Aplicaciones de estructuras tipo sándwich de panal compuestas en aeronaves civiles

Abstracto:Las estructuras tipo sándwich alveolar compuestas se utilizan en una gran cantidad de aplicaciones en el campo de las aeronaves civiles, que se caracterizan por su alta resistencia, alta rigidez específica, baja densidad, buenas propiedades de compresión y flexión, etc. Las piezas de aplicación incluyen fuselaje, capó del motor, carenado, escotilla, cubierta de antena, borde de ataque, etc. La gran cantidad de aplicaciones de la estructura tipo sándwich alveolar reduce significativamente el peso de la estructura del avión. Con el progreso del proceso de moldeo y la mejora de las propiedades del material, la estructura tipo sándwich alveolar se aplica gradualmente al piso y a otras estructuras de soporte principales. Este artículo analiza en primer lugar el progreso de la investigación y el proceso de desarrollo de las estructuras tipo sándwich alveolar. En segundo lugar, resuelve la aplicación de estructuras sándwich alveolares en componentes típicos de aviones. Finalmente, se presenta el estado actual de la aplicación de la estructura sándwich alveolar en el piso de aeronaves civiles.

001 Introducción

Con el desarrollo socioeconómico, el sector del transporte, especialmente el aéreo, se enfrenta a dos tareas: la reducción general del peso de las estructuras y la cuestión de los beneficios directamente relacionados con la reducción del peso: la reducción del consumo de combustible. El peso estructural y el consumo de combustible son particularmente importantes en el campo de la aviación. Actualmente, las estructuras tipo sándwich alveolar se utilizan ampliamente en fuselajes, escotillas, alas, colas, pisos, carenados y cubiertas de antenas en la industria de la aviación. Las estructuras tipo sándwich alveolar ofrecen una buena relación resistencia-peso. En comparación con los revestimientos compuestos, funcionan mejor bajo cargas laterales y de flexión debido a su forma estructural, que consiste en un núcleo grueso y liviano rodeado por dos capas delgadas y rígidas.

El gran número de aplicaciones de las estructuras tipo sándwich alveolar ha reducido significativamente el peso de las estructuras aeronáuticas, gracias a sus buenas propiedades de compresión y flexión, hasta el punto de que las estructuras tipo sándwich alveolar están avanzando paulatinamente hacia estructuras portantes principales como los suelos. El contenido de este artículo se divide principalmente en tres partes: en primer lugar, analiza el progreso de la investigación y el proceso de desarrollo de la estructura tipo sándwich alveolar; en segundo lugar, combina la aplicación de la estructura tipo sándwich alveolar en componentes típicos de aviones con los modelos utilizados actualmente; finalmente, presenta el estado actual de la aplicación de la estructura sándwich alveolar en los pisos de aeronaves civiles.

002 Estructura tipo sándwich de panal

La estructura tipo sándwich de panal, que se originó por primera vez en la biónica, se caracteriza por una alta resistencia específica, una alta rigidez específica y un peso ligero en comparación con el mismo tipo de material sólido y, por lo tanto, se ha utilizado ampliamente en la aviación, el transporte y otros campos. La estructura tipo sándwich de panal compuesta puede mejorar eficazmente la rigidez a la flexión y mejorar la capacidad de soportar momentos y presiones de flexión con un aumento de peso muy pequeño, lo que la convierte en una estructura liviana más ideal para la aviación.

Las estructuras tipo sándwich alveolar compuestas constan de tres componentes: paneles, núcleo alveolar y adhesivo.

(1) Panel. El panel es la principal parte portante de la estructura tipo sándwich. En comparación con el material del núcleo, el material del panel se caracteriza por su alta densidad, alto módulo y alta resistencia. El material del panel compuesto suele ser aleación de aluminio, aleación de titanio, plástico reforzado con fibra de vidrio y otros materiales. La mayoría de las cintas unidireccionales o compuestos textiles de fibra de carbono o fibra de vidrio se utilizan actualmente en estructuras aeroespaciales.

