Kompozit Petek Sandviç Yapıların Sivil Uçaklardaki Uygulamaları

Soyut:Kompozit petek sandviç yapılar, yüksek mukavemet, yüksek özgül sertlik, düşük yoğunluk, iyi basınç ve bükülme özellikleri vb. ile karakterize edilen sivil uçak alanında çok sayıda uygulamada kullanılmaktadır. Uygulama parçaları arasında gövde, motor kaputu, kaporta, kapak, anten kapağı, ön kenar vb. Petek sandviç yapısının çok sayıda uygulanması, uçak yapısının ağırlığını önemli ölçüde azaltır. Kalıplama işleminin ilerlemesi ve malzeme özelliklerinin iyileştirilmesiyle birlikte, petek sandviç yapısı yavaş yavaş zemine ve diğer ana taşıyıcı yapılara uygulanır. Bu makale öncelikle petek sandviç yapıların araştırma sürecini ve geliştirme sürecini analiz etmektedir. İkinci olarak, petek sandviç yapıların tipik uçak bileşenlerine uygulanmasını sıralamaktadır. Son olarak sivil uçak zemininde petek sandviç yapı uygulamasının mevcut durumu tanıtılmaktadır.

001 Giriş

Sosyo-ekonomik gelişmeyle birlikte ulaştırma alanının, özellikle de hava taşımacılığının karşı karşıya olduğu iki görev vardır: yapıların genel ağırlığının azaltılması ve ağırlığın azaltılmasıyla doğrudan ilgili faydalar konusu - yakıt tüketiminin azaltılması. Havacılık alanında yapısal ağırlık ve yakıt tüketimi özellikle önemlidir. Şu anda petek sandviç yapılar havacılık endüstrisinde gövdelerde, kapaklarda, kanatlarda, kuyruklarda, zeminlerde, kaportalarda ve anten kapaklarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Petek sandviç yapıları iyi bir güç-ağırlık oranı sunar. Kompozit kaplamalarla karşılaştırıldığında, iki ince, sert katmanla çevrelenmiş kalın, hafif bir çekirdekten oluşan yapısal formları nedeniyle yanal ve bükülme yükleri altında daha iyi performans gösterirler.

Petekli sandviç yapıların çok sayıdaki uygulamaları, iyi basınç ve bükülme özellikleri sayesinde uçak yapılarının ağırlığını önemli ölçüde azaltmıştır; öyle ki, petek sandviç yapılar yavaş yavaş zemin gibi ana taşıyıcı yapılara doğru ilerlemektedir. Bu makalenin içeriği temel olarak üç bölüme ayrılmıştır: ilk olarak, petek sandviç yapısının araştırma sürecini ve geliştirme sürecini analiz etmektedir; ikinci olarak, petek sandviç yapısının tipik uçak bileşenlerine uygulanmasını şu anda kullanılan modellerle birleştiriyor; son olarak ise sivil uçak zeminlerinde petek sandviç yapısının uygulanmasının mevcut durumu tanıtılmaktadır.

002 Petek Sandviç Yapı

İlk olarak biyonik kökenli olan petek sandviç yapısı, aynı tür katı malzemeyle karşılaştırıldığında yüksek özgül mukavemet, yüksek özgül sertlik ve hafiflik ile karakterize edilmiştir ve bu nedenle havacılık, ulaşım ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Kompozit petek sandviç yapısı, bükülme sertliğini etkili bir şekilde iyileştirebilir ve çok küçük bir ağırlık artışıyla bükülme momentlerine ve basınçlarına dayanma yeteneğini geliştirebilir, bu da onu havacılık için daha ideal bir hafif yapı haline getirir.

Kompozit petek sandviç yapılar üç bileşenden oluşur: paneller, petek çekirdek ve yapıştırıcı.

(1) Panel. Panel, sandviç yapının ana taşıyıcı kısmıdır. Çekirdek malzeme ile karşılaştırıldığında panel malzemesi, yüksek yoğunluk, yüksek modül ve yüksek mukavemet ile karakterize edilir. Kompozit panel malzemesi genellikle alüminyum alaşımı, titanyum alaşımı, cam elyaf takviyeli plastik ve diğer malzemelerdir. Karbon fiber veya cam fiberden yapılan tek yönlü bant veya kumaş kompozitlerin çoğu halihazırda havacılık ve uzay yapılarında kullanılmaktadır.

