需求的变化，材料的变化，复合材料的增长

作者：Robert Yancey    来源：Aerospace Manufacturing and Design杂志

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 复合材料的重量当然远小于常规的铝和钛材料，并且还有许多其他的好处。 碳纤维增强塑料（CFRP）本质上是非常硬的，与其他材料相比，当用该材料构造机身时，飞机的核心结构会更坚硬。因此，当飞行时机舱压力可以在一个较高的水平上，更接近地面的空气压力。研究表明，随着机舱内压力的升高，在飞行时会减少乘客的疲劳，降落时会减轻耳鸣。此外，由于机身更坚固，窗户可以更大，因此乘客不必低头去看窗外。 非常重要的是，通常来说复合材料不像金属材料那样容易疲劳。对金属物质来说，在机舱增压和减压的反复循环后，任何细小的缺陷都会变大，并随着时间的推移形成裂缝。疲劳失效已被记录在一些知名度很高的事件里，由于金属疲劳旧飞机产生孔洞或失去了整个机身部分。 由于复合材料是由两种材料制成的，任何产生于塑料基体的裂缝，在遇到更坚硬的纤维之前通常只前进很短的距离，纤维将阻止裂缝的产生。多基体裂缝连接起来会引起故障，或在某些情况下，纤维也可以裂开。这样的裂缝通常是极端负载情况导致的结果，非常罕见，而在金属结构中的疲劳在正常工作条件下就能发生。 复合材料的另一个优点是，它们使传感器容易被嵌入，从而使工作人员可以监视结构中的任何损坏，使得损坏不太可能进展到结构性失效的点。除了监裂化，传感器还可以检测由于吸湿或太阳辐射所产生的材料性能退化。这些问题通常用适当的涂料就可以得到控制。 复合材料的优势还在于他们不易被腐蚀。除了疲劳，腐蚀破坏是导致金属结构失效的主要原因。金属飞机的腐蚀问题是空气舱飞行时如此干燥的主要原因。湿度低，加上低压，就会造成乘客的疲劳和不适。在具有了复合材料机身后，空气舱将有较高的湿度水平，这会进一步改善旅客的体验。 潜在的缺点 总结之前所说的，复合材料有其自身明显的问题，其中最突出的就是分层。碳纤维布（CRFPs）由称为帘布层的织物层制成，在预先定义的纤维方向上建立一个层合板，然后将它们堆叠起来。层压材料在层合板的面内，或顺着纤维的方向是非常强的。在垂直于层叠方向的方向上，复合材料本质上比较薄弱，因为在这个方向上没有纤维。这个方向上复合材料的强度依赖于性能远远弱于纤维的塑性材料。因此，任何垂直于层叠方向的负载都会引起分层，而帘布层的分离就始于这里。 压缩载荷也能引起分层，就像你压一叠纸的端部它会分开一样。甚至面内的负载也可能导致平面外的力作用于一个复合层压材料边缘，引起分层。工程师必须小心设计复合层压材料的结构，以确保加载主要是在平面内，控制好屈曲载荷，并考虑边缘效应。 另外一个挑战是，当试图检查复合材料是否有损伤时所呈现的难度。脱层和基体开裂产生于复合材料内部，不像金属，复合材料的损伤无法通过目测检测到，因为这些裂缝许多都存在于子表面。各种无损检测技术已经发展到可以找到这种类型的损伤，但这些技术往往不同于且难于金属结构检测的常用方法。复合物的检测方法包括前面提到的嵌入式传感器。 复合材料尤为困难的一个问题涉及到连接方法。每当一个复合组件必须连接到金属时，必须非常小心。由于复合材料比金属更坚硬，复合材料倾向于承载大部分的负荷，因此，必须构建复合材料，额外的材料则增加而不是减少了重量。此外，金属材料比复合材料扩张和收缩得多，设计人员必须解决这种热失配引起的问题。解决的方法是需要往回增加重量。但是，如果一种复合结构加入到另一种复合材料部件中去，差别会消失，因此，复合材料使用的越多，设计人员越无须担心复合材料接合金属材料的问题。此外，如果复合结构被制造成一个整体结构，可以避免用传统的连接方法（如粘接或铆接）。例如，787的机身部分就是一个完全的整体结构。 飞机制造商越来越多地依靠计算机模拟来设计复合材料结构。必须考虑的变量越来越多，使得复合材料结构（如层数和铺层角度）的设计更加困难，因此计算机仿真变得更加有必要。此外，材料刚度的增加往往需要非线性方法来分析处理大的变形。