Kompozit méhsejt szendvicsszerkezetek alkalmazásai polgári repülőgépekben

Absztrakt:A kompozit méhsejt-szendvicsszerkezeteket számos alkalmazásban alkalmazzák a polgári repülőgépek területén, amelyeket nagy szilárdság, nagy fajlagos merevség, alacsony sűrűség, jó nyomó- és hajlítási tulajdonságok jellemeznek, stb. Az alkalmazási részek közé tartozik a törzs, a motorburkolat, burkolat, nyílás, antennafedél, elülső él és így tovább. A méhsejt alakú szendvicsszerkezet nagyszámú alkalmazása jelentősen csökkenti a repülőgép szerkezetének súlyát. Az öntési folyamat előrehaladtával és az anyagtulajdonságok javulásával a méhsejt-szendvicsszerkezet fokozatosan kerül alkalmazásra a padlón és más fő csapágyszerkezeteken. Ez a cikk először a méhsejt-szendvicsszerkezetek kutatási előrehaladását és fejlesztési folyamatát elemzi. Másodszor, megoldja a méhsejt-szendvicsszerkezetek alkalmazását a tipikus repülőgép-alkatrészeken. Végül bemutatja a méhsejt-szendvicsszerkezet alkalmazásának jelenlegi állását a polgári repülőgépek padlóján.

001 Bevezetés

A gazdasági-társadalmi fejlődéssel a közlekedés, azon belül is a légi közlekedés előtt két feladat áll: a szerkezetek össztömeg-csökkentése és a tömegcsökkentéshez közvetlenül kapcsolódó előnyök kérdése - az üzemanyag-fogyasztás csökkentése. A szerkezeti tömeg és az üzemanyag-fogyasztás különösen fontos a repülés területén. Jelenleg a méhsejt-szendvicsszerkezeteket széles körben használják törzsekben, nyílásokban, szárnyakban, farokban, padlókban, burkolatokban és antennaburkolatokban a repülési iparban. A méhsejt szendvicsszerkezetek jó szilárdság-tömeg arányt kínálnak. A kompozit bőrökhöz képest jobban teljesítenek oldalsó és hajlító terhelések alatt szerkezeti formájuk miatt, amely egy vastag, könnyű magból áll, amelyet két vékony, merev réteg vesz körül.

A méhsejt-szendvicsszerkezetek nagyszámú felhasználása jelentősen csökkentette a repülőgép-szerkezetek tömegét, köszönhetően jó nyomó- és hajlítási tulajdonságaiknak, olyannyira, hogy a méhsejt-szendvicsszerkezetek fokozatosan a fő tartószerkezetek, például a padlók felé mozdulnak el. A dolgozat tartalma alapvetően három részre tagolódik: egyrészt elemzi a méhsejt-szendvicsszerkezet kutatási előrehaladását és fejlesztési folyamatát; másodszor, kombinálja a méhsejt-szendvicsszerkezet alkalmazását a tipikus repülőgép-alkatrészeken a jelenleg használt modellekkel; végül bemutatja a méhsejt-szendvics szerkezet alkalmazásának jelenlegi állását a polgári repülőgépek padlózatán.

002 Honeycomb Sandwich szerkezet

A méhsejt szendvicsszerkezetet, amely először a bionikából származik, nagy fajlagos szilárdság, nagy fajlagos merevség és könnyű súly jellemzi az azonos típusú szilárd anyagokhoz képest, ezért széles körben alkalmazzák a repülésben, a szállításban és más területeken. A kompozit méhsejt-szendvicsszerkezet hatékonyan javítja a hajlítási merevséget, és növeli a hajlítási nyomatékoknak és nyomásoknak való ellenálló képességet nagyon kis tömegnövekedéssel, így ideálisabb könnyűszerkezetű szerkezet a repülés számára.

A kompozit méhsejt-szendvicsszerkezetek három összetevőből állnak: panelekből, méhsejt-magból és ragasztóanyagból.