(2) Petek Çekirdeği. Petek sandviç yapısının performansı ve petek geometrisi, petek çekirdeğinin malzemesi ile ilgilidir. Genel olarak petek çekirdekler, malzemesine göre alüminyum petek çekirdek, aramid petek çekirdek, fiberglas petek çekirdek vb. olarak mevcuttur. Aramid petek, meta-aramid petek ve para-aramid petek olarak ikiye ayrılır. Mezo-aramid petek, m-toluen dikarbonil klorür (MDCL) ve m-fenilendiaminin (MPA) arayüzey polikondensasyonu veya düşük sıcaklıkta çözelti polikondensasyonuyla elde edilen bir meta-aramiddir. Piyasada en yaygın olanı, ilk kez 1960'larda DuPont tarafından icat edilen ve kullanıma sunulan meta-aramiddir. Para-aramid petek, Kevlar ticari adı olan para-aramid elde etmek için p-fenilendiamin ve p-fenilendikarbonil klorürün polikondansasyonudur. Mevcut aramid petek çekirdeği esas olarak meta-aramiddir ve para-aramid ile ilgili araştırmalar çok azdır. Ana uygulama modelleri Tablo 1'de gösterilmektedir. Aramid kağıt petek (NOMEX petek), fenolik reçine ile nemlendirilmiş aramid kağıttan yapılmıştır. Alüminyum petek ile karşılaştırıldığında aramid petek, lokal kararsızlığa çok daha dayanıklıdır çünkü aramid petek petek hücresi alüminyum petek peteğinden daha kalındır. Nomex petek hazırlanması dokuz işlemden oluşur: aramid kağıdın yapıştırılması, laminasyon, presleme, kesme, germe, boyutlandırma, daldırma, sertleştirme ve dilimleme. AVIC Composites Co., Ltd., aramid peteklerin daldırma yapıştırma işlemini iyileştirdi, hücre ve kağıt kalınlığı gibi işlem parametrelerini belirledi ve yoğunluk kontrolü için ampirik formülü çıkardı. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd., petek hazırlamak için yerli aramid kağıt kullanıyor; basınç ve kesme özellikleri HB5435-89 ve BMS8-124 gereksinimlerini karşılayabilmiştir; dielektrik ve alev geciktirici özellikler de karşılamaktadır. standart gereklilikler. Çin'deki Yantai Spandex Group Co., Ltd.'nin bir yan kuruluşu olan Meishi, bir dizi olgun süreç yoluyla meta-aramid kağıdından farklı türde petek çekirdekleri hazırladı. Çekirdek ve sandviç yapısının oda sıcaklığındaki düzlem içi sıkıştırma ve kayma direnci, Boeing BMS8-124 standardındaki indeks değerlerine ulaşabilmektedir ve mekanik özelliklerin kullanım gereksinimlerini karşılayabilmektedir.

Sekme.1 Petek tipinin ana uygulama modelleri

(3) Yapışkan. Havacılık petek sandviç yapıları için kullanılan yapıştırıcı genellikle yapısal bir yapıştırıcıdır. Yapısal yapıştırıcılar, kullanıldıkları ortamda, önceden belirlenmiş bir süre içerisinde kayda değer bir kuvvete dayanabilen, yapıştırıldığı nesneninkiyle eş düzeyde sağlamlık ve dayanıklı hizmet ömrüne sahip olan yapıştırıcılardır. Reçine matrisine göre genel olarak üç ana kategoriye ayrılır. İlk epoksi, epoksi reçinesi mükemmel işçilik, uzun uygulama süresi ve 232 dereceye kadar en yüksek sıcaklık direnci gibi avantajlara sahiptir; İkinci kategori ise 232 derecenin üzerindeki sıcaklıklara ulaşabilen ve çoğunlukla daha yüksek sıcaklıklara sahip askeri uçaklarda kullanılan bismaleimiddir; Üçüncüsü, sıcaklığa, dielektrikliğe ve ısıya ve neme karşı mükemmel dirence sahip olan siyanoasit ester türüdür, bu nedenle esas olarak bileşenlerin Elektriksel performans gereksinimleri olan bileşenlerde kullanılır. Tablo 2'de gösterildiği gibi havacılıkta yaygın olarak kullanılan epoksi reçine yapısal yapıştırıcı. Amerika Birleşik Devletleri Hexcel, Cytec ve diğer şirketler malzeme sisteminin çeşitli kullanımlarını geliştirdiler ve son yıllarda yerli AVIC Composite Company de orta ve yüksek sıcaklıkta bir yapıştırıcı geliştirdi. BA9913, BA9916, SY-24C-300 vb. gibi reçine sistemi.

