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不断拓展的热塑性主要飞机结构

来源:荣格国际复材技术商情 发布时间:2019-09-02 405
塑料橡胶材料处理、计量与检测模具及零件原料及混合物其他其他添加剂及母粒塑料加工设备 技术前沿
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热塑性复合材料的韧性、相对较高的平面外强度和可持续性、可回收性等优点,几十年来一直吸引着飞机设计工程师对热塑性复合材料用于主要结构的设计理念。但飞机制造工程师们一直不确定,能否找到一种成本效益高的方法,将他们从计算机辅助设计模拟(CAD)推进到生产现场。然而,他们并没有被吓倒:开发必要制造技术的努力在全球各地都在继续——或许没有哪个地方像荷兰那样顽强。
 
2009年,9家荷兰工业公司和研究机构与空客共同成立了热塑性可承受初级飞机结构(TAPAS)联盟。2014年,该倡议扩大到12个合作伙伴,进入到联盟的第二阶段,即TAPAS2。针对空中客车公司在TAPAS2下开发的应用,GKNFokker(Hoogeveen,荷兰)开发了一种机身演示产品,它使用了它所称的“对接正交网格技术”。这使得热塑性复合机身设计的生产具有成本效益。
 
 
热塑性复合材料飞机主要结构的全部回报——尽管还需要数年时间——但现在可能就在湾流航空航天公司(美国,佐治亚州萨凡纳)的视线之内。该公司已与GKNFokker合作,推进其TAPAS2机身技术,为可能将这种材料和工艺应用于全机身指明了道路。新开发的机身面板(今年早些时候在JECWorld上展示过)背后的故事,是设计和制造方法的进步之一,更进一步的是,这是一种更全面的设计-制造一体化工程方法。
 
“传统上。”GKNFokker的总工程师安德烈·布伊滕胡伊斯(AndriesBuitenhuis)解释说,“无论他们使用的是织物还是单向带,设计师大多坚持传统的0度、90度和45度的方向层。”新方法是一个集成的、数字化的设计制造软件平台(由TAPAS开发),来自不同学科的工程师都在看同一个数字模型,并拥有能够概念化更复杂的零件设计。
 
“这开辟了一个前所未有的优化可能性的全新世界。”Buitenhuis继续说道,“在复杂的形状上,纤维方向可能到处都是。我们可以制造非传统的层压板,重新审视设计允许值、制造间隙和重叠、半径……您可以在本地优化结构的强度。这些扩展的设计选项更充分地利用了自动纤维铺放(AFP)机器的光纤转向能力,以及下面讨论的其他制造能力的进步。”
 
该集成数字系统所提供的设计自由度,已被证明是设计和制造商务机面板不可或缺的。在TAPAS2机身设计中,碳纤维/聚醚酮酮(PEKK)面板(由Solvay公司的APCPEKK-fc制造)采用焊接的、无紧固件的框架与外壳连接,这是设计成本效益的一个重要因素。
 
GKNFokker热塑性复合材料技术主管阿恩特•奥弗林格(ArntOffringa)解释称:“我们预计,与铝制机身外壳实现成本对等,这是因为铝制外壳是铆接的。与传统的复合材料解决方案相比,取消机械紧固件将使飞机主要结构的成本降低20%,重量减少10%。当然,大部分的成本和重量节省来自消除紧固件本身,以及安装它们的劳动力成本。同样重要的是消除复合材料部件上的孔,以适应紧固件——这些孔需要额外的加固,因此增加了重量。”
 
2017年12月,GKNFokker在TAPAS2项目下,与空客达成了增压机身的技术准备等级(TRL)3的概念证明,证明了与铝制机身面板的成本平等。在此过程中,GKNFokker团队将其热塑性机身技术的视野从商用客机扩展到了商用喷气机的应用领域。
 
湾流的兴趣
 
GKNFokker在湾流公司成功研发热塑性复合材料组件的历史,使得与这家商务机制造商建立合作关系成为顺理成章的下一步。“众所周知,多年来湾流一直热衷于飞机热塑性复合材料部件。”湾流先进结构与材料计划(ASMI)经理马克•查普曼(MarkChapman)表示。他补充说,“机身面板项目是我们一直在做的一个自然的进展,从简单的部件开始,向主要结构部件过渡。GKNFokker已经与湾流公司合作开发了许多热塑性复合材料二次组件,包括G650的尾翼升降舵和方向舵以及地板面板。”
 
2015年,Offringa和Buitenhuis向Gulfstream介绍了TAPAS2项目的开发,Chapman和他的团队认识到TAPAS2成果的潜在收益。Chapman回忆说:“我们看到了潜在的减重益处,更好的抗冲击能力和韧性,以及更好的性能。”无紧固件设计也很吸引人。Chapman说:“焊接技术将使我们能够比机械固定装配更有效地组装机身。”
 
与GKNFokker的合作伙伴关系,将支持湾流公司研发更复杂的机身形状,这些形状在经济上可能无法用金属结构生产。Chapman指出:“到目前为止,你只能拉伸金属。复杂形状所需的拼接和支撑结构不是很有效。”Offringa对此表示赞同:“用传统技术很难制造出这种复杂的几何形状。”
 
