Anwendungen von zusammengesetzten Wabensandwichstrukturen in Zivilflugzeugen

Abstrakt:Verbundwaben-Sandwichstrukturen werden in einer Vielzahl von Anwendungen im Bereich ziviler Flugzeuge eingesetzt, die sich durch hohe Festigkeit, hohe spezifische Steifigkeit, geringe Dichte, gute Druck- und Biegeeigenschaften usw. auszeichnen. Zu den Anwendungsteilen gehören Rumpf, Triebwerksverkleidung, Verkleidung, Luke, Antennenabdeckung, Vorderkante und so weiter. Die große Anzahl von Anwendungen der Waben-Sandwichstruktur reduziert das Gewicht der Flugzeugstruktur erheblich. Mit dem Fortschreiten des Formprozesses und der Verbesserung der Materialeigenschaften wird die Waben-Sandwichstruktur nach und nach auf den Boden und andere Haupttragstrukturen angewendet. Dieser Artikel analysiert zunächst den Forschungsfortschritt und den Entwicklungsprozess von Wabensandwichstrukturen. Zweitens wird die Anwendung von Waben-Sandwichstrukturen auf typischen Flugzeugkomponenten geklärt. Abschließend wird der aktuelle Stand der Anwendung der Waben-Sandwichstruktur auf dem Boden von Zivilflugzeugen vorgestellt.

001 Einführung

Mit der sozioökonomischen Entwicklung stehen dem Transportbereich, insbesondere dem Luftverkehr, zwei Aufgaben bevor: die Gesamtgewichtsreduzierung von Strukturen und die Frage der Vorteile, die direkt mit der Gewichtsreduzierung verbunden sind – die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Strukturgewicht und Treibstoffverbrauch sind im Luftfahrtbereich besonders wichtig. Derzeit werden Wabensandwichstrukturen häufig in Rümpfen, Luken, Flügeln, Leitwerken, Böden, Verkleidungen und Antennenabdeckungen in der Luftfahrtindustrie eingesetzt. Wabenförmige Sandwichstrukturen bieten ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Im Vergleich zu Verbundhäuten weisen sie aufgrund ihrer Strukturform, die aus einem dicken, leichten Kern besteht, der von zwei dünnen, steifen Schichten umgeben ist, eine bessere Leistung bei seitlichen und Biegebelastungen auf.

Die große Zahl der Anwendungen von Waben-Sandwichstrukturen hat das Gewicht von Flugzeugstrukturen dank ihrer guten Druck- und Biegeeigenschaften erheblich reduziert, so dass Waben-Sandwichstrukturen allmählich in Richtung Haupttragstrukturen wie Böden vordringen. Der Inhalt dieser Arbeit gliedert sich hauptsächlich in drei Teile: Erstens wird der Forschungsfortschritt und der Entwicklungsprozess der Wabensandwichstruktur analysiert. Zweitens kombiniert es die Anwendung einer Waben-Sandwichstruktur auf typischen Flugzeugkomponenten mit den derzeit verwendeten Modellen. Abschließend wird der aktuelle Stand der Anwendung der Waben-Sandwichstruktur auf den Böden von Zivilflugzeugen vorgestellt.

002 Waben-Sandwichstruktur

Die ursprünglich aus der Bionik stammende Waben-Sandwichstruktur zeichnet sich durch eine hohe spezifische Festigkeit, hohe spezifische Steifigkeit und ein geringes Gewicht im Vergleich zu derselben Art von Vollmaterial aus und wird daher häufig in der Luftfahrt, im Transportwesen und in anderen Bereichen eingesetzt. Die zusammengesetzte Wabensandwichstruktur kann die Biegesteifigkeit effektiv verbessern und die Fähigkeit verbessern, Biegemomenten und Drücken standzuhalten, und das bei einer sehr geringen Gewichtszunahme, was sie zu einer idealeren Leichtbaustruktur für die Luftfahrt macht.

Verbundwaben-Sandwichstrukturen bestehen aus drei Komponenten: Platten, Wabenkern und Klebstoff.

(1) Panel. Das Paneel ist der haupttragende Teil der Sandwichkonstruktion. Im Vergleich zum Kernmaterial zeichnet sich das Plattenmaterial durch eine hohe Dichte, einen hohen Modul und eine hohe Festigkeit aus. Verbundplattenmaterialien sind normalerweise Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, glasfaserverstärkter Kunststoff und andere Materialien. Die meisten unidirektionalen Band- oder Gewebeverbundstoffe aus Kohlefaser oder Glasfaser werden derzeit in Luft- und Raumfahrtstrukturen verwendet.