Sekme.2 Yerli ve yabancı havacılık yapısal yapıştırıcıları

003 Tipik uçak bileşenlerinde petek sandviç yapıları

Büyük sivil uçaklar söz konusu olduğunda, Boeing 747 (ilk kez 9 Şubat 1969'da uçtu) büyük oranda sandviç yapıyla tasarlandı (Şekil 1). Ön ve arka kenarlar da dahil olmak üzere kanat yüzeyinin yaklaşık yarısı fiberglas ve Nomex peteğinden yapılmıştır. Boeing 747'de, gövde silindirik kabuğu esas olarak Nomex peteğinden yapılmıştır ve zemin, yan paneller, baş üstü çöp kutuları ve tavan da petekten yapılmıştır. Kanatların çoğu aynı petek yapısından yapılmakta ancak alüminyum petek ve deri de kullanılmaktadır. B787'deki petek sandviç yapı uygulamaları arasında dümen, irtifa dümeni, kanat uçları ve motor kaportası yer alır. Bunlar arasında, motor kaportaları ve itme ters çeviricileri HexWeb petek ve HexPly8552/AS4 prepreg'den yapılmıştır. Hafiflik ve yüksek sertliğin yanı sıra akustik emilim avantajlarıyla HexWeb petek dünyadaki tüm büyük motor üreticileri tarafından kullanılmaktadır. Boeing 707 için yalnızca %8'i petektir ve daha yeni Boeing 757/46 için %46'sı petektir.

incir.1 B747 sandviç yapı uygulamasının bir kısmının resmi (mavi alan)

Büyük sivil uçak uygulamalarında petek sandviç yapısı ilk olarak Airbus A310 uçak dümeninde, daha sonra A320, A340 dümeninde kullanılmıştır. En büyük petek sandviç yapısı, 15,3 m2'lik alanıyla A340 dümenidir.²A380 uçağı için en büyük tek uçak dozajı olan petek sandviç yapısının miktarı 4,000 m'ye ulaştı.², esas olarak göbek kaplaması, döşeme vb. dahil olmak üzere büyük boyutlu yapısal bileşenler için kullanılır. Döşeme esas olarak MC GillCorp'un Gillfab4909 sandviç panellerinden yapılır. Kevlar peteği. Airbus A380'in zemin yapısı, A380'in 20,000 saatlik çalışma ömrüne ulaşmasını sağlayan ve uçağın hizmette olmasını sağlayan mükemmel malzemeler olan çok sayıda Nomex petek sandviç kompozitinden yapılmıştır. 10 yıldan fazla bir süredir. O tarihten bu yana kompozitlerin kullanımı, özellikle karbon temel yapısıyla (kanat kutusu) sertifikalandırılan ilk sivil uçak olan ATR72 ile birlikte önemli ölçüde arttı (bkz. Şekil 2). Şekil 3'te görüldüğü gibi ikincil yapılardaki sandviç malzemelerin oranı azalmaktadır. A380, Boeing 787 veya Airbus A350 için yalnızca göbek kaportası, motor kaportaları ve ön iniş takımı kapıları, bazı kanatçıklar ve dümenler hala sandviç yapıdan yapılmıştır, geri kalanı ise kendi kendini güçlendiren monolitik yapılardır.