(1) Panel. A panel a szendvicsszerkezet fő teherviselő része. A maganyaghoz képest a panelanyagot nagy sűrűség, nagy modulus és nagy szilárdság jellemzi. A kompozit panel anyaga általában alumíniumötvözet, titánötvözet, üvegszál erősítésű műanyag és egyéb anyagok. A szénszálból vagy üvegszálból álló egyirányú szalag- vagy szövetkompozitok többségét jelenleg az űrhajózási szerkezetekben használják.

(2) Méhsejt mag. A méhsejt szendvics szerkezet teljesítménye és a méhsejt geometriája a méhsejt mag anyagához kapcsolódik. Általában a méhsejt magok az anyagtól függően alumínium méhsejtmag, aramid méhsejtmag, üvegszálas méhsejtmag stb. Az aramid méhsejt meta-aramid méhsejtre és para-aramid méhsejtre oszlik. A mezo-aramid méhsejt egy meta-aramid, amelyet m-toluol-dikarbonil-klorid (MDCL) és m-fenilén-diamin (MPA) határfelületi polikondenzációjával vagy alacsony hőmérsékletű oldatos polikondenzációjával nyernek. A piacon a legelterjedtebb a meta-aramid, amelyet a DuPont talált fel és használt először az 1960-as években. A para-aramid méhsejt p-fenilén-diamin és p-fenilén-dikarbonil-klorid polikondenzációja, hogy para-aramidot kapjanak, Kevlar kereskedelmi néven. A meglévő aramid méhsejt mag főként meta-aramid, és a para-aramid kutatása nagyon kevés. A fő alkalmazási modelleket az 1. táblázat mutatja. Az aramid papír méhsejt (NOMEX méhsejt) fenolgyantával megnedvesített aramid papírból készül. Az alumínium méhsejthez képest az aramid méhsejt sokkal jobban ellenáll a helyi instabilitásnak, mert az aramid méhsejt sejtje vastagabb, mint az alumínium méhsejt. A Nomex méhsejt készítése kilenc folyamatból áll: aramid papír ragasztása, laminálás, préselés, vágás, nyújtás, méretezés, mártással, pácolással és szeleteléssel. Az AVIC Composites Co., Ltd. javította az aramid méhsejt bemerítési ragasztási folyamatát, megállapította az eljárás paramétereit, például a cella és a papír vastagságát, és levezette a sűrűségszabályozás empirikus képletét. A Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. hazai aramidpapírt használ méhsejt előállításához, a nyomó- és nyíró tulajdonságok képesek voltak megfelelni a HB5435-89 és a BMS8-124 követelményeinek, a dielektromos és égésgátló tulajdonságok is megfelelnek a szabványos követelményeket. A Meishi, a kínai Yantai Spandex Group Co., Ltd. leányvállalata különböző típusú méhsejt-magokat készített meta-aramid papírjából, érett eljárások során. Mag- és szendvicsszerkezetének síkbeli nyomószilárdsága és nyírószilárdsága szobahőmérsékleten képes elérni a Boeing BMS8-124 szabványban szereplő indexértékeket, és megfelel a mechanikai tulajdonságok felhasználási követelményeinek.

Tab.1 A méhsejt típusú fő alkalmazási modellek

(3) Ragasztó. A repülési méhsejt-szendvicsszerkezetekhez használt ragasztó általában szerkezeti ragasztó. A szerkezeti ragasztók azok, amelyek egy előre meghatározott időn belül jelentős erőhatásnak ellenállnak abban a környezetben, amelyben használják őket, és szilárdságuk és tartós élettartamuk megegyezik a ragasztott tárgyéval. Szerint a gyanta mátrix általában három fő kategóriába sorolják. Az első epoxi, epoxigyanta előnyei a kiváló kidolgozás, a hosszú felhordási idő és a legmagasabb, akár 232 fokos hőmérsékletállóság; A második kategória a biszmaleimid, amely több mint 232 fokos hőmérsékletet érhet el, és főként magasabb hőmérsékletű katonai repülőgépekben használják; A harmadik a cianosav-észter típusa, amely kiváló hőmérséklet- és dielektromos, valamint hő- és nedvességállósággal rendelkezik, ezért elsősorban olyan alkatrészekben használják, amelyeknek elektromos teljesítményigénye van. A légi közlekedésben általánosan használt epoxigyanta szerkezeti ragasztó, amint az a 2. táblázatban látható. Az Egyesült Államok Hexcel, Cytec és más cégek többféle felhasználási módot fejlesztettek ki az anyagrendszerhez, és az elmúlt években a hazai AVIC Composite Company is kifejlesztett egy közepes és magas hőmérsékletű ragasztót. gyantarendszer, például BA9913, BA9916, SY-24C-300 és így tovább.

