Примене композитних саћастих сендвич структура у цивилним авионима

Апстракт:Композитне саћасте сендвич структуре се користе у великом броју примена у области цивилних авиона, које се одликују великом чврстоћом, високом специфичном крутошћу, малом густином, добрим својствима при притиску и савијању, итд. Делови примене укључују труп, поклопац мотора, облогу, отвор, поклопац антене, предњу ивицу и тако даље. Велики број примена сендвич структуре у облику саћа значајно смањује тежину конструкције авиона. Са напретком процеса обликовања и побољшањем својстава материјала, сендвич структура саћа се постепено примењује на под и друге главне носеће структуре. У овом раду је најпре анализиран напредак истраживања и процес развоја сендвич структура у облику саћа. Друго, решава примену сендвич структура у облику саћа на типичним компонентама авиона. Коначно, уводи се тренутни статус примене сендвич структуре саћа на поду цивилних авиона.

001 Увод

Са социо{0}}економским развојем, постоје два задатка са којима се суочава област транспорта, посебно ваздушног саобраћаја: свеукупно смањење тежине конструкција и питање предности које су директно повезане са смањењем тежине - смањење потрошње горива. Структурна тежина и потрошња горива су посебно важни у области ваздухопловства. Тренутно, саћасте сендвич структуре се широко користе у труповима, отворима, крилима, реповима, подовима, облогама и поклопцима антена у ваздухопловној индустрији. Сендвич структуре у облику саћа нуде добар однос снаге-и-тежине. У поређењу са композитним слојевима, они боље раде под бочним оптерећењима и оптерећењима на савијање због своје структурне форме, која се састоји од дебелог, лаганог језгра окруженог са два танка, крута слоја.

Велики број примена сендвич конструкција у облику саћа значајно је смањио тежину конструкција авиона, захваљујући њиховим добрим својствима компресије и савијања, у толикој мери да се сендвич конструкције у облику саћа постепено крећу ка главним носивим конструкцијама као што су подови. Садржај овог рада углавном је подељен на три дела: прво, анализира напредак истраживања и процес развоја сендвич структуре саћа; друго, комбинује примену сендвич структуре у облику саћа на типичним компонентама авиона са тренутно коришћеним моделима; на крају, уводи тренутни статус примене саћасте сендвич структуре на подовима цивилних авиона.

002 Саћа сендвич структура

Структура сендвича у облику саћа, која је прво настала у бионици, одликује се високом специфичном чврстоћом, високом специфичном крутошћу и малом тежином у поређењу са истом врстом чврстог материјала, и стога се широко користи у авијацији, транспорту и другим пољима. Композитна сендвич структура у облику саћа може ефикасно побољшати крутост савијања и побољшати способност да издржи моменте савијања и притиске уз врло мало повећање тежине, што је чини идеалнијом лаганом структуром за авијацију.

Композитне сендвич структуре у облику саћа састоје се од три компоненте: панела, саћастог језгра и лепка.

(1) Панел. Панел је главни{2}}део сендвич структуре који носи оптерећење. У поређењу са материјалом језгра, материјал панела се одликује великом густином, високим модулом и високом чврстоћом. Композитни материјал панела је обично легура алуминијума, легура титанијума, пластика ојачана стакленим влакнима и други материјали. Већина једносмерних трака или композита тканина од угљеничних влакана или стаклених влакана тренутно се користи у ваздухопловним структурама.