连接设计与制造
 
为了实现无紧固件、可生产的设计,GKNFokker的方法着重于承受机身关节所受的两种关键力:机舱压力和工具掉落等影响。客舱压力给机身施加径向力,在框架-蒙皮接合处产生高负荷。在传统的设计中,机身框架包括纵向纵梁通过的“鼠标洞”。在机舱压力的作用下,这些鼠标洞作为不连续点,受到高剥离力的影响——考虑到复合材料的面外强度比金属低,这是无紧固件设计的主要关注点。由于框架在冲击下不会弯曲,因此冲击也会在框架与蒙皮连接处产生高载荷。
 
GKNFokker/Gulfstream团队知道,用金属或传统的复合设计制造方法来解决复杂曲率所带来的挑战是不可能的。特别是,Buitenhuis指出:“一个复杂的机身设计将不可能没有光纤转向。AFP机器的这种功能使设计者可以根据外壳的复杂形状来优化纤维的局部方向,并与标准的0/45/90纤维方向选项有所不同。Chapman认为:“纤维转向的形状和重量优化是该项目最重要的进展之一。”
 
GKNFokker在一台超声波AFP机器上制作了机身面板的外壳,这台机器是该公司为快速热塑性条带铺设而开发的。该条带是单向的,这也提高了层压板性能。
 
成功地处理由客舱压力和冲击力以及其他性能要求造成的高负荷,TAPAS和TAPAS2开发的新概念现在应用于湾流面板,被称为“焊接框架的对接垂直加劲板”。这个描述突出了三个关键的设计特点和实现它们所需的制造发展:(1)正交网格(2)对接和(3)焊接技术。
 
正交网格结构
 
面板的强度要求部分是通过完全互连的正交网格加强来满足的。这种正交网格消除了与鼠标洞相关的峰值负载,消除了剥离力被放大的点的设计。正交网格由连续的纵向纵梁和框架组成,由两个不同的组件组成:不连续但连接的周向纵梁和焊接在它们上面的框架。
 
因此,这代表了新一代的机身加劲肋设计,这已演变多年的正交网格发展。最初,GKNFokker采用T型纵梁,纵梁和圆周构件的顶部都是连续的,并且在角处重叠。然而,与框架连接时,需要去除周向阀盖。因此,T型弦变成了L型弦,框架变成了周向叶片弦,并与框架焊接在一起。
 
另一个修改是必要的,因为弯曲纵梁使用纵向和圆周使工具释放更具挑战性。因此,L型纵梁的设计与帽到腹板的角度超过90度,因此工具件总是可以侧身滑出纵梁网格。
 
对接接头
 
GKNFokker不仅开发了正交网格设计,而且开发了一种新的网格制造方法以及网格到蒙皮的连接机制。Offringa指出:“网格的制造成本可能高得令人望而却步,但我们的网格是由平板层压板和简单的注塑‘填料’构成的。”
 
更具体地说,GKNFokker将其专利对接技术应用于湾流面板(也应用于之前的TAPAS面板)。T或L型纵梁组件的腹板和盖板以及叶片纵梁组件,都是由扁平碳纤维/PEKK层压板喷水切割而成的预制件制成的。连接元件(从蒙皮到腹板和腹板到帽)是注射成型的π形填料,由短纤维碳/PEKK材料制成。树脂和碳纤维类型都与网格构件中的那些匹配。
 
皮肤和正交网格在Invar内模线(IML)工具中共同固结。该工具具有凹槽,正面组件和工具块被装载到凹槽中。然后将AFP形成的皮肤置于IML上,并将整个组件装袋并高压灭菌。
 
焊接
 
自动焊接。GKNFokker开发并应用了机器人焊接技术,为热塑性复合机身面板的经济可行性做出了贡献。
 
正网与对接设计的结合,使正网与框架通过焊接实现无紧固连接。TAPAS团队成员在TAPAS2阶段开发了几种焊接技术,包括感应、导电和超声波焊接技术。湾流板采用导电焊接将框架腹板与周向叶片纵梁连接。这项任务是通过安装在机器人上的焊接头来完成的——这是另一项有助于提高成本效益的可制造性的发展。
 
几个步骤中的一个
 
GKNFokker于2017年开始与湾流合作,为机身面板设计概念。随后在2018年和2019年设计和制造了几个曲面面板,里程碑式的第一个面板展示产品在今年的JEC世界上展出。
 
GKNFokker正在继续制造面板,并预计在今年晚些时候实现TRL4组件验证。“我们目前正在讨论走向完全成熟的道路。”Offringa报道。Chapman指出,面板设计并不针对特定的平台,面板测试将有助于加深湾流对材料性能和性能的理解。关于热塑性复合材料主要结构的更广泛的商业案例,包括飞机的性能、制造成本、使用成本和耐久性,Chapman说,“随着我们在研发道路上走得更远,我们会对这些有更好的理解。目前,我们的重点是让这些复杂的形状更划算。”
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