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%，其最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，號稱是世界上正在飛行的最大復材整體油箱。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。 copyright 123456

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%，最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。 123456


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。 123,123

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。

最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。 內容來自123456

（3）表明材料性能的提高和規范的完善

一代材料支持一代飛機的理念，在近代飛機結構中得到再次驗證。沒有T800S/2900-2，沒有IM6系列材料，就沒有高效率的復合材料結構。也正是有了BMS 8-276諸如此類的企業材料選用規范，才有了波音787大量使用復材結構之結果。其中成系列地詳盡規范了材料的規格與性能要求，涵蓋了熱塑性復材和熱固性復合材料（包括各種纖維、樹脂、預浸織物、膠膜、加速劑、脫模劑及其輔助材料等）。有了規格齊全的材料及其配套性能參數資源，產品設計才能多樣化，按功能設計做到物盡其用。Toray（東麗）、Toho( 東邦) 等公司高品質碳纖維（第三代纖維）及其與之配套的新型樹脂體系是其延綿不斷發展進步動力之源。

國內材料體系單一，規范不全，材料數據覆蓋面窄，與國外材料代溝加大的趨勢不容小覷。即便是針對復合材料結構的連接件，國內目前都基本是全部選用有限的進口品種。 123456



波音787的翼復合結構

（4）表明大型整體結構制造成本的降低及其質量的穩定。

低成本材料和制造工藝的使用，特別是自動鋪帶技術、非熱壓罐成型技術的應用等提高了制造效率，降低了生產成本，穩定了產品質量。

對大型壁板類構件，選用模塊格柵成型方法是穩定批量質量的有效方法之一，但這里涉及到復雜模塊設計制造技術，還有低膨脹模塊材質的選用，其核心是用分配的模具膨脹量及其重量對周邊結構施加壓力，從而達到穩定固化過程溫度梯度對構件的影響（該方法在空客德國復合材料制造廠Stade大量使用，包括A400m機翼壁板之制造），達到緩解大尺寸結構次生應力，穩定產品質量的效果。

結束語 內容來自123456

復合材料本身就是在與高性能輕質鋁合金的競爭中前進的，經常是此消彼長，難分伯仲，特別是7000系列高純度鋁合金，對其競爭之勢不可小視，如7150高強鋁合金拉伸強度達到560MPa以上，常規性能比目前采用的高強鋁合金高10％以上，而且具有優良的綜合使用性能，在飛機上使用可帶來明顯的結構效益。多家研究表明，7075鋁合金用于制造機翼上壁板的優勢，是當下高性能復合材料不能取代的，這就是說，單單對于機翼上壁板，再好的設計師，以目前的復材體系是不能夠設計出在重量上低于7000系列鋁合金材料的機翼上壁板。

縱觀波音與空客復材飛機結構，相比之下，A380使用復材結構更為慎重，以繼承發展為主，將全復材中央翼盒用在了高濕區與避免沖擊的飛機部位（上有機身包圍，下有機身整流罩保護）；而波音787使用復材結構則是以全面創新性為主，其核心是基于高強度、中模量碳纖維與高韌性樹脂材料的結構。設計理念較為大膽前瞻，但近代飛機發展研究的型號很多，最后經過用戶的使用篩選留下來，形成大批量機隊的才是成功的機型。 copyright 123456

目前，飛機主結構使用復材結構的問題主要表現在以下方面。

（1）復材主結構設計、分析、驗證還需要實踐，其基本參照目標判據是比傳統結構節省重量20%左右，全壽命使用成本相當。而歐洲現在正在執行的面對民用飛機的SWK研究計劃的目標是；減重30%，降低成本40%，由此也可窺見復材結構發展端倪。

（2）材料性能有待提高，材料品種需要擴大， 特別是T800級別的纖維和增韌樹脂。

（3）制造質量需要穩定，研究機構的試制質量不等于企業化產品質量。

（4）使用維護要簡單可行。

（5）民機與軍機結構的差異（設計規范、使用環境）。細節設計、連接設計、功能設計（氣密、油密、導電、隔噪等）、蜂窩夾心結構剛度等代、損傷裂紋抑制設計等都是結構設計者需要不斷進修實踐的。

可以預見，這些問題不得到根本性解決，市場化應用復合材料主結構的實踐就走不出試制的襁褓。探索的道路還很長，還要做面向工程使用的研究與驗證，在工程發展的起始階段，為權衡結構的先進性與安全性和經濟性，將重點放在傳統結構上也不失為一種戰略選擇。 內容來自123456

來源：碳纖維制品與行業