(2) Wabenkern. Die Leistung der Waben-Sandwichstruktur und die Geometrie der Waben hängen vom Material des Wabenkerns ab. Im Allgemeinen sind Wabenkerne je nach Material als Aluminiumwabenkern, Aramidwabenkern, Glasfaserwabenkern usw. erhältlich. Aramid-Waben werden in Meta-Aramid-Waben und Para-Aramid-Waben unterteilt. Meso-Aramid-Waben sind ein Meta-Aramid, das durch Grenzflächenpolykondensation oder Niedertemperatur-Lösungspolykondensation von m-Toluoldicarbonylchlorid (MDCL) und m-Phenylendiamin (MPA) gewonnen wird. Am häufigsten auf dem Markt ist das Meta-Aramid, das erstmals in den 1960er Jahren von DuPont erfunden und eingesetzt wurde. Para-Aramid-Waben sind eine Polykondensation von p-Phenylendiamin und p-Phenylendicarbonylchlorid, um Para-Aramid, Handelsname Kevlar, zu erhalten. Der vorhandene Aramid-Wabenkern besteht hauptsächlich aus Meta-Aramid, und die Forschung zu Para-Aramid ist sehr gering. Die Hauptanwendungsmodelle sind in Tabelle 1 aufgeführt. Aramidpapierwaben (NOMEX-Waben) bestehen aus mit Phenolharz befeuchtetem Aramidpapier. Im Vergleich zu Aluminiumwaben sind Aramidwaben viel widerstandsfähiger gegen lokale Instabilität, da die Wabenzellen von Aramidwaben dicker sind als die von Aluminiumwaben. Die Herstellung von Nomex-Waben besteht aus neun Prozessen: Kleben von Aramidpapier, Laminieren, Pressen, Schneiden, Dehnen, Dimensionieren, Eintauchen, Aushärten und Schneiden. AVIC Composites Co., Ltd. hat den Tauchklebeprozess von Aramidwaben verbessert, die Prozessparameter wie Zell- und Papierdicke ermittelt und die empirische Formel für die Dichtekontrolle abgeleitet. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. verwendet heimisches Aramidpapier zur Herstellung von Waben. Die Druck- und Schereigenschaften konnten die Anforderungen von HB5435-89 und BMS8-124 erfüllen, außerdem erfüllen die dielektrischen und flammhemmenden Eigenschaften die Standardanforderungen. Meishi, eine Tochtergesellschaft der chinesischen Yantai Spandex Group Co., Ltd., hat durch eine Reihe ausgereifter Prozesse verschiedene Arten von Wabenkernen aus seinem Meta-Aramid-Papier hergestellt. Der Druckwiderstand und die Scherfestigkeit seines Kerns und seiner Sandwichstruktur in der Ebene können bei Raumtemperatur die Indexwerte des Boeing BMS8-124-Standards erreichen und die Nutzungsanforderungen an die mechanischen Eigenschaften erfüllen.

Registerkarte.1 Hauptanwendungsmodelle des Wabentyps

(3) Klebstoff. Der für Luftfahrt-Wabensandwichstrukturen verwendete Klebstoff ist in der Regel ein Strukturklebstoff. Strukturklebstoffe sind solche, die in der Umgebung, in der sie verwendet werden, in einem vorgegebenen Zeitraum erheblichen Kräften standhalten können und eine Festigkeit und dauerhafte Lebensdauer aufweisen, die denen des Objekts entsprechen, auf das sie geklebt werden. Entsprechend wird die Harzmatrix im Allgemeinen in drei Hauptkategorien unterteilt. Das erste Epoxidharz, Epoxidharz, zeichnet sich durch hervorragende Verarbeitung, lange Anwendungsdauer und höchste Temperaturbeständigkeit von bis zu 232 Grad aus; Die zweite Kategorie ist Bismaleimid, das Temperaturen von mehr als 232 Grad erreichen kann und hauptsächlich in Militärflugzeugen mit höheren Temperaturen verwendet wird; Der dritte Typ ist der Cyanosäureestertyp, der eine ausgezeichnete Temperatur- und Dielektrizitätsbeständigkeit sowie Beständigkeit gegen Hitze und Feuchtigkeit aufweist und daher hauptsächlich in Komponenten mit Anforderungen an die elektrische Leistung der Komponenten verwendet wird. In der Luftfahrt werden häufig Strukturklebstoffe aus Epoxidharz verwendet, wie in Tabelle 2 dargestellt. Die US-amerikanischen Unternehmen Hexcel, Cytec und andere Unternehmen haben eine Vielzahl von Anwendungen des Materialsystems entwickelt, und in den letzten Jahren hat die inländische AVIC Composite Company auch einen Mittel- und Hochtemperaturklebstoff entwickelt Harzsystem, wie BA9913, BA9916, SY-24C-300 und so weiter.

