大飞机垂直尾翼复合材料结构设计

大飞机垂直尾翼复合材料结构设计

刘岩

中航通飞华南飞机工业有限公司 广东珠海 519090

摘 要:随着社会经济的不断发展,航空领域的运行进程逐渐加快,航空装备发挥了很高的优势。其中，该项设备内的复合材料结构件使用数量逐渐增多，强化的飞机自身的抗冲击性能，从一定程度上确保了飞机安全行驶，在确保机身质量和强度以及改善飞机功能的基础上达到行业稳定运行的目的。面对竞争日益激烈的市场,航空制造企业要想在市场竞争中占据主导地位，并在市场上脱颖而出,关键在于动态探索复合材料结构制造设计,掌握若干关键点,优化创新测试技术,并在测试飞机复合材料结构性能的基础上,达到飞机稳定行驶的目的。本文主要对大飞机垂直尾翼复合材料结构设计的应用进行了探讨。

关键词:大型飞机;复合材料;结构制造;检测技术要点

随着社会科学技术的不断进步,复合材料已广泛应用于飞机制造的生产过程中。国内外许多专业致力于研究复合材料的装配与连接技术,并研究了许多新型复合材料和新工艺技术。然而,我国在这一领域的研究和应用还相对落后。对于复合材料来说,有着刚度性能大以及强度高和设计灵活性良好以及抗疲劳等诸多特征，基于优势极高而被普遍应用到了大型飞机制造中。在飞机结构中,中低复合材料结构的规范应用起着非常重要的作用,既能减轻飞机的重量,又能保证整体的稳定性。在大型飞机复合材料结构的制造过程中,应根据实际情况进行规范设计,以节约复合材料的输出成本,利用自动化和数字化技术的优势开展结构制造作业,确保大型飞机复合材料结构制造质量的整体提升。事实上,复合材料结构制造技术和检测技术种类很多,必须以标准化的方式进行选择,以加强复合材料结构的整体质量,保证飞机的稳定性。
一、大飞机复合材料技术的发展现状

我国航空复合材料的研究与开发起步不晚,始于20世纪70年代。自1983年强力5型飞机使用复合材料以来,我国航空装备复合材料消费量在20世纪80年代基本保持在1%的水平。应用部位主要包括天线罩、口盖类、设备舱类、发动机整流罩等非承力结构;20世纪90年代至21世纪初，从20世纪90年代到21世纪初,复合材料在战斗机上的应用可达6%。复合材料应用部件开始向二级承重部件发展,如复合材料的应用部位开始向垂尾、方向舵、副翼、水平尾翼等次承力构件发展，如歼7和歼8的垂尾。经过40多年的研发,我国先进复合材料的技术水平不断提高，复合材料已广泛应用于各类飞机上,并逐渐开始探索复合材料在飞机主要承载结构上的应用,如大型飞机的中翼箱。近10年来，随着大型飞机被列为国家中长期科学技术发展规划，先进复合材料技术的应用有了显著的提升，民用客机的复合材料用量最高可达20%。目前,国内已形成从设计、材料到制造的研发团队。各大主机厂均建有一定规模的复合材料生产车间,取得了一定的技术积累。各大科研机构和高校也培养了一大批专业人才。结合新车型的开发,各大主机制造商在复合材料零部件制造技术上取得了长足进步。
如上飞公司通过AＲJ21飞机、C919飞机研制，建立了较为完整的符合适航标准的复合制造技术体系,为后续发展奠定了良好的基础;通过业务整合,航空工业复合材料中心复合材料开发能力得到大幅提升。

二、大飞机垂直尾翼复合材料结构设计技术

（一）应用自动化制造技术

复合材料自动化制造技术的全面发展是降低成本产出的关键,涉及到自动铺装技术、自动铺设纤维技术和拉挤技术等多个方面。在检测期间,主要采用扫描等快速无损检测方法,提高生产效率,降低人工成本产出,全面遏制人为因素造成的不利影响,加强产品的整体质量。对于自动化铺装和自动化铺丝而言，其优点高,特点一致,体现在铺装速度极快,质量高等诸多优点上。特别是在大型复合材料垂直尾翼的制造过程中,其优势更加明显。前者一般应用于翼面等曲率小的零件,效率高;后者适用于复杂结构的应用，应用领域非常广泛,且效率远高于前者。

