新视点
NEW VIEWPOINT
64航空制造技术２００６年第３期
目前，复合材料在飞机上的应用已非常广泛，但在２０世纪９０年代初复合材料市场曾一度陷入低靡，究其原因是由于复合材料设计制造的复杂性造成了成本壁垒，人们开始认识到只有重视性能和成本的平衡，才能使复合材料展现辉煌。随着复合材料先进技术的成熟，使其性能最优和低成本成为可能，大大推动了复合材料在飞机上的广泛应用。本文在介绍国外复合材料在飞机上广泛应用的基础
上，对作为技术保障的数字化设计技术和先进制造技术进行了分析研究。从国外情况看，各种先进的飞机都与复合材料的应用密不可分，复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。下面介绍复合材料在飞机上应用的发展趋势。
（１） 复合材料在飞机上的用量日益增多。
复合材料在飞机上
的应用评述
北京航空航天大学机械工程及自动化学院 张丽华 范玉青
复合材料用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比表示，纵观复合材料在民机上的发展情况发现，无论是波音公司还是空中客车公司，随着时间推移，复合材料的用量都呈增长趋势。最具代表意义的是空客公司的Ａ３８０客机和波音公司最新推出的７８７客机。在Ａ３８０上仅碳纤维复合材料的用量就达３２ｔ左右，占结构总重的１５％，再加上其他种类的复合材料，估计其总用量可达２５％左右。７８７
上初步估计复合材料用量可达５０％，远远超过了Ａ３８０。另外，复合材料
在军机和直升机上的用量也有同样的
增长趋势。（２） 应用部位由次承力结构向主承力结构过渡。
飞机上最初采用复合材料的部位有舱门、整流罩、安定面等次承力结
构，目前已广泛应用于机翼、机身等部位，向主承力结构过渡。从１９８２年开始用复合材料制造飞行操纵面（如Ａ３１０－２００飞机的升降舵和方向舵），空客公司在主承力结构上使用复合材
料已有２０多年的经验。在Ａ３８０上采用的碳纤维复合材料大型构件主要有中央翼盒、翼肋、机身上蒙皮壁板、机身后段、机身尾段、地板梁、后承压框、垂尾等，大量的主承力结构都采用了复合材料。７８７复合材料的应用则更让世人瞩目，其机身和机翼部位采用碳纤维增强层合板结构代替铝合金；发动机短舱、水平尾翼和垂直尾翼、舵面、翼尖等部位采用碳纤维增强夹芯板结构；机身与机翼衔接处的整流蒙皮采用玻璃纤维增强复合材料。与Ａ３８０相比其用量更大，主承载部位的应用更加广泛，这将是世界上采用复合材料最多的大型商用喷气客机。
（３） 复合材料在复杂曲面构件上的应用越来越多。
飞机上复杂曲面零件很多，复合材料的应用也越来越多，比如Ａ３８０机身１９段、１９．１段和球面后压力隔框等均为采用复合材料的具有复杂曲
复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一；复合材料构件的整体成型、共固化技术不断进展，复杂曲面构件不断扩大应用；复合材料的数字化设计，设计、制造一体化，以及基于三维模型铺层展开的专用设计／制造软件等技术的开发是先进复合材料发展的基本技术保障
复合材料在飞机上的应用
NEW VIEWPOINT
新视点
65
航空制造技术
２００６年第３期面的大尺寸受力组件，分别采用纤维铺放技术和树脂膜渗透（ＲＦＩ）工艺制造。在大型复杂曲面构件上应用复合材料最典型的例子，当属洛克希德·马丁公司在ＪＳＦ项目中的复合材料进气道。采用纤维铺放技术制造的ＪＳＦ进气道，通道截面沿Ｓ形轴线由矩形向圆形过渡，同时直径逐渐变小，形状非常复杂。该进气道由４部分碳－环氧复合材料结构组成，采用夹芯结构增强刚度，实现减重并降低了成本。