(2) Núcleo de panal. El rendimiento de la estructura tipo sándwich de panal y la geometría del panal están relacionados con el material del núcleo del panal. En general, los núcleos alveolares están disponibles como núcleos alveolares de aluminio, núcleos alveolares de aramida, núcleos alveolares de fibra de vidrio, etc., según el material. El panal de aramida se divide en panal de meta-aramida y panal de para-aramida. El panal de mesoaramida es una metaaramida obtenida mediante policondensación interfacial o policondensación en solución a baja temperatura de cloruro de m-tolueno dicarbonilo (MDCL) y m-fenilendiamina (MPA). El más común en el mercado es la metaaramida inventada y utilizada por primera vez por DuPont en la década de 1960. El panal de para-aramida es una policondensación de p-fenilendiamina y cloruro de p-fenilendicarbonilo para obtener para-aramida, nombre comercial Kevlar. El núcleo alveolar de aramida existente es principalmente metaaramida, y la investigación sobre paraaramida es muy escasa. Los principales modelos de aplicación se muestran en la Tabla 1. El panal de papel de aramida (panal de abeja NOMEX) está hecho de papel de aramida humedecido con resina fenólica. En comparación con el panal de aluminio, el panal de aramida es mucho más resistente a la inestabilidad local porque la celda del panal de aramida es más gruesa que la del panal de aluminio. La preparación del panal de Nomex consta de nueve procesos: pegado de papel de aramida, laminación, prensado, corte, estirar, dimensionar, sumergir, curar y rebanar. AVIC Composites Co., Ltd. mejoró el proceso de pegado por inmersión de panal de aramida, concluyó los parámetros del proceso como el espesor de la celda y del papel y dedujo la fórmula empírica para el control de la densidad. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. utiliza papel de aramida nacional para preparar el panal, las propiedades de compresión y corte han podido cumplir con los requisitos de HB5435-89 y BMS8-124, las propiedades dieléctricas y retardantes de llama también cumplen los requisitos estándar. Meishi, una filial de Yantai Spandex Group Co., Ltd. de China, ha preparado diferentes tipos de núcleos alveolares a partir de su papel de metaaramida mediante una serie de procesos maduros. La resistencia a la compresión en el plano y la resistencia al corte de su núcleo y estructura tipo sándwich a temperatura ambiente pueden alcanzar los valores de índice del estándar Boeing BMS8-124 y pueden cumplir con los requisitos de uso de las propiedades mecánicas.

Pestaña.1 Principales modelos de aplicación del tipo panal

(3) Adhesivo. El adhesivo utilizado para las estructuras sándwich alveolares de aviación suele ser un adhesivo estructural. Los adhesivos estructurales son aquellos que pueden soportar una fuerza considerable en un período de tiempo predeterminado, en el entorno en el que se utilizan, y tienen una resistencia y una vida útil duradera que coinciden con la del objeto al que se adhieren. Según la matriz de resina generalmente se divide en tres categorías principales. El primer epoxi, la resina epoxi, tiene las ventajas de una excelente mano de obra, un largo período de aplicación y la mayor resistencia a temperaturas de hasta 232 grados; La segunda categoría es la bismaleimida, que puede alcanzar temperaturas de más de 232 grados, y se utiliza principalmente en aviones militares con temperaturas más altas; El tercero es el tipo de éster de cianoácido, que tiene una excelente resistencia a la temperatura, a la dielectricidad y al calor y la humedad, por lo que se utiliza principalmente en componentes con requisitos de rendimiento eléctrico de los componentes. Adhesivo estructural de resina epoxi de uso común en la aviación, como se muestra en la Tabla 2. Las empresas estadounidenses Hexcel, Cytec y otras han desarrollado una variedad de usos del sistema de materiales, y en los últimos años la empresa nacional AVIC Composite también ha desarrollado un adhesivo de temperatura media y alta. sistema de resina, como BA9913, BA9916, SY-24C-300, etc.

Pestaña.2 Adhesivos estructurales de aviación nacionales y extranjeros.

003 Estructuras tipo sándwich alveolar en componentes típicos de aeronaves

En lo que respecta a los grandes aviones civiles, el Boeing 747 (que voló por primera vez el 9 de febrero de 1969) fue diseñado con un gran porcentaje de construcción tipo sándwich (Figura 1). Tiene aproximadamente la mitad de la superficie del ala, incluidos los bordes de ataque y de salida, hecha de fibra de vidrio y nido de abeja Nomex. En el Boeing 747, la carcasa cilíndrica del fuselaje es principalmente alveolar de Nomex, y el piso, los paneles laterales, los contenedores de basura superiores y el techo también están hechos de alveolar. La mayoría de las solapas están hechas de la misma estructura alveolar, pero también se utilizan panal y piel de aluminio. Las aplicaciones de estructura tipo sándwich de panal en el B787 incluyen el timón, el elevador, las puntas de las alas y las góndolas del motor. Entre ellos, las góndolas del motor y los inversores de empuje están hechos de panal HexWeb y preimpregnado HexPly8552/AS4. Con las ventajas de peso ligero y alta rigidez, así como absorción acústica, el panal HexWeb ha sido utilizado por los principales fabricantes de motores del mundo. Para el Boeing 707, sólo el 8% es panal, y para el Boeing 757/46 más nuevo, el 46% es panal.