（二）数字化设计制造技术

现阶段，可以借助数字化以及制造技术对垂直尾翼制造周期进行有效检测，提升零件生产效率，减少研究复合材料的时间，降低材料消耗量和成本输出。现阶段，飞机结构复合材料垂直尾翼设计的实施主要是基于新的软件,利用可展示性分析以后使三维铺层结构转变成二位铺层，使用自动裁剪机控制软件对自动剪裁以及标识进行预浸料，这种技术起着非常重要的作用,逐渐将手工下料全部取代，利用激光投影定位技术的优势,在模具中精确实现铺装形状和纤维方向,确保铺叠整体精准性。
（三）整体性的胶结制造技术
复合整体成型技术,其实是指借助共同固化和液体成型技术使多项零件结构一次成型，采用该工艺可有效减少零件数量,提高零件质量。现阶段,相关结构中除了工型等复合材料加筋壁板之外，还应用了蜂窝夹层壁板结构，特征表现为上层和下层的面板是非常薄的，通常不会超过1mm。严格控制蜂窝夹层的实际厚度,以结构中的梁和墙作为支撑。

三、大飞机垂直尾翼复合材料结构检测技术的实际应用

（一）敲击检测技术

敲击检测方式的工作原理是对复合结构进行有效的敲击,并结合相关的声音来检查垂直尾翼结构是否受损。该方法在结构脱胶、分层损伤等方面具有极高的检测优势,且操作非常方便。在用垂直尾翼构件敲打夹层结构的过程中,一旦没有脱落现象,声音就非常清晰,而且发生脱胶现象后,整个声音就会有强烈的沉闷感。应用该方法时,相关人员结合获得的敲打频率对结构声变化现象进行区分,重点研究复合材料垂直尾翼结构的分层脱落现象,特别是夹层结构的检测。在应用这种方法进行测试时,将敲击小锤当做基本的敲击设别，因金属或者是木质消除为主。而且智能化敲击检测也是基于普通类型的敲击检测基础上形成的，采用新技术对结构进行数字化敲打操作,判断垂直尾翼结构的质量和缺陷。在环境十分安静领域内适合应用该项检测形式，有利于确保结构稳定性。
（二）超声波检测技术

超声波检测技术的工作原理是利用超声波穿透被测结构,结合实际超声波频率检测复合结构垂直尾翼的性能，目前正处于航空复合材料结构试验阶段。该检测技术应用程度高,具有灵活性强、操作方便等特点,不会对复合材料结构产生不利影响,便于外部维护。超声检测技术能够对复合材料结构的损伤进行动态检测,具有良好的发展前景。

3. 目测检测方式

员工应通过目测检查复合材料的完整性。在复合材料无损检测的实施过程中,需要采取目视检测方式将相关位置进行全部检查，这是检测过程中非常重要的一个方面,也是复合材料结构应用的最佳途径。但从实际情况来看,相关的外部因素和检测条件直接影响目视检测方法本身的性能,缺陷性较大，因此,可以利用照明工具辅助实施目视检查,将结构表面的裂纹现象彻底解决。
（四）X射线检测技术

对于x射线来说,属于一项电磁波，射线本身有很强的穿透力。通过被测物体后,逐渐吸收能量,强度降低。当大飞机垂直尾翼复合材料结构中出现裂纹等现象,或内部留有其他物质时,x射线吸收性能也会发生变化。采取x射线法,准确判断结构质量,了解到是否存在安全问题，此外,x射线也有利于材料本身裂纹的检验。

结束语

随着复合材料的研究和发明,复合材料在飞机制造中的应用越来越广泛,但我国复合材料的研究和应用技术还不成熟,有许多领域值得进一步深入研究和改进。在组装连接大飞机垂直尾翼复合材料结构时,应充分考虑连接时对连接工艺的具体要求,并在此基础上选择最合适的连接工艺。为了提高大飞机垂直尾翼复合材料结构的结构质量,有必要采取合理的方法对其进行检测。一旦出现问题,就要马上解决,这样才能更好的呈现出这款材料的有效性。

参考文献：
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