Aplicações de estruturas sanduíche compostas em favo de mel em aeronaves civis

Abstrato:Estruturas sanduíche compostas em favo de mel são usadas em um grande número de aplicações no campo de aeronaves civis, que são caracterizadas por alta resistência, alta rigidez específica, baixa densidade, boas propriedades de compressão e flexão, etc. carenagem, escotilha, tampa da antena, borda de ataque e assim por diante. O grande número de aplicações da estrutura sanduíche em favo de mel reduz significativamente o peso da estrutura da aeronave. Com o progresso do processo de moldagem e a melhoria das propriedades do material, a estrutura sanduíche em favo de mel é gradualmente aplicada ao piso e outras estruturas principais de suporte. Este artigo analisa primeiramente o progresso da pesquisa e o processo de desenvolvimento de estruturas sanduíche em favo de mel. Em segundo lugar, analisa a aplicação de estruturas sanduíche em favo de mel em componentes típicos de aeronaves. Por fim, apresenta o status atual da aplicação da estrutura sanduíche em favo de mel no piso de aeronaves civis.

001 Introdução

Com o desenvolvimento socioeconómico, surgem duas tarefas no domínio dos transportes, especialmente do transporte aéreo: a redução global do peso das estruturas e a questão dos benefícios diretamente relacionados com a redução do peso - a redução do consumo de combustível. O peso estrutural e o consumo de combustível são particularmente importantes no campo da aviação. Atualmente, estruturas sanduíche em favo de mel são amplamente utilizadas em fuselagens, escotilhas, asas, caudas, pisos, carenagens e coberturas de antenas na indústria de aviação. As estruturas sanduíche em favo de mel oferecem uma boa relação resistência-peso. Comparados às películas compostas, eles apresentam melhor desempenho sob cargas laterais e de flexão devido à sua forma estrutural, que consiste em um núcleo espesso e leve cercado por duas camadas finas e rígidas.

O grande número de aplicações de estruturas sanduíche em favo de mel reduziu significativamente o peso das estruturas de aeronaves, graças às suas boas propriedades de compressão e flexão, tanto que as estruturas sanduíche em favo de mel estão gradualmente se movendo em direção a estruturas de suporte principais, como pisos. O conteúdo deste artigo está dividido principalmente em três partes: em primeiro lugar, analisa o progresso da pesquisa e o processo de desenvolvimento da estrutura sanduíche em favo de mel; em segundo lugar, combina a aplicação da estrutura sanduíche em favo de mel em componentes típicos de aeronaves com os modelos atualmente utilizados; por fim, apresenta o status atual da aplicação da estrutura sanduíche em favo de mel nos pisos de aeronaves civis.

Estrutura sanduíche em favo de mel 002

A estrutura sanduíche em favo de mel, originada pela primeira vez na biônica, é caracterizada por alta resistência específica, alta rigidez específica e peso leve em comparação com o mesmo tipo de material sólido e, portanto, tem sido amplamente utilizada na aviação, transporte e outros campos. A estrutura sanduíche composta em favo de mel pode efetivamente melhorar a rigidez à flexão e aumentar a capacidade de suportar momentos de flexão e pressões com um aumento de peso muito pequeno, tornando-a uma estrutura leve mais ideal para a aviação.

As estruturas sanduíche compostas em favo de mel consistem em três componentes: painéis, núcleo em favo de mel e adesivo.

(1) Painel. O painel é a principal parte de suporte da estrutura sanduíche. Comparado com o material do núcleo, o material do painel é caracterizado por alta densidade, alto módulo e alta resistência. O material do painel composto é geralmente liga de alumínio, liga de titânio, plástico reforçado com fibra de vidro e outros materiais. A maioria das fitas unidirecionais ou tecidos compostos de fibra de carbono ou fibra de vidro são atualmente usados ​​em estruturas aeroespaciais.