Registerkarte.2 Strukturklebstoffe für die Luftfahrt im In- und Ausland

003 Wabenförmige Sandwichstrukturen auf typischen Flugzeugbauteilen

Was große Zivilflugzeuge betrifft, so wurde die Boeing 747 (Erstflug am 9. Februar 1969) mit einem hohen Anteil an Sandwichbauweise konstruiert (Abbildung 1). Etwa die Hälfte der Flügeloberfläche, einschließlich der Vorder- und Hinterkanten, besteht aus Glasfaser und Nomex-Waben. Bei der Boeing 747 besteht die zylindrische Rumpfschale hauptsächlich aus Nomex-Wabenstruktur, und der Boden, die Seitenwände, die Mülltonnen über dem Kopf und die Decke bestehen ebenfalls aus Wabenstruktur. Die meisten Klappen bestehen aus der gleichen Wabenstruktur, es werden jedoch auch Aluminiumwaben und -haut verwendet. Zu den Anwendungen der Waben-Sandwichstruktur der B787 gehören das Seitenruder, das Höhenruder, die Flügelspitzen und die Triebwerksgondeln. Unter anderem bestehen die Triebwerksgondeln und Schubumkehrer aus HexWeb-Waben und HexPly8552/AS4-Prepreg. Aufgrund der Vorteile von geringem Gewicht und hoher Steifigkeit sowie akustischer Absorption werden HexWeb-Waben von allen großen Motorenherstellern weltweit eingesetzt. Bei der Boeing 707 sind nur 8 % Wabenstruktur und bei der neueren Boeing 757/46 sind es 46 % Wabenstruktur.

Feige.1 Abbildung eines Ausschnitts der B747-Sandwichstrukturanwendung (blauer Bereich)

Die Waben-Sandwichstruktur wurde erstmals in großen Zivilflugzeugen im Ruder des Airbus A310 eingesetzt und dann im Ruder des A320 und A340 verwendet. Die größte Wabensandwichstruktur ist das A340-Ruder mit einer Fläche von 15,3 m²der Wabensandwichstruktur. Die größte Einzelflugzeugdosis für das A380-Flugzeug, die Größe seiner Wabensandwichstruktur betrug 4,000 m², wird hauptsächlich für große Strukturbauteile verwendet, einschließlich der Bauchverkleidung, des Bodenbelags usw. Der Bodenbelag besteht hauptsächlich aus Gillfab4909-Sandwichplatten von MC GillCorp. Kevlar-Wabe. Die Bodenstruktur des Airbus A380 besteht aus einer Vielzahl von Nomex-Waben-Sandwich-Verbundwerkstoffen. Dabei handelt es sich um hervorragende Materialien, die dem A380 eine Betriebslebensdauer von 20,{5} Stunden ermöglichen und so die Einsatzfähigkeit des Flugzeugs gewährleisten seit mehr als 10 Jahren. Seitdem hat der Einsatz von Verbundwerkstoffen deutlich zugenommen, insbesondere bei der ATR72, die als erstes Zivilflugzeug mit einer Carbon-Grundstruktur (Wing Box) zertifiziert wurde (siehe Abbildung 2). Wie in Abbildung 3 dargestellt, ist der Anteil von Sandwichmaterialien in Sekundärstrukturen zurückgegangen. Beim A380, der Boeing 787 oder dem Airbus A350 bestehen nur noch die Bauchverkleidung, die Gondeln und die vorderen Fahrwerkstüren, einige Quer- und Seitenruder noch aus Sandwichbauweise, der Rest sind selbstverstärkende monolithische Strukturen.