Şekil 2 ATR72 kompozitlerinin uygulanması

(a) A380'in sandviç yapısı (b) A350 ve B787 kompozit setinin sandviç yapısı yapı

incir.3 Uçak sandviç yapısının şeması

Sivil uçaklarla karşılaştırıldığında, genel uçaklarda petek sandviç yapısının uygulanması, esas olarak HawkerBeechcraf'ın PremierI, Hawker 4000 ve "Başbakan" IA uçakları, Bombardier Aerospace Learjet 85 uçakları ve benzeri gibi gövde kullanımında kendini gösterir. PremierI, FAA sertifikalı ilk tamamen kompozit gövdeli jet iş jetidir, tüm gövde, petek sandviç yapılı karbon panellerden yapılmıştır, toplam kalınlık 20,6 mm'dir, gövde, geleneksel alüminyum yapıya göre kafes kirişlerden ve çerçevelerden arındırılmıştır. ağırlığı %25 azaltıldı ve kabin alanı %13 artırıldı. Şu anda üretimde olan Hawker 4000 uçağının gövde yapısı, kanatlara bağlanan üç namlu yapısından oluşuyor, namlular petek sandviç yapılardan oluşuyor ve kaplama, MAG Cincinnati'nin Viper otomatik tel döşeme makinesi kullanılarak döşeniyor. Nomex petek sandviç yapılı kompozit bileşenler, kanatlar, kanatçıklar, gövde duvar panelleri, motorlar, kokpitler, kargo bölmeleri, yatay kuyruklar, kanat ön kenarları, helikopter rotor kuyruk kirişleri ve diğer uçaklar gibi uçak bileşenleri için Rusya'daki çok sayıda uygulamada kullanılmaktadır. bileşenler.

AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. ve diğer birimlerin yerli üretimi olan çok sayıda reçine matrisli kompozit malzeme (drogue, paddle, düz kuyruk ve rotor vb.) ve Nomex petek sandviç yapılı kompozit malzemeler (gövde) Genel gövde ağırlığını önemli ölçüde azaltan, bileşenlerin yorulma mukavemetini artıran ve helikopterin uçuş kalitesini artıracak şekilde aerodinamik özellikleri iyileştiren paneller, zeminler, kuyruk kirişleri vb.). Motor ve aktarma organlarının yanı sıra yaklaşık 300 uçak parçasının da Nomex petek sandviç kompozitlerinden yapıldığı tahmin ediliyor. Tüm parçalarda 3 yoğunluk ve 12 spesifikasyona sahip Nomex petek çekirdek malzemeleri kullanılıyor. Nomex petek çekirdek malzemelerinin tüm gövdedeki miktarı 200 m2'den fazladır ve kapsama alanı tüm gövdenin yaklaşık %80'ini oluşturmaktadır. Bu, şu anda Çin'de Nomex petek sandviç yapısal kompozitlerini en çok kullanan uçak türlerinden biridir. .

004 Sivil uçak döşemelerinde petek sandviç yapının uygulanması

4.1 Uçak Yolcu ve Kargo Bölmesi Döşemelerinin Araştırma Durumu

Geleneksel uçak zeminleri yolcu ve kargo zeminleri metalden yapılmıştır. Her katta yüzlerce perçin ve vida bulunur, ancak aynı zamanda elastik pedlerin ve gövde yapısının izolasyonunun kullanılması gerekir ve bu nedenle pahalıdır. Ve kompozit malzemelerin kullanımı zemin yapısının sağlamlığını, sertliğini, yorulmasını ve korozyon direncini büyük ölçüde iyileştirebilir, konektörleri büyüklük sırasına göre azaltabilir ve zemin yapısının ağırlığını önemli ölçüde azaltabilir.

Uçak zemininin kompozit sandviç yapısının paneli genellikle cam elyafı önceden emprenye edilmiş, karbon elyafı ve Kevlar önceden emprenye edilmiş malzemeden yapılır ve matris, epoksi reçine veya fenolik reçineden seçilir. Petek çekirdekleri Nomex petekleriyle birlikte yaygın olarak kullanılır.