(2) Језгро саћа. Перформансе сендвич структуре саћа и геометрија саћа су повезане са материјалом језгра саћа. Генерално, језгра саћа су доступна као алуминијумско саћасто језгро, арамидно саћасто језгро, језгро саћа од фибергласа итд. у зависности од материјала. Арамидно саће се дели на мета-арамидно саће и пара-арамидно саће. Мезо-арамидно саће је мета-арамид добијен међуфазном поликондензацијом или поликондензацијом раствора на ниским температурама м-толуен дикарбонил хлорида (МДЦЛ) и м-фенилендиамина (МПА). Најчешћи на тржишту је мета{14}}арамид који је први изумео и ставио у употребу ДуПонт 1960-их. Пара{17}}арамидно саће је п-фенилендиамин и п-фенилендикарбонил хлорид поликондензација да би се добио пара{20}}арамид, трговачки назив Кевлар. Постојеће језгро арамидног саћа је углавном мета{22}}арамид, а истраживања пара{23}}арамида су врло мала. Главни модели примене су приказани у табели 1. Саће од арамидног папира (НОМЕКС хонеицомб) је направљено од арамидног папира навлаженог фенолном смолом. У поређењу са алуминијумским саћем, арамидно саће је много отпорније на локалну нестабилност јер је ћелија саћа арамидног саћа дебља од оне од алуминијумског саћа. Припрема Номек саћа се састоји од девет процеса: лепљења арамидног папира, каширања, пресовања, сечења, развлачења, развлачења, сечења, цурења. АВИЦ Цомпоситес Цо., Лтд. је побољшао процес лепљења арамидног саћа, закључио параметре процеса као што су дебљина ћелије и папира и извео емпиријску формулу за контролу густине. Сузхоу Фанглеи Хонеицомб Цомпоситес Цо., Лтд. користи домаћи арамидни папир за припрему саћа, својства компресије и смицања су успели да задовоље захтеве ХБ5435-89 и БМС8-124, диелектрична својства и својства отпорности на ватру такође испуњавају стандардне захтеве. Меисхи, подружница кинеске Иантаи Спандек Гроуп Цо., Лтд., припремила је различите врсте језгри саћа од свог мета-арамидног папира кроз низ зрелих процеса. Отпорност на компресију у равни и отпорност на смицање његове језгре и сендвич структуре на собној температури могу да достигну вредности индекса у стандарду Боеинг БМС8-124 и могу да задовоље захтеве употребе механичких својстава.

Таб.1 Главни модели примене типа саћа

(3) Лепак. Лепак који се користи за ваздушне сендвич структуре у облику саћа је обично структурни лепак. Структурални лепкови су они који могу да издрже знатну силу у унапред одређеном временском периоду, у окружењу у којем се користе, и имају снагу и издржљив радни век који одговарају оној на предмету на који су причвршћени. Према смоли матрица се генерално дели у три главне категорије. Прва епоксидна, епоксидна смола има предности одличне израде, дугог периода примене и највеће температурне отпорности до 232 степена; Друга категорија је бисмалеимид, који може достићи температуру већу од 232 степена, а углавном се користи у војним авионима са вишим температурама; Трећи је тип естра цијанокиселине, који има одличну отпорност на температуру, диелектричност и отпорност на топлоту и влагу, тако да се углавном користи у компонентама са захтевима за електричне перформансе компоненти. Структурни лепак од епоксидне смоле који се обично користи у ваздухопловству као што је приказано у табели 2. Хекцел, Цитец и друге компаније из Сједињених Држава развиле су различите употребе система материјала, а последњих година домаћа компанија АВИЦ Цомпосите Цомпани је такође развила систем смоле средње и високе температуре, као што су БА9913, БА9916-30-24Ц и тако даље.

Таб.2 Домаћи и страни ваздухопловни структурни лепкови

003 Сендвич структуре у облику саћа на типичним компонентама авиона

Што се великих цивилних авиона тиче, Боинг 747 (први лет 9. фебруара 1969. године) је пројектован са великим процентом сендвич конструкције (слика 1). Има око половине површине крила, укључујући предњу и задњу ивицу, од фибергласа и саћа Номек. У Боингу 747, цилиндрична шкољка трупа је углавном саћа од Номека, а под, бочне плоче, надземне канте за смеће и плафон су такође направљени од саћа. Већина клапни је направљена од исте структуре саћа, али се такође користе алуминијумско саће и кожа. Примене у сендвич структури у облику саћа на Б787 укључују кормило, лифт, врхове крила и гондоле мотора. Међу њима, гондоле мотора и реверсери потиска су направљени од ХекВеб саћа и ХекПли8552/АС4 препрега. Уз предности мале тежине и велике крутости, као и акустичне апсорпције, ХекВеб саће су користили сви главни произвођачи мотора у свету. За Боинг 707 само 8% је саће, а за новији Боеинг 757/46 46% је саће.

