最火热塑性复合材料航空结构件的最新设计理念

热塑性复合材料航空结构件的最新设计理念

热塑性复合材料的自身特性使其成为重量轻、低成本宇航结构件的理想材料，该类复合材料以韧性高、重复加工性好和防火性能强而著称。针对大型主结构件（如蒙皮加筋整体壁板）正取得了多个阶段性进展。新材料、创新的设计理念和航空技术是主要的创新要素。

热塑性复合材料在航空航天领域的应用现状

热塑性复合材料因其自身的特性而在航空航天领域日益受到青睐。其高韧性使得设计更轻的结构成为可能；其物理加工只需熔化，无需固化周期，从而实现了快速而稳定的加工；其卓越的FST（防火、防烟和防毒）特性和可循环使用性也是一个显著优点。空客最近与荷兰人成立了一个TAPAS 项目团队。一个名为TPRC 的国际热塑性复合材料研究中心也于2009 年在荷兰成立。现在，最新型飞机上越来越多地采用了热塑性复合材料零件和组合件，如很多飞机项目上采用了多肋设计理念和用TEN CATE 公司的玻璃纤维/ 聚苯硫醚制成的A380 焊接固定翼前缘。

热塑性复合材料主结构件是一个过去即有涉猎的领域。湾流G550和G650 飞机的压力舱壁板是一系列带压力成型加强肋的碳/聚醚酰亚胺。空客A400M 的驾驶舱地板就是用热塑性复合材料制造的。最近，已经着手焊接主操纵面。新型湾流G650 公务机（JEC2010 创新奖得主）的方向舵和升降舵就是感应焊接的多肋扭力盒结构。

感应焊接是由KVE 复合材料集团的荷兰专家开发，并由福克航空结构件公司实现工业化的一项技术。

这种碳/PPS(Ten Cate先进复合材料公司3、耐黄变性能) 的多肋设计比此前的碳/环氧树脂夹层结构重量降低10%、成本降低20%。焊接代替胶接和螺接是降低成本的重要因素。这一点与肋的模压成型和简便的蒙皮和梁的铺叠和共固结成型一样。

一种整体加筋的热塑性蒙皮理念的发展

2003 年，一种碳/聚醚醚酮单向带（Cytec）制成的客机地板梁得到发展。这种可高效制造产品很适合航空业，因此，纬线铺放（pick place）被选作腹板和缘条的预成型体成型方法。所有这些元件都在共固结的过程中被熔合在一起。在研发工字梁组合件的过程中，曾经寻求一种可简化制造大量加强肋的方法。该方法是“对接”1 块平层压板，将其与普通工字梁共固结在一起。这被证明是一个有效的解决方案。在制造上比最初设计的压力成型加强肋的方法简单得多。对接强度采用注射成型，增加了坡口圆角半径，得到了优化。

对接体同时系的开发为创新设计提供了全新的机会，如正弦波梁，一般情况下很难用复合材料制造。另外一个因对接理念而诞生的设计是蒙皮加筋整体壁板。首先，平面预成型T 型加强筋，然后将其与蒙皮共固结。荷兰国家航空航天实验室在2008 年成功研发了这种壁板，并在剪切和压缩荷载下得到试验验证。

大型热塑性主结构件

荷兰的工业部门、研究机构与空客公司从2005 年开始在热塑性领域合作，并在2009 年得到进一步加强。经空客公司提议，荷兰经济事务部发起建立了一个荷兰公司和研究院所的联合体。他们与空客联手发起了一个为期4 年的名为TAPAS 的飞机热塑性主塑料垃圾由于比重小结构件的项目。TAPAS 项目的目标是为未来飞机项目建立一项制造大型主结构件所必须的热塑性复合材料技术。材料、制造工艺、设计理念和所用工具必须达到6 级技术成熟度水平（TRL）。作为该项努力组成部分的全尺寸演示产品正在研发中，关键技术包括：研发并认证合适的材料、对接和纤维焊接、压力成型和纤维铺放等制造技术。

TAPAS 项目的参与方为：空客公司、福克航空结构件公司、Ten Cate 先进复合材料公司、机载技术中心、KVE 复合材料集团、DTC、Technobis 纤维技术公司、德尔福特理工大学和图恩特大学。荷兰国家航空要根据露出出的疑问作具体剖析航天实验室同时承担相关课题的研究和项目的验证工作。

福克航空结构件公司为航空航天和防务工业设计、开发和生产轻质航空结构件。客户包括空客、波音、洛克希德·马丁、湾流、达索、普惠和荷兰航天公司。热塑性复合材料因其成本效率和环境优势而成为福克公司的关键技术。该公司与客户、研究机构和供应商的共同参与和合作为该类材料的持续发展做出了贡献。

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