(2) Núcleo de favo de mel. O desempenho da estrutura sanduíche em favo de mel e a geometria do favo de mel estão relacionados ao material do núcleo do favo de mel. Em geral, os núcleos do favo de mel estão disponíveis como núcleo do favo de mel de alumínio, núcleo do favo de mel de aramida, núcleo do favo de mel de fibra de vidro, etc., de acordo com o material. O favo de mel de aramida é dividido em favo de mel meta-aramida e favo de mel para-aramida. O favo de mel meso-aramida é uma meta-aramida obtida por policondensação interfacial ou policondensação em solução de baixa temperatura de cloreto de m-tolueno dicarbonila (MDCL) e m-fenilenodiamina (MPA). O mais comum no mercado é a meta-aramida inventada e colocada em uso pela DuPont na década de 1960. O favo de mel de para-aramida é a policondensação de p-fenilenodiamina e cloreto de p-fenilenodicarbonila para obter para-aramida, nome comercial Kevlar. O núcleo de favo de mel de aramida existente é principalmente meta-aramida, e a pesquisa de para-aramida é muito pequena. Os principais modelos de aplicação são apresentados na Tabela 1. O favo de mel de aramida (favo de mel NOMEX) é feito de papel de aramida umedecido com resina fenólica. Comparado com o favo de mel de alumínio, o favo de mel de aramida é muito mais resistente à instabilidade local porque a célula do favo de mel de aramida é mais espessa do que a do favo de mel de alumínio. A preparação do favo de mel Nomex consiste em nove processos: colagem de papel de aramida, laminação, prensagem, corte, esticar, dimensionar, mergulhar, curar e fatiar. AVIC Composites Co., Ltd. melhorou o processo de colagem por imersão do favo de mel de aramida, concluiu os parâmetros do processo, como espessura da célula e do papel, e deduziu a fórmula empírica para controle de densidade. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. usa papel de aramida doméstico para preparar favo de mel, propriedades de compressão e cisalhamento foram capazes de atender aos requisitos de HB5435-89 e BMS8-124, propriedades dielétricas e retardantes de chama também atendem os requisitos padrão. Meishi, uma subsidiária da Yantai Spandex Group Co., Ltd. da China, preparou diferentes tipos de núcleos de favo de mel a partir de seu papel de meta-aramida por meio de uma série de processos maduros. A resistência à compressão no plano e a resistência ao cisalhamento de seu núcleo e estrutura sanduíche à temperatura ambiente são capazes de atingir os valores de índice no padrão Boeing BMS8-124 e podem atender aos requisitos de uso de propriedades mecânicas.

Aba.1 Principais modelos de aplicação do tipo favo de mel

(3) Adesivo. O adesivo usado para estruturas sanduíche em favo de mel de aviação é geralmente um adesivo estrutural. Adesivos estruturais são aqueles que podem suportar forças consideráveis ​​em um período de tempo pré-determinado, no ambiente em que são utilizados, e possuem resistência e vida útil durável que correspondem às do objeto ao qual estão aderidos. De acordo com a matriz de resina é geralmente dividida em três categorias principais. O primeiro epóxi, resina epóxi tem as vantagens de excelente acabamento, longo período de aplicação e a mais alta resistência à temperatura de até 232 graus; A segunda categoria é a bismaleimida, que pode atingir temperaturas superiores a 232 graus, e é utilizada principalmente em aeronaves militares com temperaturas mais elevadas; O terceiro é o tipo de éster de cianoácido, que possui excelente resistência à temperatura, dieletricidade, e resistência ao calor e umidade, por isso é utilizado principalmente em componentes com requisitos de desempenho elétrico dos componentes. Adesivo estrutural de resina epóxi comumente usado na aviação, conforme mostrado na Tabela 2. Os Estados Unidos Hexcel, Cytec e outras empresas desenvolveram uma variedade de usos do sistema de material e, nos últimos anos, a AVIC Composite Company doméstica também desenvolveu um meio e alta temperatura sistema de resina, como BA9913, BA9916, SY-24C-300 e assim por diante.

Aba.2 Adesivos estruturais para aviação nacional e estrangeira

003 Estruturas sanduíche em favo de mel em componentes típicos de aeronaves

No que diz respeito a aeronaves civis de grande porte, o Boeing 747 (voado pela primeira vez em 9 de fevereiro de 1969) foi projetado com uma grande porcentagem de construção em sanduíche (Figura 1). Possui cerca de metade da superfície da asa, incluindo os bordos de ataque e de fuga, feita de fibra de vidro e favo de mel Nomex. No Boeing 747, o casco cilíndrico da fuselagem é principalmente um favo de mel Nomex, e o piso, os painéis laterais, as latas de lixo suspensas e o teto também são feitos de favo de mel. A maioria das abas é feita da mesma estrutura em favo de mel, mas também são utilizados favos de mel e pele de alumínio. As aplicações de estrutura sanduíche em favo de mel no B787 incluem leme, profundor, pontas das asas e nacelas do motor. Entre eles, as nacelas do motor e os reversores de empuxo são feitos de favo de mel HexWeb e pré-impregnado HexPly8552/AS4. Com as vantagens de peso leve e alta rigidez, bem como absorção acústica, o favo de mel HexWeb tem sido utilizado por todos os principais fabricantes de motores do mundo. Para o Boeing 707, apenas 8% são favos de mel, e para o Boeing 757/46 mais recente, 46% são favos de mel.