Фиг.1 Илустрација дела апликације Б747 сендвич структуре (плава област)

Сендвич структура у облику саћа у примени великих цивилних авиона је најранија у кормилу авиона Ербас А310, а затим се користи у кормилу А320, А340. Највећа сендвич структура у облику саћа је кормило А340, површине 15,3 м.²саћасте сендвич структуре. Највећа појединачна-доза авиона за авион А380, количина његове сендвич структуре у облику саћа износила је 4.000 м², углавном се користи за структурне компоненте великих{0}}величина, укључујући облоге за стомак, подове, итд. А подови су углавном направљени од Гиллфаб4909 сендвич панела компаније МЦ ГиллЦорп. Кевлар саће. Подна конструкција на Аирбус А380 је направљена од великог броја Номек саћастих сендвич композита, који су одлични материјали који омогућавају А380 да достигне радни век од 20.000 сати, осигуравајући да авион може бити у употреби више од 10 година. Од тада је употреба композита значајно порасла, посебно са АТР72, који је био први цивилни авион који је сертификован са основном структуром од угљеника (крилна кутија) (види слику 2). Као што је приказано на слици 3, удео сендвич материјала у секундарним структурама се смањује. За А380, Боеинг 787 или Аирбус А350, само су трбушни оклоп, гондоле и врата предњег стајног трапа, неки елерони и кормила још увек направљени од сендвич конструкције, а остало су самоојачавајуће монолитне структуре.

Фиг. 2 Примена АТР72 композита

(а) Сендвич структура А380 (б) Сендвич структура А350 и Б787 скуп композита структура

Фиг.3 Дијаграм сендвич структуре авиона

У поређењу са цивилним авионима, примена саћасте сендвич структуре у општим авионима се углавном манифестује у коришћењу трупа, као што су ХавкерБеецхцраф'с ПремиерИ, Хавкер 4000 и "Приме Министер" ИА авиони, Бомбардиер Аероспаце Леарјет 85 и тако даље. ПремиерИ је први ФАА-сертификовани све-композитни пословни млазни авион са трупом, цео труп је направљен од карбонских панела саћаст сендвич структуре, укупне дебљине 20,6 мм, труп је без решетки и оквира, од традиционалне алуминијумске конструкције како би се смањила тежина кабине за 25% и повећана тежина кабине за 25%. Структура трупа авиона Хавкер 4000 који се тренутно производи састоји се од три структуре цеви које су повезане на крилима, цеви су сендвич структуре у облику саћа, а облога се поставља помоћу аутоматизоване машине за полагање жице Випер компаније МАГ Цинциннати{10}. Композитне компоненте Номек саћа сендвич структуре се користе у великом броју апликација у Русији за компоненте авиона као што су закрилци, елерони, зидне плоче трупа, мотори, кабине, товарни одељци, хоризонтални репови, предње ивице крила, репне греде ротора хеликоптера и друге компоненте авиона.

Домаћа производња од стране АВИЦ Харбин Аирцрафт Индустри Гроуп Цо., Лтд. и других јединица великог броја композитних материјала са смолом (као што су кочници, лопатице, равни реп и ротор, итд.) и Номек композитних материјала са сендвич структуром саћа (плоче трупа, подови, репне греде, итд.), што значајно смањује укупну чврстоћу фасела, што значајно смањује укупну чврстоћу. компоненте, и побољшава аеродинамичке карактеристике како би се побољшао квалитет лета хеликоптера. Процењује се да је, поред мотора и погона, скоро 300 делова за авионе направљено од Номек саћа сендвич композита. Сви делови користе Номек саћасте материјале 3 густине и 12 спецификација. Количина Номек саћастих материјала у целом трупу је већа од 200м2, а његова површина покривања чини око 80% целог трупа, што је један од типова авиона који тренутно највише користе Номек саћасте сендвич структурне композите у Кини.

004 Примена саћасте сендвич структуре на подовима цивилних авиона

4.1 Статус истраживања подова путничког и теретног простора у авиону

Конвенционални подови авиона, путнички и теретни подови су израђени од метала. Сваки спрат има стотине заковица и шрафова, али такође треба користити еластичне јастучиће и изолацију структуре трупа, а самим тим и скупе. А употреба композитних материјала може у великој мери побољшати структуру пода од чврстоће, крутости, замора и отпорности на корозију, може смањити конекторе за ред величине и може значајно смањити тежину подне конструкције.