传统的金属机身经常依靠非线性有限元分析，如NASTRAN，对复合材料结构来说，这往往是不够的。 复合材料的契机 有了复合材料学里更可靠的模拟选择和进展，航空业以越来越快的速度将复合材料纳入飞机的设计里。波音787和空客A350超过50％的部分由复合材料结构组成。虽然复合材料在飞机上的这种广泛应用是最近的发展，在过去的几十年里碳纤维已被用于一些主要的结构，如尾部和非主要结构货舱。 权衡问题 考虑到所有这些因素，就其本质、必要性和一个保守集团而言，中航工业已倾向于对材料采取较为保守的做法。该行业拥有超过80年的关于金属结构的坚实数据，但复合材料性能的数据却很少。航空航天公司正在享受复合材料重量更轻的特点，由于不熟悉这些材料和其测试，他们在设计上依然保守。计算机分析方法在复合材料结构的设计中扮演着重要角色，可以更好地理解性能，更好地获得所需的测试数据。 复合材料行业有个相关的问题是，其制造过程和金属材料大为不同的。航空业将需要安装全新类型的工装设备，用以生产复合材料结构。 25年前，汽车行业面临着类似的情况。在汽车领域，复合材料及成型的车身面板变得更加标准，考虑到这种变化，汽车制造商已经改进了他们的生产方法和工具。事实上，由于汽车行业对体积的要求，以及采用了更多的复合材料，以满足燃油效率的要求，他们可能会在提高生产效率上产生显著影响。拥有了新的航空复合材料，自动化已经发挥了重要作用，但还需要不断地改进。 解决面临的挑战 正因为复合材料在潜在的损坏和制造方法的复杂性上与金属材料不同，增加的复杂性也进入了适用于复合材料的计算机模拟里。模拟复合材料结构需要分析一种异构材料，这种异构材料由具有方向性的各层粘接在一起，具有独特的性质和变化，而不是分析金属结构均匀的材料特性。 然而，这种复杂性使得模拟对于成功生产更加重要。质量检验不能仅靠肉眼来检查部件，工程师需要复习结构数学，以了解它的性质，而模拟是获得那种类型数据的唯一方法。虽然飞机上许多金属部件并没有进行过模拟，但所有由复合材料制成的结构必须经过模拟。 在计算材料的复杂性和设计复合材料的变量上，Altair公司的产品设计应用其优化技术来指导复合材料结构的生产，确定什么地方层数应减少或组合，以及该如何导向。这些类型的参数不能像传统分析工具一样在模拟中自动变化，传统分析工具只能简单地分析结构，不能帮助判断为了实现最终的性能结构应如何设计。大多数复合材料是层合结构，但确定如何布层仍是一门艺术，而不是一门科学。模拟可以提供必要的计算，供制造艺术家构建结构。许多年前，Altair开发了一套优化算法，专门用于设计复合材料，这是其他软件供应商还没有实现的。 在优化的过程中，仿真工具也显现出轻量化的可能和出色的观察力，得出复合结构哪里可能承受关键的负载。利用物理系统将数据转换成形状和尺寸，以提供最佳的结构，最轻的重量和最大的可持续性。 复合材料的未来 787和A350的设计已经使用了50％以上的复合材料。基于该经验，庞巴迪正在为其C系列飞机创建一个复合材料机翼蒙皮和机身，这将在同一市场上与波音737和空客A320竞争。 在某些情况下，对有大约90个座位的小飞机来说，复合材料可能不是最好的选择，因为其成本和效益的比率与大型飞机不同。使用复合材料的高成本可能会超过燃油效率方面的效益。即在大的燃料节省对飞机拥有者来说非常重要的情况下，一些非常小的只能容纳4到9人的飞机正在用90％的复合材料建造。 行业继续朝着复合材料的方向发展，但一些人怀疑复合材料是否适合如今所有类型的飞机。随着制造技术的提高，几乎所有的飞机都可能受益于这些新材料，就像汽车行业已在车身面板中使用了复合材料，实现了制造方面的突破。 复合材料为航空业展现了广阔的前景。正如787和A350所证明的，并且更多的数据显示出了它们的性能，越来越多的飞机制造商开始投资于该技术。随着时间的推移，有限元分析和优化仿真工具将有助于减少更省油飞机研制道路上的麻烦。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/4/2013)