大尺寸复合材料翼梁的制造技术发展

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1、大尺寸复合材料翼梁的制造技术发展DevelopmentofManufacturingTechnologyinLargeCompositesWingSpar中航复合材料有限责任公司杨博王菲陈永清杨博高级工程师．主要研究方向为树脂基复合材料的成型技术。复合材料以其高比强度／比刚度、抗疲劳、可设计性好和易于整体成型等一系列优点，在航空航天领域得到广泛应用，其用量高低成为衡量飞行器先进性的重要指标。近几年，复合材料在大飞机上的应用从尾翼等次承力结构迅速扩展到机翼、机身等主承力结构，其用量从25％左右激增到52％左右。在大飞机领域，74航空制造技术·2013

2、年第22期随着复合材料在大飞机机翼上应用，复合材料在翼梁上也得到相应的应用。为了保证翼梁的成型质量、制造成本和生产效率。翼梁的成型模具建议采用采用殷钢材料，阳模结构形式，在热压罐中固化成型。翼梁的制造方式从手-r$IJ造发展为自动化制造，自动化制造从热隔膜成型发展到纤维丝束铺放成型。空客军用运输机A400M复合材料用量为38％左右，首次在机翼上使用复合材料；波音787客机的复合材料用量为50％，首次在民机机身和机翼上使用复合材料；空客A350客机的复合材料用量为52％。随着复合材料在机翼壁板上的应用，复合材料在翼梁上的也得到应用。复合材料在翼梁上的

3、应用不仅是出于翼梁的减重需要，更是为了保证翼梁的热膨胀系数和复合材料机翼壁板的热膨胀系数相匹配，这也是复合材料翼梁没有先于复合材料机翼壁板在大飞机上得到应用的原因。复合材料翼与机翼的上、下壁板构成机翼盒段，除了承受飞机的正常飞行载荷以外，还要承受来自发动机、襟翼、副翼及扰流板等高度集中的载荷，翼梁的结构作用决定了翼梁具有受力大、厚度大、精度高的特点，常用翼梁的截面呈u形。A400M翼梁欧洲A400M大型军用运输机是空客军用公司研制的远程战略战术运输机，于2009年12月首飞。在A400M之前，在大飞机上采用复合材料翼梁的飞机只有B2轰炸机。图1A4

4、00M翼梁A400M的结构材料与传统的军用运输机和客机有明显的不同，首次在机翼上使用碳纤维复合材料，其复合材料用量达到38％，A400M的翼梁同其机翼一样，也采用碳纤维复合材料。常重视制造成本和生产效率，GKN公司采用了创新的热隔膜成型法，显著提高了生产效率和成型质量，其基本流程是：用自动铺带机(图2)将Cytec公司提供的977—2碳纤维增韧环氧预浸带铺出预成形件，用热隔图2自动铺带机A400M翼梁(图1)包括前翼梁和后翼梁，前翼梁和后翼梁分别由两段组成，前翼梁的长短分别为12m和7m，后翼梁分别为14m和5m，每一翼梁的两段通过复合材料c形夹和

5、紧固件连接，由英国GKN航空航天公司研制[1-210翼梁的腹板厚度约为5～6mm，在加厚区厚度约为10mm，这些局部的厚度变化对设计及制造带来挑战。当今制造任何一种飞机都要非膜成型机将预成形件热弯成型出c形截面，然后转移到用殷钢制成的阳模成形模上，进人热压罐固化。在预成形件热弯过程中，要解决预成形件的均匀加热问题和预浸料的皱褶问题，保证翼梁的成型质量GKN公司A400M翼梁的研制的初期，迫于生产进度的要求，为降低制造风险，在A400翼梁的前6架的翼梁制造中采用了手工铺贴，余下的采用自动铺带。据其介绍，由于采用了自动化的铺层工艺，14m长的梁段的生产

6、只用24h，而不是手工铺层所需的6～8天；最短的一段梁如果用手工铺层需180h，而用机器只需90min，这也验证了自动化制造的高效和低成本。波音787翼梁波音787是波音公司研制的宽体双发远程客机，于2004年4月正式启动，在2009年12月首飞。波音787首次在大型民用飞机的机翼和机身上使用复合材料，将复合材料的应用从次承力构件扩展到主承力构件，将复合材料在大型民用飞机上的用量从A380的25％提升到了50％，对民机复合材料产业产生了重要影响。波音787的翼梁是首次在民用飞机上使用复合材料翼梁的飞机【3卅。波音787的机翼由日本三菱重工制造，其翼

7、梁由日本三菱重工委托日本新明和工业株式会社研制，其长度约为28m。据DaveTrop介绍。波音787的翼梁是整体的，由人工在阳模上铺贴，采用热压罐固化而成、图3A350前翼梁2013年第22期·航守制造技术75A350前翼梁空客A350是空客公司研制的宽体双发远程客机，2005年10月正式启动，于2013年6月首飞。A350使用的材料几经修改，最终和波音波音787类似，在机翼和机身上使用复合材料。空客A350是空客公司首次在民机机翼和机身上使用复合材料的飞机，其用量达到52％。A350的前翼梁(图3)位于翼盒的前端，与机翼上、下壁板以及后翼梁共同构

8、成翼盒，前翼梁支撑机翼Spirit公司梁研制能力的关键合作伙伴。MTorres公司专门设计的两台自动铺丝系统以往的设备具有