Панел композитне сендвич структуре пода авиона се обично прави од препрега од стаклених влакана, карбонских влакана и препрега од кевлара, а матрица се бира од епоксидне смоле или фенолне смоле. Језгра саћа се обично користе са Номек саћем.

Фиг.4 Подови путничког и товарног простора у авиону

4.2 Примена сендвич конструкција на подове

Под главне кабине Боеинговог цивилног хеликоптера 234 Цхиноок има димензије 2,5 к 2,2 м и састоји се од четири панела. Панели су од фибергласа/Кевлар49 композита са Номек саћастим језгром, а сендвич под има по четири слоја горњег и доњег слоја панела, симетричних у односу на језгро саћа у средини. Први и други слој су 0 степени препрег од стаклених влакана, а трећи и четврти слој су 0 степени препрег од Кевлар49 влакана. Номек језгро има висину од 38 мм, дужину ћелије од 2 мм и густину од 48 кг/м3. Панели и језгро су залепљени заједно са ЕА9 лепљивом фолијом. Композитна сендвич структура је такође изабрана за под кабине Боеинг 777, Боеинг 787 Дреамлинер и других модела авиона.

МЦ ГиллЦорп. производња Гиллфаб4223 сендвич структуре панела избор од фиберглас тканине, матрица за фенолну смолу, језгро за ГиллцореХД мета-арамидно саће, избор лепљивог филма епоксидног система. Дебљина целе сендвич структуре је 12,6 мм, дебљина горњег панела је 1,27 мм, а дебљина доњег панела је 0,508 мм. Гиллфаб4223 сендвич структура се користи у Аирбус А318/ А319/ А320/ А321/ А330/ А340/ А300/ А310/ А300-600. МЦ ГиллЦорп. производња Гиллфаб4505 сендвич структуре панела избор једносмерног појаса од угљеничних влакана (површински слој за препрег од стаклених влакана), матрица за фенолну смолу, језгро за ГиллцореХД мета-арамидно саће, избор лепљивог филма епоксидног система. Дебљина целе сендвич структуре је 9,5 мм, а дебљина горњег и доњег панела је 0,5 мм. Гиллфаб4505 сендвич структура се користи у Аирбус А318/А319/А320/А321/А330/А340.

Теретни под Фоккера 100 је релативно једноставна структура, која је композитна сендвич структура са спољном облогом од листова термопластичних композита високих{1}}перформанси и језгром од Номек саћа. Кожа и језгро су залепљени епоксидним филмом.

Под товарног простора одређеног модела Номек саћасте сендвич структуре припремљен је врућим пресовањем користећи препрег од фенолне смоле ојачане стакленим влакнима самостално направљене од стране Ниу Фангкуа ет ал. оф Беијинг Гласс Стеел Институте Цомпоситес Лтд. Систематски су процењиване механичке особине пода и отпорност на ватру, анализирани су утицаји типа препрега, температуре очвршћавања и процеса обликовања на механичка својства плоча са саћем и проучавани фактори утицаја на својства успоривача пламена плоча са саћем. Резултати показују да су механичка својства пода пртљажног простора припремљеног од самопроизведеног препрега одлична, са крајњим оптерећењем савијања дугачке греде до 4348Н, отклоном од само 6,79 мм при оптерећењу од 445 Н, перформансама удара до 17,1 Ј, и снагом од љуштења ваљка до 4Н{10 мм{0} при истом. испуњавање строгих захтева за отпорност на ватру, што може да реализује локализовану замену подних материјала за простор за расути терет у авиону.

005 Закључак

Сендвич структура у облику саћа са високом чврстоћом, високом специфичном крутошћу и малом густином, захваљујући добрим својствима при притиску и савијању, користи се у великом броју примена у области цивилних авиона. У овом раду се анализира напредак истраживања и статус развоја сендвич структуре саћастог облика, даље се разматра њена примена на типичним конструкцијама авиона и закључује се да са развојем и производњом домаћих авиона Ц919/Ц929, композитна сендвич структура за подове авиона има широк спектар перспектива примене.(Извор: Фибер Цомпоситес)