritzen per una alta resistència, alta rigidesa específica, baixa densitat, bones propietats de compressió i flexió, etc. Les peces d'aplicació inclouen fuselatge, capota del motor, carenat, escotilla, coberta d'antena, vora d'atac, etc. El gran nombre d'aplicacions de l'estructura sandvitx de bresca redueix significativament el pes de l'estructura de l'avió. Amb el progrés del procés d'emmotllament i la millora de les propietats del material, l'estructura sandvitx de bresca s'aplica gradualment al terra i altres estructures de suport principals. En primer lloc, aquest article analitza el progrés de la investigació i el procés de desenvolupament de les estructures sandvitx de bresca. En segon lloc, resol l'aplicació d'estructures sandvitx de bresca en components típics d'avions. Finalment, s'introdueix l'estat actual de l'aplicació de l'estructura sandvitx de niu d'abella al terra d'avions civils.

001 Introducció

Amb el desenvolupament socio-econòmic, hi ha dues tasques a què s'enfronta l'àmbit del transport, especialment el transport aeri: la reducció de pes global de les estructures i la qüestió dels beneficis directament relacionats amb la reducció de pes - la reducció del consum de combustible. El pes estructural i el consum de combustible són especialment importants en l'àmbit de l'aviació. Actualment, les estructures sandvitx de bresca s'utilitzen àmpliament en fuselatges, escotilles, ales, cues, terres, carenats i cobertes d'antena a la indústria aeronàutica. Les estructures sandvitx de niu d'abella ofereixen una bona relació resistència-a-pes. En comparació amb les pells compostes, funcionen millor sota càrregues laterals i de flexió a causa de la seva forma estructural, que consisteix en un nucli gruixut i lleuger envoltat per dues capes primes i rígides.

El gran nombre d'aplicacions de les estructures sandvitx de niu d'abella ha reduït notablement el pes de les estructures d'aeronaus, gràcies a les seves bones propietats de compressió i flexió, fins al punt que les estructures sandvitx de bresca s'estan avançant progressivament cap a estructures de suport principals com els sòls. El contingut d'aquest article es divideix principalment en tres parts: en primer lloc, analitza el progrés de la investigació i el procés de desenvolupament de l'estructura sandvitx de bresca; en segon lloc, combina l'aplicació de l'estructura sandvitx de niu d'abella en components típics d'avions amb els models utilitzats actualment; finalment, s'introdueix l'estat actual de l'aplicació de l'estructura sandvitx de niu d'abella als sòls d'avions civils.

002 Estructura d'entrepà de bresca

L'estructura sandvitx de bresca, que es va originar per primera vegada en la biònica, es caracteritza per una alta resistència específica, una alta rigidesa específica i un pes lleuger en comparació amb el mateix tipus de material sòlid i, per tant, s'ha utilitzat àmpliament en l'aviació, el transport i altres camps. L'estructura sandvitx composta de bresca pot millorar eficaçment la rigidesa de flexió i millorar la capacitat de suportar moments de flexió i pressions amb un augment de pes molt petit, la qual cosa la converteix en una estructura lleugera més ideal per a l'aviació.

Les estructures sandvitx de niu d'abella compostes consten de tres components: panells, nucli de bresca i adhesiu.

(1) Panell. El panell és la part principal de càrrega-de l'estructura sandvitx. En comparació amb el material del nucli, el material del panell es caracteritza per una alta densitat, alt mòdul i alta resistència. El material del panell compost sol ser aliatge d'alumini, aliatge de titani, plàstic reforçat amb fibra de vidre i altres materials. La majoria de les cintes unidireccionals o compostos de teixit de fibra de carboni o fibra de vidre s'utilitzen actualment en estructures aeroespacials.

