波音787梦想飞机,复合材料机身解析.pps

祁昌亚 同济大学 材料学院 2014/6/20 “发展大飞机，材料要先行” 复合材料在新一代飞机中的应用 707 717 727 737 747 757 767 777 787 机型：在产机型： 787 DREAMLINER ①机体主要结构件大规模复合材料！ ②全球数字化协同制造！ 改变行业面貌的飞机 Boeing 777 开始研发 1990.10 首次试飞 1994.6 p 得益于先进的合金，777飞机的结 构重量减轻1,450公斤 p 采用了复合材料，777飞机的重量 减轻1,180公斤复合材料不易疲 劳和腐蚀，能减少维修时间，为航 空公司节约资金并提高飞机的可用 性 开始研发 2005.11 首次试飞 2011.3 与777飞机一样，747-8广泛采用 新一代铝合金，同时，它还在襟 翼、扰流板、短舱和 方向舵中采用了 碳复合材料 随着飞机重量降低，飞机 的效率更高，油耗、维修 成本、与重量相关的导航 和起降费用更低 研发启动 2004.4 试飞成功 2009.12 Boeing 787 p 碳素层板是一种由多层碳素纤维经聚合物灌注而成的复合材料结构在787上 ，碳素层板结构由碳丝组成的带子经树脂（类似黏胶）灌注而成。

这些薄层再 堆叠起来以获得所应用结构需要的厚度和形状，并通过持续数小时的高温高压 工艺成型 p 碳素夹心板是一种特殊级别的复合材料，通过将两层纤薄硬质蒙皮附着在蜂巢 版的轻质厚核心层上制造而来核心层材料通常为低强度材料，但其较大的厚 度可以为夹心板复合材料提供高抗弯性，同时保持整体低密度 p 其他复合材料由多种材料组成，这些材料被组合起来时，具有某些优势性的结 构属性787上这类材料的例子包括玻璃纤维、玻璃/碳素合成物等 p 认为波音采用 2 倍于空客 A380 上复合材料用量的做法在技术上是冒进的 , 过多采用复合材料结构是一种不明智的选择, 有的甚至说这是一种不负 责任的做法 p 复合材料技术现在还不成熟, 现有的复合材料对于机体的许多部位不适用 , 这是由于复合材料结构的性能优势仅在拉伸和疲劳强度方面, 它的耐压 性能尚不明朗 p 在引进新材料和新工艺的过程中应采取循序渐进的方式, 波音公司省略了 在使用复合材料方面的数小步, 企图跨出一大步, 这样会有风险 p 碳纤维增强复合材料确实具有重量轻的优越性, 但目前原材料价格上涨了 500 % , 经济上的合理性值得商榷 p 如何监测复合材料部件的内部损坏程度：目前铝合金飞机在使用15年后 , 可用涡流探伤仪等昂贵的检测工具, 来寻找飞机在反复起降和飞行中所 造成的裂缝, 而复合材料部件的内部损坏程度尚无类似仪器来检测。

反对声音 多次乘过飞机的人都有这样的体会, 当登上飞机时, 会立即感到客舱内的环境令人不适, 特别是 在飞行过程中, 客舱内干燥的空气, 加上含氧量偏低, 容易让人头疼、头晕, 使人疲劳 p 这是由于当前的商用客机, 客舱内的气压相当于海拔 2438 m高度的大 气压强飞机只能增压到这种高度的压强, 是因为客机的机身是由铝合 金壁板通过几十万到上百万个铆钉等紧固件连接组装而成, 它在一定压 强作用下, 气密性较差,金属机身耐疲劳性能也较差大型客机一般要 飞行 6 万个起落,每个起落都是一次疲劳过程 p 当机身内壁气压升高时, 就是一次疲劳过程, 它会增加飞机部件损耗, 加速金属老化, 导致飞机维护成本升高, 这是航空公司不愿看到的；另 一方面, 由于金属机身在一定湿度下易受腐蚀, 所以航空公司把客舱内 空气湿度保持在极低水平, 约4%左右 铝合金的缺点 一旦采用复合材料： p 长期加湿不会对飞机造成腐蚀, 舱内空气湿度可提高 10 % ~ 20% 波音 787 客机的舱内空气湿度可保持在 15 % 左右, 显 然比当前 4% 的水平更舒适 p 同时, 客舱内的空气将压缩到相当于海拔1829 m高度的大气 压强, 从而增加舱内的气压和空气的含氧量。

由于舱内的气 压升高, 客舱内空气可以多提供 8% 的氧气供乘客呼吸 点击播放 p 波音率先在787飞机上采用整件桶装机身构造方式 p 与传统的板块构造相比，整件桶装机身构造重量更轻，维修成本更低 ①组装工作量大，连接件数量大增，带来结构增 重，减重效果不显著; ②组装设备投资大造成成本的增加; ③不利于实现座舱的气密性 ①整体筒壳机身大量减少了连接件，达到明 显减重减少装配降低成本的预期目的 同时 ，还可提高组装精度，减少公差，垫片用量 也显著减少 ②机身的气密性以及疲劳和耐腐蚀性能大大 提高，允许机身座舱增加压力增加湿度和加 大窗户尺寸，提高客机的乘员舒适性 ③生产效率可以大幅度提高，有利于降低 成本 东丽卡® 预浸布 东丽卡® 预浸材料是东丽卡® 成型前的中间 产品，主要以完全渗透环氧树脂的薄板型碳 纤维的形式存在卓越的品质特性使东丽卡 ® 成为多个应用领域的理想之选在航空领 域，东丽卡® 被用于生产波音777的尾翼和 波音787的机身而在运动领域，东丽卡® 同样被广泛的用于生产高尔夫球杆、鱼竿以 及网球拍框架 TORAYCA carbon fibers are recognized as a critical part of modern aviation and aerospace applications , including primary and secondary structure for commercial aircraft,the International Space station, satellites, rocket motor casings, and expendable launch vehicles like the Boeing Delta programs. TORAYCA T800 carbon fiber the only carbon fiber that has attained certification from the FAA(Federal Aviation Administration). Source: 波音787机体35%的零部件系“日本制造” 飞机容量 787具有的先进气动设计、轻质结构、优化系统和 更高效发动机的联合效果使油耗降低了20%。