Abb. 2 Anwendung von ATR72-Kompositen

(a) Sandwichstruktur des A380 (b) Sandwichstruktur des A350- und B787-Verbundsatzes Struktur

Feige.3 Diagramm der Sandwichstruktur eines Flugzeugs

Im Vergleich zu Zivilflugzeugen zeigt sich die Anwendung der Wabensandwichstruktur in allgemeinen Flugzeugen hauptsächlich in der Verwendung des Rumpfes, wie z. B. die Flugzeuge PremierI, Hawker 4000 und „Premierminister“ IA von HawkerBeechcraf, die Flugzeuge Bombardier Aerospace Learjet 85 usw. PremierI ist der erste FAA-zertifizierte Vollverbund-Rumpf eines Jet-Business-Jets. Der gesamte Rumpf besteht aus Carbonplatten mit Waben-Sandwichstruktur, die Gesamtdicke beträgt 20,6 mm, der Rumpf ist frei von Trägern und Rahmen, im Gegensatz zur herkömmlichen Aluminiumstruktur Reduzieren Sie das Gewicht um 25 % und vergrößern Sie den Kabinenraum um 13 %. Die Rumpfstruktur des derzeit produzierten Hawker 4000-Flugzeugs besteht aus drei an den Flügeln verbundenen Laufstrukturen, die Fässer sind Waben-Sandwichstrukturen und die Außenhaut wird mit der automatisierten Drahtverlegemaschine Viper von MAG Cincinnati verlegt. Nomex-Verbundkomponenten mit Wabensandwichstruktur werden in Russland in einer Vielzahl von Anwendungen für Flugzeugkomponenten wie Klappen, Querruder, Rumpfwandplatten, Triebwerke, Cockpits, Frachträume, Höhenleitwerke, Flügelvorderkanten, Rotorheckträger von Hubschraubern und andere Flugzeuge verwendet Komponenten.

Die inländische Produktion einer großen Anzahl von Harzmatrix-Verbundwerkstoffen (wie Fangtrichter, Paddel, Flachleitwerk und Rotor usw.) und Nomex-Verbundwerkstoffen mit Wabensandwichstruktur (Rumpf) durch AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. und andere Einheiten Paneele, Böden, Heckträger usw.), wodurch das Gewicht des gesamten Rumpfes erheblich reduziert, die Dauerfestigkeit der Komponenten verbessert und die aerodynamischen Eigenschaften verbessert werden, um so die Flugqualität des Hubschraubers zu verbessern. Es wird geschätzt, dass neben dem Motor und dem Antriebsstrang auch fast 300 Flugzeugteile aus Nomex-Wabensandwich-Verbundwerkstoffen bestehen. Alle Teile verwenden Nomex-Wabenkernmaterialien mit 3 Dichten und 12 Spezifikationen. Die Menge der Nomex-Wabenkernmaterialien im gesamten Rumpf beträgt mehr als 200 m², und ihre Abdeckungsfläche macht etwa 80 % des gesamten Rumpfs aus. Dies ist einer der Flugzeugtypen, bei denen derzeit in China am häufigsten Nomex-Wabensandwich-Strukturverbundstoffe verwendet werden .

004 Anwendung einer Waben-Sandwichstruktur auf Bodenbelägen für zivile Flugzeuge

4.1 Forschungsstand von Bodenbelägen für Passagier- und Frachträume in Flugzeugen

Herkömmliche Flugzeugböden, Passagier- und Frachtböden bestehen aus Metall. Jede Etage verfügt über Hunderte von Nieten und Schrauben, erfordert aber auch den Einsatz elastischer Polster und eine Isolierung der Rumpfstruktur, was daher teuer ist. Und die Verwendung von Verbundwerkstoffen kann die Festigkeit, Steifigkeit, Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit der Bodenstruktur erheblich verbessern, die Anzahl der Anschlüsse um eine Größenordnung reduzieren und das Gewicht der Bodenstruktur erheblich reduzieren.

Die Platte der Verbundsandwichstruktur des Flugzeugbodens besteht üblicherweise aus Glasfaser-Prepreg, Kohlefaser und Kevlar-Prepreg, und die Matrix wird aus Epoxidharz oder Phenolharz ausgewählt. Wabenkerne werden üblicherweise mit Nomex-Waben verwendet.