(2) Nucli de bresca. El rendiment de l'estructura sandvitx de bresca i la geometria del breu d'abella estan relacionats amb el material del nucli de bresca. En general, els nuclis de bresca estan disponibles com a nucli de bresca d'alumini, nucli de bresca d'aramida, nucli de bresca de fibra de vidre, etc. segons el material. La bresca d'aramida es divideix en bresca de meta-aramida i bresca de para-aramida. La bresca de meso-aramida és una meta-aramida obtinguda per policondensació interfacial o per policondensació en solució a-baixa temperatura de clorur de m{-toluen dicarbonil (MDCL) i m-fenilendiamina (MPA). El més comú al mercat és la meta-aramida inventada i posada en ús per primera vegada per DuPont a la dècada de 1960. El bresca de para-aramida és p{-fenilendiamina i policondensació de clorur de p-fenilendicarbonil per obtenir para-aramida, nom comercial Kevlar. El nucli de bresca d'aramida existent és principalment meta-aramida, i la recerca de para-aramida és molt escassa. Els principals models d'aplicació es mostren a la Taula 1. El niu d'abella de paper d'aramida (NOMEX honeycomb) està fet de paper d'aramida humitejat amb resina fenòlica. En comparació amb el niu d'abella d'alumini, el niu d'abella d'aramida és molt més resistent a la inestabilitat local perquè la cel·la de niu d'abella d'aramida és més gruixuda que la del niu d'abella d'alumini. AVIC Composites Co., Ltd. ha millorat el procés d'encolat per immersió del bresca d'aramida, ha conclòs els paràmetres del procés, com ara el gruix de la cel·la i el paper, i ha deduït la fórmula empírica per al control de la densitat. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. utilitza paper d'aramida domèstic per preparar niu d'abella, les propietats de compressió i cisalla han pogut complir els requisits de HB5435-89 i BMS8{-124, les propietats dielèctriques i retardants de flama també compleixen els requisits estàndard. Meishi, una filial de Yantai Spandex Group Co., Ltd de la Xina, ha preparat diferents tipus de nuclis de bresca a partir del seu paper meta-aramida mitjançant una sèrie de processos madurs. La resistència a la compressió en el pla i la resistència al cisallament del seu nucli i estructura sandvitx a temperatura ambient poden assolir els valors de l'índex de l'estàndard Boeing BMS8-124 i poden complir els requisits d'ús de les propietats mecàniques.

Tab.1 Principals models d'aplicació de tipus niu d'abella

(3) Adhesiu. L'adhesiu utilitzat per a estructures sandvitx de bresca d'aviació sol ser un adhesiu estructural. Els adhesius estructurals són aquells que poden suportar una força considerable en un període de temps predeterminat, en l'entorn on s'utilitzen, i tenen una resistència i una vida útil duradora que coincideix amb la de l'objecte al qual s'adhereixen. Segons la matriu de resina generalment es divideix en tres grans categories. El primer epoxi, resina epoxi té els avantatges d'una excel·lent mà d'obra, un llarg període d'aplicació i la màxima resistència a la temperatura de fins a 232 graus; La segona categoria és la bismaleimida, que pot arribar a temperatures de més de 232 graus, i s'utilitza principalment en avions militars amb temperatures més altes; El tercer és el tipus d'èster de cianoàcid, que té una excel·lent resistència a la temperatura, la dielectricitat i la resistència a la calor i la humitat, per la qual cosa s'utilitza principalment en components amb requisits de rendiment elèctric dels components. Adhesiu estructural de resina epoxi d'aviació que s'utilitza habitualment, tal com es mostra a la Taula 2. Els Estats Units Hexcel, Cytec i altres empreses han desenvolupat una varietat d'usos del sistema de materials, i en els darrers anys la companyia nacional AVIC Composite Company també ha desenvolupat un sistema de resina de temperatura mitjana i alta, com BA9913, BA9916, SY-24C-300, etc.

Tab.2 Adhesius estructurals d'aviació nacional i estrangera

003 Estructures sandvitx de niu d'abella en components típics d'avions

Pel que fa a grans aeronaus civils, el Boeing 747 (el 9 de febrer de 1969) va ser dissenyat amb un gran percentatge de construcció sandvitx (figura 1). Té aproximadament la meitat de la superfície de l'ala, incloses les vores davanteres i posteriors, fetes de fibra de vidre i bresca de Nomex. Al Boeing 747, la carcassa cilíndrica del fuselatge és principalment de bresca de Nomex, i el terra, els panells laterals, els contenidors d'escombraries i el sostre també estan fets de bresca. La majoria de les solapes estan fetes de la mateixa estructura de niu d'abella, però també s'utilitzen niu d'abella i pell d'alumini. Les aplicacions d'estructura sandvitx de niu d'abella al B787 inclouen el timó, l'elevador, les puntes de les ales i les góndoles del motor. Entre ells, les góndoles del motor i els inversors d'empenta estan fets de niu d'abella HexWeb i preimpregnat HexPly8552/AS4. Amb els avantatges del pes lleuger i de l'alta rigidesa, així com de l'absorció acústica, la bresca HexWeb ha estat utilitzada per tots els principals fabricants de motors del món. Per al Boeing 707, només el 8% és de bresca, i per al Boeing 757/46 més recent, el 46% és de bresca.

