大型飛機復合材料主結構的設計與發展（一） zundG3-遮雨棚台中雷射雕刻－扈翔堯焦點新聞熱搜

近幾年，國外對低成本、高性能復合材料結構在大型飛機上的工程應用進行了廣泛深入研究，取得了大量有工程應用價值的研究成果，具體體現在新設計飛機主要承力部件大量應用先進復合材料結構，如A380復合材料中央機翼、A400M復材翼面與機身、波音787復合材料機翼等。

復材結構在A380上的應用

A400M的復合材料機翼結構

A380飛機已經交付數家用戶，其優良性能和舒適性被廣為稱道。復材用于該機的部件有中央翼盒結構，尾翼結構，襟翼、副翼結構，擾流板結構，機身上壁板、機身地板梁（跨度6m）、機身后體球框（6.2m×5.5m，樹脂膜溶塑成型工藝RFI）、整流罩結構等。

A380的復材用量約占結構重量25%，其大設計特點就是首次將復材用于中央翼盒，并達到減重1.5t的效果。另外它的碳纖維復材水平尾翼整體油箱的結構半展長達到19m，超過了A320 的機翼半展長，號稱是上正在飛行的大復材整體油箱。機身上使用的Glare層板達到470m2，與傳統鋁合金相比，減重25%以上，疲勞壽命提高10~15倍。垂尾前緣更是使用長達14m的Glare層板結構，大型整體結構的使用可見一斑。

復材結構在波音787上的應用波音787飛機已經首飛成功，正在鑒定試飛中，交付用戶指日可待。該機的主要結構均為復材結構，其復材用量占全機重量50%，有里程牌意義的是使用了復材機翼、機身結構，并在結構維護上做出了實質性進展，其目標是做到比傳統結構的波音767降低使用維護成本30%。同時，TiGr層板（碳纖維增強的鈦板）、耐高溫復合材料結構也在機翼前緣、發動機吊艙上獲得應用。

復材結構在大型飛機上用量迅速上升分析

（1）表明復材的基礎研究取得了實質進展，安全性已經不再阻礙其擴大應用。

AC20-107A、B(FAA 復合材料結構設計安全性要求) 要求的內容都得到了貫徹與驗證，包括積木式試驗驗證，尤其是在結構綜合設計技術研究，材料應用規范（如波音BMS 8-276）、制造工藝、試驗驗證等方面（如美國的ACT計劃和歐洲的TANGO計劃）。正是從這些預研中探索并實踐了設計、制造、試驗驗證流程，汲取了經驗，才有了在飛機上工程化應用的底氣。其主線是大型整體結構的應用，將結構的強度、剛度和損傷容限結合在一起通盤考慮。這樣設計的結構，減少了結構連接，提高了使用壽命，也便于成型裝配，更易于保養維護。

A350的復合材料機翼蒙皮

（2）表明結構設計手段與驗證技術的進步。

如A380中央翼盒結構層板厚度達到50mm 以上，對接區更是有100mm以上的整體結構，這都是一般分析方法和制造工藝難以企及和驗證的。未經詳細分析試驗比對，是不可能應用的。還有比如A380的平尾整體復合材料油箱，也是需要大量試驗驗證其密封和防雷擊設計。波音787的發動機吊艙結構長期工作在高溫、高噪音的振動環境，細節分析與驗證也必不可少，尤其是要弄清楚材料的設計許用值與構件設計許用值、連接區損傷與應變控制關系等。

作為新設計飛機結構，在權衡結構整體性能并關注局部和細節，按部件受力形式選擇材料和成型方式，關注制造、使用維護乃至全壽命成本始終是設計追求的目標。例如將結構分為按強度設計的部件、按剛度設計的部件和按功能設計三大類型，其關注核心依然是強度設計件。所有的結構問題大都出于細節設計，因而對細節設計的方法與驗證更是復合材料結構設計的焦點，如長桁末端、開口周邊、對接搭接區、集中載荷傳遞區等。

如果還走不出大量使用±45°鋪層、在薄壁構件上強調均衡對稱、不差別使用部件設計控制應變的思路，也就是說設計部件的主次方向剛度差異不大，沒有凸顯復材構件的基本特性，也就說明細節設計上還不能駕輕就熟。不大量使用自動鋪帶（絲）設備、不在主要部件上使用液體成型工藝和非熱壓罐成型工藝，就不可能實現復材部件的低成本制造。

實際上，相對層板結構而言，蜂窩結構的可設計性更大，發展潛力也更大。尤其是對涵蓋功能的結構，如隱身、閃爍蒙皮、保形陣列天線、導電、隔音、降噪等，蜂窩結構都顯示了獨特的特性，有廣闊發展前景。

簡單的復材結構設計的判據是，與同樣的傳統結構減重20%以上相比，全壽命綜合使用（維護）成本相當。之所以將減重指標定在了20%以上，是考慮了復合材料結構不同于傳統結構的制造生產過程，需要重新進行設備、工裝投資，還有復材結構的不可再生循環（熱塑性復合材料除外）、對環境的非友好等因素都是進行遠期收益作風險決策的主要參考因素。但復材結構在抗疲勞、耐腐蝕、阻止裂紋擴展、隔音降噪、吸波透波等方面的功能是不可替代的，未來發展趨勢是傳統結構與復材結合而成的混合結構。

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