Figo.1 Ilustração de uma parte da aplicação da estrutura sanduíche B747 (área azul)

A estrutura sanduíche em favo de mel na aplicação de grandes aeronaves civis é a mais antiga no leme da aeronave Airbus A310 e depois usada no leme A320, A340. A maior estrutura sanduíche em favo de mel é o leme do A340, com área de 15,3 m²de estrutura sanduíche em favo de mel. A maior dosagem de aeronave única para a aeronave A380, a quantidade de sua estrutura sanduíche em favo de mel foi de 4,000 m², usado principalmente para componentes estruturais de grande porte, incluindo carenagem abdominal, piso, etc. E o piso é feito principalmente de painéis sanduíche Gillfab4909 da MC GillCorp. Favo de mel Kevlar. A estrutura do piso do Airbus A380 é feita de um grande número de compósitos sanduíche de favo de mel Nomex, que são excelentes materiais que permitem ao A380 atingir uma vida operacional de 20,000 horas, garantindo que a aeronave possa estar em serviço por mais de 10 anos. Desde então, o uso de compósitos aumentou significativamente, principalmente com o ATR72, que foi a primeira aeronave civil a ser certificada com estrutura básica de carbono (caixa de asa) (ver Figura 2). Conforme mostrado na Figura 3, a proporção de materiais sanduíche em estruturas secundárias vem diminuindo. Para o A380, Boeing 787 ou Airbus A350, apenas a carenagem da barriga, as naceles e as portas dianteiras do trem de pouso, alguns ailerons e lemes ainda são feitos de construção em sanduíche, sendo o restante estruturas monolíticas auto-reforçadas.

Fig. 2 Aplicação de compósitos ATR72

(a) Estrutura sanduíche do A380 (b) Estrutura sanduíche do conjunto A350 e B787 de compósito estrutura

Figo.3 Diagrama da estrutura sanduíche da aeronave

Em comparação com aeronaves civis, a aplicação da estrutura sanduíche em favo de mel em aeronaves em geral se manifesta principalmente no uso da fuselagem, como as aeronaves PremierI, Hawker 4000 e "Prime Minister" IA da HawkerBeechcraf, aeronaves Bombardier Aerospace Learjet 85 e assim por diante. PremierI é o primeiro jato executivo de fuselagem totalmente composto certificado pela FAA, toda a fuselagem é feita de painéis de carbono de estrutura sanduíche em favo de mel, a espessura total de 20,6 mm, a fuselagem é livre de treliças e molduras, do que a estrutura de alumínio tradicional para reduzir o peso em 25% e aumentar em 13% o espaço da cabine. A estrutura da fuselagem da aeronave Hawker 4000 atualmente em produção consiste em três estruturas de barril conectadas nas asas, os barris são estruturas sanduíche em favo de mel e o revestimento é colocado usando a máquina automatizada de colocação de fios Viper da MAG Cincinnati. Os componentes compostos de estrutura sanduíche em favo de mel Nomex são usados ​​em um grande número de aplicações na Rússia para componentes de aeronaves, como flaps, ailerons, painéis de parede da fuselagem, motores, cockpits, compartimentos de carga, caudas horizontais, bordos de ataque das asas, vigas traseiras do rotor de helicópteros e outras aeronaves. componentes.

A produção doméstica da AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. e outras unidades de um grande número de materiais compósitos de matriz de resina (como drogue, paddle, cauda plana e rotor, etc.) e materiais compósitos de estrutura sanduíche em favo de mel Nomex (fuselagem painéis, pisos, vigas traseiras, etc.), o que reduz significativamente o peso de toda a fuselagem, melhora a resistência à fadiga dos componentes e melhora as características aerodinâmicas de modo a melhorar a qualidade de voo do helicóptero. Estima-se que, além do motor e do trem de força, cerca de 300 peças de aeronaves sejam feitas de compósitos sanduíche de favo de mel Nomex. Todas as peças usam materiais de núcleo em favo de mel Nomex de 3 densidades e 12 especificações. A quantidade de materiais do núcleo do favo de mel Nomex em toda a fuselagem é superior a 200m2, e sua área de cobertura é responsável por cerca de 80% de toda a fuselagem, que é um dos tipos de aeronaves que mais usam compósitos estruturais em sanduíche de favo de mel Nomex na China atualmente. .

004 Aplicação de estrutura sanduíche em favo de mel em pisos de aeronaves civis

4.1 Status da pesquisa do piso do compartimento de passageiros e carga de aeronaves

Pisos de aeronaves convencionais e pisos de carga são construídos em metal. Cada andar possui centenas de rebites e parafusos, mas também precisa usar almofadas elásticas e isolamento da estrutura da fuselagem e, portanto, caro. E o uso de materiais compósitos pode melhorar muito a estrutura do piso em termos de resistência, rigidez, fadiga e resistência à corrosão, pode reduzir os conectores em uma ordem de grandeza e pode reduzir significativamente o peso da estrutura do piso.