Tabulátor.2 Hazai és külföldi repülőszerkezeti ragasztók

003 Méhsejt szendvicsszerkezetek tipikus repülőgép-alkatrészeken

Ami a nagy polgári repülőgépeket illeti, a Boeing 747-est (először 1969. február 9-én repült) nagy százalékban szendvics konstrukcióval tervezték (1. ábra). A szárny felületének körülbelül a fele, beleértve a bevezető és a hátsó éleket is, üvegszálból és Nomex méhsejtből készült. A Boeing 747-ben a törzs hengeres héja főként Nomex méhsejtből készült, a padló, az oldallapok, a felső szemeteskukák és a mennyezet is méhsejtből készült. A szárnyak többsége ugyanabból a méhsejt szerkezetből készül, de alumínium méhsejtet és bőrt is használnak. A B787 méhsejt szendvicsszerkezetű alkalmazásai közé tartozik a kormány, a felvonó, a szárnyvégek és a motorgondolatok. Ezek közül a motorgondolatok és a tolóerő irányváltók HexWeb méhsejtből és HexPly8552/AS4 prepreg anyagból készülnek. A könnyű súly és a nagy merevség, valamint az akusztikai elnyelés előnyei miatt a HexWeb méhsejtet a világ összes jelentős motorgyártója alkalmazta. A Boeing 707 esetében csak 8%-a méhsejt, az újabb Boeing 757/46-nál pedig 46%-a méhsejt.

Ábra.1 Illusztráció a B747 szendvicsszerkezet alkalmazás egy részének (kék terület)

Méhsejt szendvicsszerkezet a nagy polgári repülőgépek alkalmazásában a legkorábbi az Airbus A310-es repülőgépkormányban, majd az A320-as, A340-es kormányban használatos. A legnagyobb méhsejt-szendvicsszerkezet az A340-es kormánylapát, melynek területe 15,3 m²méhsejt szendvics szerkezetű. A legnagyobb egyrepülős adagolás az A380-as repülőgéphez, méhsejt szendvics szerkezetének mennyisége 4,000 m², főleg nagy méretű szerkezeti elemekhez használják, beleértve a hasfalat, padlóburkolatot stb. A padlóburkolat pedig főként az MC GillCorp Gillfab4909 szendvicspaneleiből készül. Kevlár méhsejt. Az Airbus A380 padlószerkezete számos Nomex méhsejt-szendvics kompozitból készült, amelyek kiváló anyagok, amelyek lehetővé teszik, hogy az A380 20,{5}} órás üzemidőt érjen el, így biztosítva a repülőgép üzemben tartását. több mint 10 éve. Azóta a kompozitok felhasználása jelentősen megnőtt, különösen az ATR72-vel, amely az első polgári repülőgép volt, amelyet karbon alapszerkezettel (szárnydoboz) tanúsítottak (lásd 2. ábra). Ahogy a 3. ábrán látható, a szendvicsanyagok aránya a másodlagos szerkezetekben csökkent. Az A380-nál, Boeing 787-nél vagy Airbus A350-nél csak a hasfal, a gondolák és az első futómű ajtók, egyes csűrők és kormányok továbbra is szendvics konstrukcióból készülnek, a többi önerősítő monolit szerkezet.