Fig.1 Il·lustració d'una part de l'aplicació d'estructura sandvitx B747 (àrea blava)

L'estructura sandvitx de niu d'abella en l'aplicació d'avions civils grans és la més antiga del timó de l'avió Airbus A310, i després s'utilitza en el timó A320, A340. L'estructura sandvitx de bresca més gran és el timó A340, amb una superfície de 15,3 m²d'estructura sandvitx de bresca. La dosi més gran-de l'avió per a l'aeronau A380, la quantitat de l'estructura sandvitx de bresca ascendia a 4.000 m², s'utilitza principalment per a components estructurals de -gran mida, inclòs el carenat del ventre, el sòl, etc. I el sòl està fet principalment de panells sandvitx Gillfab4909 de MC GillCorp. Bresca de Kevlar. L'estructura del sòl de l'Airbus A380 està feta d'un gran nombre de compostos sandvitx de bresca Nomex, que són excel·lents materials que permeten que l'A380 assoleixi una vida operativa de 20.000 hores, garantint que l'avió pugui estar en servei durant més de 10 anys. Des d'aleshores, l'ús de composites ha augmentat notablement, especialment amb l'ATR72, que va ser el primer avió civil certificat amb una estructura bàsica de carboni (caixa d'ala) (vegeu la figura 2). Com es mostra a la figura 3, la proporció de materials sandvitx a les estructures secundàries ha anat disminuint. Per a l'A380, el Boeing 787 o l'Airbus A350, només el carenat del ventre, les góndoles i les portes del tren d'aterratge davanter, alguns alerons i timons encara estan fets de construcció sandvitx, la resta són estructures monolítices auto-de reforç.

Fig. 2 Aplicació de compostos ATR72

(a) Estructura sandvitx de l'A380 (b) Estructura sandvitx de l'A350 i B787 conjunt de compostos estructura

Fig.3 Esquema de l'estructura sandvitx de l'avió

En comparació amb els avions civils, l'aplicació de l'estructura sandvitx de niu d'abella en avions generals es manifesta principalment en l'ús del fuselatge, com ara els avions PremierI de HawkerBeechcraf, Hawker 4000 i "Primer Minister" IA, avions Bombardier Aerospace Learjet 85, etc. PremierI és el primer jet comercial de jet de fuselatge compost tot{-certificat per la FAA, tot el fuselatge està fet de panells de carboni d'estructura sandvitx de bresca, el gruix total de 20,6 mm, el fuselatge està lliure d'armaris i marcs, que l'estructura d'alumini tradicional per reduir el pes del 25% i augmentar l'espai de la cabina. L'estructura del fuselatge de l'avió Hawker 4000 actualment en producció consta de tres estructures de barrils connectades a les ales, els barrils són estructures sandvitx de bresca i la pell es col·loca amb la màquina automàtica-de filferro Viper de MAG Cincinnati. Els components compostos d'estructura sandvitx de bresca de Nomex s'utilitzen en un gran nombre d'aplicacions a Rússia per a components d'aeronaus, com ara flaps, alerons, panells de paret del fuselatge, motors, cabines, compartiments de càrrega, cues horitzontals, vores davanteres de les ales, bigues de cua del rotor d'helicòpter i altres components d'avions.

La producció nacional d'AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. i altres unitats d'un gran nombre de materials compostos de matriu de resina (com ara drogues, pales, cua plana i rotor, etc.) i materials compostos d'estructura sandvitx de bresca de Nomex (panells de fuselatge, sòls, bigues de cua, etc.), que redueixen significativament el pes dels components generals, milloren la resistència a la fatiga i la fatiga aerodinàmica. característiques per millorar la qualitat del vol de l'helicòpter. S'estima que, a més del motor i el tren motriu, prop de 300 peces d'avions estan fetes de compostos sandvitx de bresca Nomex. Totes les peces utilitzen materials de nucli de bresca Nomex de 3 densitats i 12 especificacions. La quantitat de materials bàsics de bresca de Nomex a tot el fuselatge és de més de 200 m2, i la seva àrea de cobertura representa aproximadament el 80% de tot el fuselatge, que és un dels tipus d'avions que utilitzen més composites estructurals de sandvitx de bresca de Nomex a la Xina actualment.

004 Aplicació de l'estructura sandvitx de niu d'abella en sòls d'avions civils

4.1 Estat d'investigació del sòl dels compartiments de càrrega i passatgers de les aeronaus

Els sòls d'avions convencionals els sòls de passatgers i de càrrega estan construïts amb metall. Cada pis té centenars de reblons i cargols, però també cal utilitzar coixinets elàstics i aïllament de l'estructura del fuselatge, i per tant car. I l'ús de materials compostos pot millorar considerablement l'estructura del sòl de la resistència, la rigidesa, la fatiga i la resistència a la corrosió, pot reduir els connectors en un ordre de magnitud i pot reduir significativament el pes de l'estructura del sòl.