O painel da estrutura sanduíche composta do piso da aeronave é geralmente feito de pré-impregnado de fibra de vidro, fibra de carbono e pré-impregnado de Kevlar, e a matriz é selecionada de resina epóxi ou resina fenólica. Os núcleos do favo de mel são comumente usados ​​com o favo de mel Nomex.

Figo.4 Piso do compartimento de passageiros e carga da aeronave

4.2 Aplicação de estruturas sanduíche em pisos

O piso da cabine principal do helicóptero civil Chinook Modelo 234 da Boeing mede 2,5m x 2,2m cada e consiste em quatro painéis. Os painéis são compostos de fibra de vidro/Kevlar49 com núcleos em favo de mel Nomex, e o piso sanduíche tem quatro camadas de painéis superiores e inferiores cada, simétricos ao núcleo em favo de mel no meio. A primeira e a segunda camadas são pré-impregnadas de fibra de vidro de 0 graus, e a terceira e quarta camadas são pré-impregnadas de fibra Kevlar49 de direção de 0 graus. O núcleo Nomex tem altura de 38 mm, comprimento de célula de 2 mm e densidade de 48 kg/m3. Os painéis e o núcleo são colados com filme adesivo EA9. A estrutura sanduíche composta também é escolhida para o piso da cabine do Boeing 777, Boeing 787 Dreamliner e outros modelos de aviões.

MC GillCorp. produção de seleção de painel de estrutura sanduíche Gillfab4223 de tecido de fibra de vidro, matriz para a resina fenólica, núcleo para o favo de mel meta-aramida GillcoreHD, seleção de filme adesivo do sistema epóxi. A espessura de toda a estrutura sanduíche é de 12,6 mm, a espessura do painel superior é de 1,27 mm e a espessura do painel inferior é de 0,508 mm. A estrutura sanduíche Gillfab4223 é usada em Airbus A318/ A319/ A320/ A321/ A330/ A340/ A300/ A310/ A300-600. MC GillCorp. produção de seleção de painel de estrutura sanduíche Gillfab4505 de correia unidirecional de fibra de carbono (a camada superficial para o pré-impregnado de fibra de vidro), a matriz para a resina fenólica, o núcleo para o favo de mel de meta-aramida GillcoreHD, seleção de filme adesivo do sistema epóxi. A espessura de toda a estrutura sanduíche é de 9,5 mm e a espessura dos painéis superior e inferior é de 0,5 mm. A estrutura sanduíche Gillfab4505 é usada em Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340.

O piso de carga do Fokker 100 é uma estrutura relativamente simples, que é uma estrutura sanduíche composta com um revestimento externo de folhas de compósitos termoplásticos de alto desempenho e um núcleo de favo de mel Nomex. A pele e o núcleo são colados com uma película epóxi.

O piso do porão de carga de um determinado modelo de estrutura sanduíche em favo de mel Nomex foi preparado por moldagem por prensagem a quente usando pré-impregnado de resina fenólica reforçada com fibra de vidro como matéria-prima do painel por Niu Fangxu et al. do Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. As propriedades mecânicas e propriedades retardantes de chama do piso foram avaliadas sistematicamente, e os efeitos do tipo de pré-impregnado, temperatura de cura e processo de moldagem nas propriedades mecânicas dos painéis em favo de mel foram analisados, e os fatores de influência das propriedades retardantes de chama dos painéis alveolares foram estudadas. Os resultados mostram que as propriedades mecânicas do piso do compartimento de carga preparado com pré-impregnado feito pelo próprio são excelentes, com carga final de flexão de viga longa de até 4348N, deflexão de apenas 6,79mm com carga de 445N, desempenho de impacto de até 17.1J, e a resistência ao descascamento do rolo de até 66,4N-mm/mm, e ao mesmo tempo, atendendo aos rigorosos requisitos de retardamento de chama, o que pode realizar a substituição localizada dos materiais de piso para a área de carga a granel da aeronave.

005 Conclusão

Estrutura sanduíche em favo de mel com alta resistência, alta rigidez específica e baixa densidade, beneficiando-se de suas boas propriedades de compressão e flexão, tem sido utilizada em um grande número de aplicações na área de aeronaves civis. Este artigo analisa o progresso da pesquisa e o status de desenvolvimento da estrutura sanduíche em favo de mel, analisa ainda mais sua aplicação em estruturas típicas de aeronaves e conclui que, com o desenvolvimento e produção de aeronaves domésticas C919/C929, a estrutura sanduíche composta para pisos de aeronaves tem uma ampla gama de aplicações. perspectivas. (Fonte: Fiber Composites)