incir.4 Uçak yolcu ve kargo bölmesi döşemesi

4.2 Sandviç yapıların zeminlere uygulanması

Boeing'in Model 234 sivil Chinook helikopterinin ana kabin katının her biri 2,5mx 2,2m ölçülerinde ve dört panelden oluşuyor. Paneller, Nomex petek çekirdekli fiberglas/Kevlar49 kompozitlerdir ve sandviç zemin, ortadaki petek çekirdeğine simetrik olan her biri dört katmanlı üst ve alt panel yerleşimine sahiptir. Birinci ve ikinci katmanlar 0 derece cam elyaf prepregdir ve üçüncü ve dördüncü katmanlar 0 derece yön Kevlar49 fiber prepregdir. Nomex çekirdeği 38 mm yüksekliğe, 2 mm hücre uzunluğuna ve 48 kg/m3 yoğunluğa sahiptir. Paneller ve çekirdek EA9 yapışkan film ile birbirine yapıştırılmıştır. Boeing 777, Boeing 787 Dreamliner ve diğer uçak modellerinin kabin zemininde de kompozit sandviç yapı tercih edilmiştir.

MC GillCorp. Gillfab4223 sandviç yapılı panel üretimi, fiberglas kumaş seçimi, fenolik reçine için matris, GillcoreHD meta-aramid petek için çekirdek, epoksi sistem için yapışkan film seçimi. Sandviç yapının tamamının kalınlığı 12,6 mm, üst panelin kalınlığı 1,27 mm ve alt panelin kalınlığı 0,508 mm'dir. Gillfab4223 sandviç yapısı Airbus A318/ A319/ A320/ A321/ A330/ A340/ A300/ A310/ A300-600'da kullanılmaktadır. MC GillCorp. Gillfab4505 sandviç yapı panelinin üretimi, karbon fiber tek yönlü kayışın seçimi (cam elyafı prepreg için yüzey katmanı), fenolik reçine için matris, GillcoreHD meta-aramid petek için çekirdek, epoksi sisteminin yapışkan film seçimi. Sandviç yapının tamamının kalınlığı 9,5 mm, üst ve alt panellerin kalınlığı ise 0,5 mm'dir. Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340'da Gillfab4505 sandviç yapısı kullanılmaktadır.

Fokker 100'ün kargo zemini nispeten basit bir yapıdır; dış yüzeyi yüksek performanslı termoplastik kompozit levhalardan ve Nomex petek çekirdeğinden oluşan kompozit bir sandviç yapıdır. Kabuk ve çekirdek bir epoksi film ile birbirine yapıştırılmıştır.

Nomex petek sandviç yapısının belirli bir modelinin kargo ambarı tabanı, Niu Fangxu ve diğerleri tarafından panelin hammaddesi olarak kendi kendine yapılan cam elyaf takviyeli fenolik reçine prepreg kullanılarak sıcak pres kalıplama yoluyla hazırlandı. Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. Zeminin mekanik özellikleri ve alev geciktirici özellikleri sistematik olarak değerlendirildi ve ön emprenye tipinin, kür sıcaklığının ve kalıplama işleminin petek panellerin mekanik özellikleri üzerindeki etkileri analiz edildi ve etkileyen faktörler Petek panellerin alev geciktirici özellikleri araştırıldı. Sonuçlar, 4348N'ye kadar uzun kiriş bükülmesinin nihai yükü, 445N'lik bir yükte yalnızca 6,79 mm'lik sapma, 445N'ye kadar darbe performansı ile, kendi kendine yapılan prepreg ile hazırlanan kargo bölmesi zemininin mekanik özelliklerinin mükemmel olduğunu göstermektedir. 17.1J ve 66.4N-mm/mm'ye kadar silindir soyma mukavemeti ve aynı zamanda, uçağın toplu kargo alanı için döşeme malzemelerinin lokal olarak değiştirilmesini gerçekleştirebilen alev geciktiriciliğe yönelik katı gereklilikleri karşılamaktadır.

005 Sonuç

İyi basınç ve eğilme özelliklerinden yararlanan, yüksek mukavemetli, yüksek spesifik sertlikte ve düşük yoğunluklu petek sandviç yapısı, sivil uçak alanında çok sayıda uygulamada kullanılmaktadır. Bu makale, petek sandviç yapısının araştırma ilerlemesini ve gelişme durumunu analiz etmekte, tipik uçak yapılarındaki uygulamasını daha da bir araya getirmekte ve yerli uçak C919/C929'un geliştirilmesi ve üretimi ile uçak zeminlerine yönelik kompozit sandviç yapının geniş bir uygulama alanına sahip olduğu sonucuna varmaktadır. umutlar.(Kaynak: Fiber Kompozitler)