El panell de l'estructura sandvitx composta del sòl de l'avió sol estar fet de preimpregnat de fibra de vidre, fibra de carboni i preimpregnat de Kevlar, i la matriu es selecciona entre resina epoxi o resina fenòlica. Els nuclis de bresca s'utilitzen habitualment amb el bresca de Nomex.

Fig.4 Terra del compartiment de càrrega i passatgers de l'aeronau

4.2 Aplicació d'estructures sandvitx als sòls

El pis de la cabina principal de l'helicòpter civil Chinook Model 234 de Boeing mesura 2,5 mx 2,2 m cadascun i consta de quatre panells. Els panells són compostos de fibra de vidre/Kevlar49 amb nuclis de bresca de Nomex, i el terra sandvitx té quatre capes de panells superiors i inferiors cadascun, simètrics al nucli de bresca al mig. La primera i la segona capes són preimpregnats de fibra de vidre de 0 graus, i la tercera i quarta capes són preimpregnats de fibra Kevlar49 de direcció 0 graus. El nucli de Nomex té una alçada de 38 mm, una longitud de cel·la de 2 mm i una densitat de 48 kg/m3. Els panells i el nucli estan enganxats amb pel·lícula adhesiva EA9. També s'escull l'estructura sandvitx composta per al sòl de la cabina de Boeing 777, Boeing 787 Dreamliner i altres models d'avió.

MC GillCorp. producció de panells d'estructura sandvitx Gillfab4223 selecció de teixit de fibra de vidre, matriu per a la resina fenòlica, nucli per al panal d'abella de meta-aramida GillcoreHD, selecció de pel·lícula adhesiva del sistema epoxi. El gruix de tota l'estructura sandvitx és de 12,6 mm, el gruix del panell superior és d'1,27 mm i el gruix del panell inferior és de 0,508 mm. L'estructura sandvitx Gillfab4223 s'utilitza a l'Airbus A318/ A319/ A320/ A321/ A330/ A340/ A300/ A310/ A300-600. MC GillCorp. producció de panells d'estructura sandvitx Gillfab4505 selecció de cinturó unidireccional de fibra de carboni (la capa superficial del preimpregnat de fibra de vidre), la matriu per a la resina fenòlica, el nucli per a la bresca de meta-aramida GillcoreHD, selecció de pel·lícula adhesiva del sistema epoxi. El gruix de tota l'estructura sandvitx és de 9,5 mm i el gruix dels panells superior i inferior és de 0,5 mm. L'estructura sandvitx Gillfab4505 s'utilitza a Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340.

El sòl de càrrega del Fokker 100 és una estructura relativament senzilla, que és una estructura sandvitx composta amb una pell externa de làmines de -composites termoplàstics d'alt rendiment i un nucli de bresca Nomex. La pell i el nucli estan enganxats amb una pel·lícula epoxi.

El sòl de la bodega de càrrega d'un determinat model d'estructura sandvitx de bresca de Nomex es va preparar mitjançant un modelat per premsa en calent utilitzant preimpregnat de resina fenòlica reforçada amb fibra de vidre feta a si mateix com a matèria primera del panell per Niu Fangxu et al. de Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. Es van avaluar sistemàticament les propietats mecàniques i retardants de la flama del sòl i es van analitzar els efectes del tipus de preimpregnat, la temperatura de curat i el procés d'emmotllament sobre les propietats mecàniques dels panells de niu d'abella, i es van estudiar els factors que influeixen en les propietats ignífugues dels panells de bresca. Els resultats mostren que les propietats mecàniques del sòl del compartiment de càrrega preparat amb preimpregnat de fabricació pròpia són excel·lents, amb la càrrega final de flexió del feix llarg de fins a 4348N, la deflexió de només 6,79 mm a una càrrega de 445 N, el rendiment d'impacte fins a 17,1J i la força de pelat del rodet de fins a 4,79 mm/{160 N i la mateixa resistència a la peladura del rodet de fins a 4 mm/{160 N. temps, complint els estrictes requisits de retard de flama, que pot realitzar la substitució localitzada dels materials del sòl per a la zona de càrrega a granel de l'avió.

005 Conclusió

L'estructura sandvitx de niu d'abella d'alta resistència, alta rigidesa específica i baixa densitat, que es beneficia de les seves bones propietats de compressió i flexió, s'ha utilitzat en un gran nombre d'aplicacions en el camp de l'aviació civil. Aquest article analitza el progrés de la investigació i l'estat del desenvolupament de l'estructura sandvitx de niu d'abella, pinta encara més la seva aplicació en estructures típiques d'avions i conclou que amb el desenvolupament i la producció d'avions domèstics C919/C929, l'estructura sandvitx composta per a sòls d'avions té una àmplia gamma de perspectives d'aplicació. (Font: Fibre Composites)