Feige.4 Bodenbeläge für Passagier- und Frachträume in Flugzeugen

4.2 Anwendung von Sandwichstrukturen auf Böden

Der Hauptkabinenboden des zivilen Chinook-Hubschraubers Modell 234 von Boeing misst jeweils 2,5 x 2,2 m und besteht aus vier Paneelen. Die Paneele bestehen aus Glasfaser/Kevlar49-Verbundwerkstoffen mit Nomex-Wabenkernen, und der Sandwichboden besteht aus jeweils vier Lagen oberer und unterer Paneelschichten, symmetrisch zum Wabenkern in der Mitte. Die erste und zweite Schicht besteht aus Glasfaser-Prepreg mit 0-Grad-Richtung, und die dritte und vierte Schicht bestehen aus Kevlar49-Faser-Prepreg mit 0-Grad-Richtung. Der Nomex-Kern hat eine Höhe von 38 mm, eine Zelllänge von 2 mm und eine Dichte von 48 kg/m3. Die Platten und der Kern werden mit EA9-Klebefolie miteinander verklebt. Auch für den Kabinenboden von Boeing 777, Boeing 787 Dreamliner und anderen Flugzeugmodellen wird eine Sandwich-Verbundstruktur gewählt.

MC GillCorp. Herstellung der Gillfab4223-Sandwichstrukturplatte, Auswahl des Glasfasergewebes, Matrix für das Phenolharz, Kern für die GillcoreHD-Meta-Aramid-Wabe, Auswahl des Klebefilms des Epoxidsystems. Die Dicke der gesamten Sandwichstruktur beträgt 12,6 mm, die Dicke der oberen Platte beträgt 1,27 mm und die Dicke der unteren Platte beträgt 0,508 mm. Die Gillfab4223-Sandwichstruktur wird in Airbus A318/ A319/ A320/ A321/ A330/ A340/ A300/ A310/ A300-600 verwendet. MC GillCorp. Herstellung der Gillfab4505-Sandwichstrukturplatte, Auswahl des unidirektionalen Kohlefasergürtels (die Oberflächenschicht für das Glasfaser-Prepreg), der Matrix für das Phenolharz, des Kerns für die GillcoreHD-Meta-Aramid-Wabe, Auswahl des Klebefilms des Epoxidsystems. Die Dicke der gesamten Sandwichstruktur beträgt 9,5 mm und die Dicke der oberen und unteren Platten beträgt 0,5 mm. Die Gillfab4505-Sandwichstruktur wird in Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340 verwendet.

Der Ladeboden der Fokker 100 ist eine relativ einfache Struktur, bei der es sich um eine Verbundsandwichstruktur mit einer Außenhaut aus Platten aus hochleistungsfähigen thermoplastischen Verbundwerkstoffen und einem Kern aus Nomex-Waben handelt. Die Haut und der Kern werden mit einer Epoxidfolie miteinander verklebt.

Der Laderaumboden eines bestimmten Modells einer Nomex-Wabensandwichstruktur wurde von Niu Fangxu et al. durch Heißpressformen unter Verwendung von selbst hergestelltem glasfaserverstärktem Phenolharz-Prepreg als Rohmaterial der Platte hergestellt. von Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. Die mechanischen Eigenschaften und flammhemmenden Eigenschaften des Bodens wurden systematisch bewertet und die Auswirkungen des Prepreg-Typs, der Aushärtungstemperatur und des Formverfahrens auf die mechanischen Eigenschaften der Wabenplatten sowie die Einflussfaktoren analysiert der flammhemmenden Eigenschaften der Wabenplatten wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften des mit selbst hergestelltem Prepreg präparierten Laderaumbodens ausgezeichnet sind, mit einer Endlast von bis zu 4348 N bei Langbalkenbiegung, einer Durchbiegung von nur 6,79 mm bei einer Last von 445 N und einem Aufprallverhalten von bis zu 17,1 J und eine Rollschälfestigkeit von bis zu 66,4 N-mm/mm. Gleichzeitig werden die strengen Anforderungen an die Flammhemmung erfüllt, wodurch ein örtlicher Ersatz der Bodenbeläge für den Massengutbereich des Flugzeugs möglich ist.

005 Fazit

Wabensandwichstrukturen mit hoher Festigkeit, hoher spezifischer Steifigkeit und geringer Dichte, die von ihren guten Druck- und Biegeeigenschaften profitieren, werden in einer Vielzahl von Anwendungen im Bereich der Zivilflugzeuge eingesetzt. Dieser Artikel analysiert den Forschungsfortschritt und den Entwicklungsstand der Waben-Sandwichstruktur, vergleicht ihre Anwendung auf typische Flugzeugstrukturen weiter und kommt zu dem Schluss, dass Verbundsandwichstrukturen für Flugzeugböden mit der Entwicklung und Produktion der Inlandsflugzeuge C919/C929 ein breites Anwendungsspektrum haben Perspektiven. (Quelle: Fiber Composites)