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盤點波音787飛機機身和主結構中的復合材料
發布:Iron_MAN10   時間:2020/4/28 15:54:44   閱讀:83 
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波音787在其機身和主要結構中比以往任何波音商用飛機都更多地使用了復合材料。在沒有事先構想的情況下進行設計過程,使波音工程師能夠為整個機身的特定應用指定最佳材料,其結果是機身由將近一半的碳纖維增強塑料和其他復合材料組成。與更傳統的鋁合金設計相比,這種方法平均減輕了20%的重量。

為特定應用選擇最佳材料意味著在給定的運行環境和部件在整個使用壽命期間所承受的載荷的情況下,分析機身的每個區域以確定最佳材料。例如,鋁對拉伸負荷很敏感,但對壓縮負荷處理得很好。另一方面,復合材料在處理壓縮載荷方面效率不高,但在處理張力方面表現出色。
 

與鋁結構相比,復合材料的廣泛使用,特別是在機身的高拉伸載荷環境中,大大減少了由于疲勞而導致的維護。這類分析也導致鈦的使用增加。當負載表明金屬是一種首選的材料系統,而環境因素表明鋁是一個較差的選擇時,鈦是一種出色的低維護設計解決方案。

鈦比鋁更能承受類似的載荷,對疲勞的擔憂最小,并且高度耐腐蝕。787上的鈦金屬使用量已擴大到整個機身的14%。787的每一個結構元素都經過了這種類型的生命周期分析,材料類型都是基于一個徹底和嚴格的選擇過程。

除了降低飛機的總體重量外,采用復合材料主結構還可以減少航空公司的定期和非常規維護負擔。波音777的經驗證明,與非復合結構相比,復合材料結構需要更少的定期維護。

例如,777復合材料尾翼比767的鋁制尾翼大25%,但所需的計劃維護工時減少了35%。與金屬相比,這種工時的減少是由于復合材料降低了腐蝕和疲勞的風險,從而減少了非常規維護。

777地板結構全部為復合材料,突出了這種材料在惡劣環境中的優勢。航空公司的運營商意識到傳統鋁制地板梁在疲勞開裂和腐蝕方面遇到的困難。777機型已經使用了565架飛機,飛行了10多年,到目前為止,還沒有更換一個復合材料地板梁。

波音公司還實施了嚴格的過程來評估鋁的使用,該方法結合了腐蝕的可能性和腐蝕的后果。該評分系統在設計中確定可接受的鋁應用提供了一個確定的措施,同時充分了解了維護的含義。

結構中的腐蝕和疲勞會大大增加操作員的日常維護負擔。非常規維護通常會使維護檢查期間花費的總工時增加一倍甚至三倍。隨著復合材料和鈦材料的廣泛使用以及鋁的使用更加嚴格,波音公司希望787的非常規人工成本要比傳統的金屬機身低得多。

除了在乘客和貨艙門等容易損壞的區域使用堅固的結構設計之外,波音787還從一開始就進行了設計,能夠以與今天的航空公司維修飛機的方式完全相同的方式進行維修。在復合材料結構上進行螺栓修理的能力已在777上獲得了服務驗證,并提供了與金屬飛機相當的修理時間和技能。

此外,航空公司還可以選擇進行粘合復合材料維修,從而改善空氣動力學和美觀性。這些修復是永久性的,可承受損壞,并且不需要高壓釜工藝。波音公司已經利用復合材料的性能開發了一條新的維護維修能力線,需要不到一個小時的時間就可以應用。這種快速的復合材料修理技術可提供臨時修理功能,以使飛機迅速再次飛行,而且降低了腐蝕和疲勞關聯的風險。


來源: 中科院碳纖維及其復合材料實驗室 
 
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