在复杂曲面轮廓上应用复合材料存在潜在的制造变形问题，与铺层边界吻合的复杂曲面的铺层展开形状难以确定，更严重的是铺层甚至无法展开，在设计制造方面具有很大的难度，该类零件的设计具有挑战性。
（４） 构件向整体成型、共固化方向发展。
飞机上大量采用复合材料的一个主要目的就是减重，而复合材料构件的共固化、整体成型能够成型大型整体部件，可以明显减少零件、紧固件和模具的数量。减少装配是复合材料结构减重的重要措施，也是降低成本的有效方法。
构件整体成型最有代表性的例子是ＰｒｅｍｉｅⅠ商务机采用纤维铺放技术制造的整体成型机身结构。该机身厚度为２０．６ｍｍ，采用碳纤维增强复合材料作为面板的蜂窝夹层结构，消除了传统铝制机身中需要的桁条和框架，由此比相同尺寸的飞机增加了３３％的客舱空间，并带来了２５％的减重。ＰｒｅｍｉｅⅠ商务机的机身只有两个整体成型的部件构成，整个机身质量小于２７３ｋｇ，而同样大小的铝合金机身结构将包括加强筋、框架、舱壁、外蒙皮等，零部件数目超过３０００个，质量至少为４５４ｋｇ。零部件数目的减少在很大程度上缩短了生产周期，减少了在制造和装配部件过程中的工时，从而大幅度降低成本。然而，当越来越多的功能被集成到单一部件中
时，复杂程度大大增加，使设计和制造具有更大难度，需要设计的创新以及制造集成零件的先进技术来保证。由于复合材料设计制造的独特
性，设计、材料、工艺要求一体化以及在主承力结构、复杂曲面轮廓上应用复合材料和构件整体成型所带来的问题，使复合材料构件的成本、性能都受到影响。大量复合材料的应用具有很大的挑战性，必须以先进的复合技术作为技术保障，主要包括复合材料数字化设计、先进制造技术以及设计、制造一体化等。
１ 复合材料数字化设计
在复合材料数字化设计、制造环境下进行复合材料构件的结构设计、铺层设计、铺层展开以及制造数据准备等工作，复合材料专用设计／制造软件是不可缺少的工具。目前世界领先的复合材料专用设计／制造软件有ＣＡＴＩＡ ＣＰＤ（ＣＡＴＩＡ－ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＤｅｓｉｇｎ）模块和ＶＩＳＴＡＧＹ公司开发的ＦｉｂｅｒＳＩＭ软件。前者与ＣＡＴＩＡ系统全面集成，后者亦能完全集成到ＣＡＴＩＡ、Ｐｒｏ／Ｅ以及ＵＧ等ＣＡＤ软
件中。复合材料设计／制造软件与已
有ＣＡＤ系统的集成提供了高效的复合材料数字化设计／制造工具。
复合材料数字化设计不仅包括构
件的几何建模，更为关键的是体现制造信息的铺层设计。复合材料数字化设计分为初步设计、详细设计和制造准备３个阶段。
在初步设计阶段，先采用三维ＣＡＤ软件构建三维数字样机，定义构件的形状以及定位特征，以便在其工装设计以及数字化装配中应用。在几何建模的基础上，定位构件的结构区域，完成层合板的定义。
初步设计之后，进入详细设计阶
段。依据分析软件的区域划分以及各区域的详细铺层定义数据，设计者定义构件的铺层集以及铺层集中的每一个铺层，包括几何轮廓、铺设角度、辅设顺序、材料类型、参考坐标系、相邻铺层集之间的铺层递减信息以及铺层集中铺层数目的定义等。完成铺层定义后，利用铺层分析工具对定义好的铺层进行分析，如指定位置的夹芯检查、剖切面检查以及重量和面积计算等，检验实际铺层与预期铺层定义的差别，并指导铺层的修改。
技术保障