2. ábra ATR72 kompozitok alkalmazása

(a) Az A380 szendvicsszerkezete (b) Az A350 és B787 kompozit készlet szendvicsszerkezete szerkezet

Ábra.3 A repülőgép szendvicsszerkezetének diagramja

A polgári repülőgépekkel összehasonlítva a méhsejt-szendvicsszerkezet alkalmazása az általános repülőgépeken elsősorban a törzs használatában nyilvánul meg, mint például a HawkerBeechcraf PremierI, Hawker 4000 és a "Miniszterelnök" IA repülőgépei, a Bombardier Aerospace Learjet 85 repülőgépei és így tovább. A PremierI az első FAA-tanúsítvánnyal rendelkező, teljesen kompozit törzsű sugárhajtású üzleti sugárhajtású repülőgép, a teljes törzs méhsejt-szendvics szerkezetű karbon panelekből készül, teljes vastagsága 20,6 mm, a törzs tartó- és keretmentes, mint a hagyományos alumínium szerkezet 25%-kal csökkenti a tömeget, és 13%-kal növelte a kabintér térfogatát. A jelenleg gyártás alatt álló Hawker 4000-es repülőgép törzsszerkezete három, a szárnyakon összekapcsolt hordószerkezetből áll, a hordók méhsejt-szendvicsszerkezetek, a bőr lerakása a MAG Cincinnati Viper automata drótfektető gépével történik. A Nomex méhsejt-szendvicsszerkezetű kompozit komponenseket számos alkalmazásban használják Oroszországban repülőgép-alkatrészek, például szárnyak, csűrők, törzsfalpanelek, hajtóművek, pilótafülke, rakterek, vízszintes farok, szárnyak elülső élei, helikopter-rotor farok gerendái és más repülőgépek esetében. alkatrészek.

Az AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. és más egységek hazai gyártása nagyszámú gyanta mátrixú kompozit anyagból (mint pl. drog, lapát, lapos farok és rotor stb.) és Nomex méhsejt szendvicsszerkezetű kompozit anyagokból (törzs) panelek, padlók, farok gerendák stb.), ami jelentősen csökkenti a teljes törzs tömegét, javítja az alkatrészek fáradási szilárdságát, és javítja az aerodinamikai jellemzőket, hogy javítsa a helikopter repülési minőségét. Becslések szerint a motoron és a hajtásláncon kívül közel 300 repülőgép-alkatrész készül Nomex méhsejt-szendvics kompozitokból. Minden alkatrész Nomex méhsejt maganyagot használ, 3 sűrűséggel és 12 specifikációval. A Nomex méhsejt alakú maganyag mennyisége a teljes törzsben több mint 200 m2, lefedettsége pedig a teljes törzs mintegy 80%-át teszi ki, amely jelenleg azon repülőgéptípusok közé tartozik, amelyek Kínában a legtöbbször használnak Nomex méhsejt-szendvics szerkezeti kompozitokat. .

004 Méhsejt-szendvicsszerkezet alkalmazása polgári repülőgépek padlózatán

4.1 A repülőgép utas- és raktérpadlójának kutatási státusza

A hagyományos repülőgéppadlók, az utas- és rakománypadlók fémből készülnek. Minden emeleten több száz szegecs és csavar található, de rugalmas párnákat és törzsszerkezeti szigetelést is kell használni, ezért drága. A kompozit anyagok használata pedig nagymértékben javíthatja a padlószerkezet szilárdságát, merevségét, fáradtságát és korrózióállóságát, nagyságrenddel csökkentheti a csatlakozókat, és jelentősen csökkentheti a padlószerkezet súlyát.

A repülőgéppadló kompozit szendvicsszerkezetének panelje általában üvegszálas prepregből, szénszálból és Kevlar prepregből készül, a mátrix pedig epoxigyanta vagy fenolgyanta. A méhsejt magokat általában a Nomex méhsejttel használják.

Ábra.4 Repülőgép utas- és rakterének padlóburkolata

4.2 Szendvicsszerkezetek alkalmazása padlóra

A Boeing Model 234 polgári Chinook helikopter fő kabinpadlója egyenként 2,5 x 2,2 méteres, és négy panelből áll. A panelek üvegszálas/Kevlar49 kompozitok Nomex méhsejtmagokkal, a szendvicspanelben pedig négy-négy réteg felső és alsó panelelrendezés található, szimmetrikusan a középső méhsejtmaggal. Az első és a második réteg 0 fokos üvegszálas prepreg, a harmadik és negyedik réteg pedig 0 fokos irányú Kevlar49 szálas prepreg. A Nomex mag magassága 38 mm, cella hossza 2 mm, sűrűsége 48 kg/m3. A panelek és a mag EA9 ragasztófóliával vannak összeragasztva. Kompozit szendvicsszerkezetet választottak a Boeing 777, Boeing 787 Dreamliner és más repülőgépmodellek utasterének padlójára is.

MC GillCorp. Gillfab4223 szendvics szerkezetű panel gyártása üvegszálas szövetből, mátrix a fenolgyantához, mag a GillcoreHD meta-aramid méhsejthez, ragasztófólia válogatás epoxi rendszerhez. A teljes szendvicsszerkezet vastagsága 12,6 mm, a felső panel vastagsága 1,27 mm, az alsó panel vastagsága 0,508 mm. A Gillfab4223 szendvicsszerkezetet az Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340/A300/A310/A{17}} használják. MC GillCorp. Gillfab4505 szendvics szerkezetű panel gyártása szénszálas egyirányú szalag (a felületi réteg az üvegszálas prepreg számára), a fenolgyanta mátrixa, a GillcoreHD meta-aramid méhsejt magja, epoxi rendszer ragasztófólia kiválasztása. A teljes szendvicsszerkezet vastagsága 9,5 mm, a felső és alsó panelek vastagsága 0,5 mm. A Gillfab4505 szendvicsszerkezetet az Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340-ben használják.

A Fokker 100 rakodópadlója egy viszonylag egyszerű szerkezet, amely egy kompozit szendvicsszerkezet, nagy teljesítményű hőre lágyuló kompozit lemezekből álló külső borítással és Nomex méhsejt maggal. A héj és a mag epoxi fóliával van összeragasztva.

A Nomex méhsejt-szendvicsszerkezet egy bizonyos modelljének raktérpadlóját melegsajtolással készítették elő, a panel alapanyagaként saját készítésű üvegszál erősítésű fenolgyanta prepreg felhasználásával Niu Fangxu et al. A Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. cégének szisztematikusan értékelték a padló mechanikai és égésgátló tulajdonságait, valamint elemezték a prepreg típus, a kikeményedési hőmérséklet és a formázási folyamat hatását a méhsejtlemezek mechanikai tulajdonságaira, valamint a befolyásoló tényezőket. a méhsejt panelek égésgátló tulajdonságait tanulmányozták. Az eredmények azt mutatják, hogy a saját készítésű prepreggel előkészített raktérpadló mechanikai tulajdonságai kiválóak, a hosszú gerenda hajlítási maximális terhelése 4348 N-ig, az elhajlás 445 N terhelésnél mindössze 6,79 mm, az ütési teljesítmény pedig 4348 N-ig. 17,1 J, és a görgős leválási szilárdság 66,4 N-mm/mm-ig, ugyanakkor megfelel a szigorú égésgátlási követelményeknek, amely lehetővé teszi a padlóburkolatok helyi helyettesítését a repülőgép ömlesztett rakterében.

005 Következtetés

A nagy szilárdságú, nagy fajlagos merevségű és kis sűrűségű méhsejt szendvicsszerkezetet, amely jó nyomó- és hajlítási tulajdonságainak köszönhetően számos alkalmazásban alkalmazták a polgári repülőgépek területén. Ez a cikk elemzi a méhsejtszerkezetű szendvicsszerkezetek kutatásának előrehaladását és fejlesztési helyzetét, tovább fésüli alkalmazását tipikus repülőgép-szerkezeteken, és arra a következtetésre jut, hogy a C919/C929 hazai repülőgépek fejlesztésével és gyártásával a repülőgéppadló kompozit szendvicsszerkezete széles körben alkalmazható. (Forrás: Fibre Composites)