Higo.1 Ilustración de una parte de la aplicación de estructura sándwich B747 (área azul)

La estructura tipo sándwich de panal en la aplicación de grandes aviones civiles es la primera en el timón del avión Airbus A310 y luego se utiliza en el timón del A320 y A340. La estructura tipo sándwich alveolar de mayor tamaño es el timón del A340, con una superficie de 15,3 m²de estructura sándwich de panal. La dosis más grande para un solo avión para el avión A380, la cantidad de su estructura sándwich de panal ascendió a 4,000 m², utilizado principalmente para componentes estructurales de gran tamaño, incluido el carenado del vientre, pisos, etc. Y el piso está hecho principalmente de paneles sándwich Gillfab4909 de MC GillCorp. Panal de Kevlar. La estructura del piso del Airbus A380 está hecha de una gran cantidad de compuestos tipo sándwich de nido de abeja Nomex, que son excelentes materiales que permiten que el A380 alcance una vida operativa de 20,000 horas, lo que garantiza que la aeronave pueda estar en servicio. durante más de 10 años. Desde entonces, el uso de compuestos ha aumentado significativamente, especialmente con el ATR72, que fue el primer avión civil certificado con una estructura básica de carbono (caja del ala) (ver Figura 2). Como se muestra en la Figura 3, la proporción de materiales sándwich en estructuras secundarias ha ido disminuyendo. En el A380, Boeing 787 o Airbus A350, sólo el carenado inferior, las góndolas y las puertas del tren de aterrizaje delantero, algunos alerones y timones siguen siendo de construcción tipo sándwich, siendo el resto estructuras monolíticas autorreforzadas.

Fig. 2 Aplicación de los composites ATR72

(a) Estructura sándwich del A380 (b) Estructura sándwich del conjunto de compuestos A350 y B787 estructura

Higo.3 Diagrama de estructura sándwich de avión.

En comparación con los aviones civiles, la aplicación de la estructura sándwich de panal en los aviones en general se manifiesta principalmente en el uso del fuselaje, como los aviones PremierI de HawkerBeechcraf, Hawker 4000 y "Prime Minister" IA, aviones Bombardier Aerospace Learjet 85, etc. PremierI es el primer avión de negocios con fuselaje totalmente compuesto certificado por la FAA, todo el fuselaje está hecho de paneles de carbono con estructura tipo sándwich alveolar, el espesor total es de 20,6 mm, el fuselaje está libre de armazones y marcos, a diferencia de la estructura de aluminio tradicional. reducir el peso en un 25% y aumentar en un 13% el espacio del habitáculo. La estructura del fuselaje del avión Hawker 4000 actualmente en producción consta de tres estructuras de barril conectadas en las alas, los barriles son estructuras tipo sándwich en forma de panal y la piel se coloca utilizando la máquina automática de tendido de cables Viper de MAG Cincinnati. Los componentes compuestos de estructura sándwich de panal de Nomex se utilizan en una gran cantidad de aplicaciones en Rusia para componentes de aeronaves, como flaps, alerones, paneles de pared de fuselaje, motores, cabinas, compartimentos de carga, colas horizontales, bordes de ataque de alas, vigas de cola de rotores de helicópteros y otras aeronaves. componentes.

La producción nacional de AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. y otras unidades de una gran cantidad de materiales compuestos de matriz de resina (como embudo, paleta, cola plana y rotor, etc.) y materiales compuestos de estructura tipo sándwich de panal Nomex (fuselaje paneles, suelos, vigas de cola, etc.), lo que reduce significativamente el peso del conjunto del fuselaje, mejora la resistencia a la fatiga de los componentes y mejora las características aerodinámicas para mejorar la calidad de vuelo del helicóptero. Se estima que, además del motor y el tren motriz, cerca de 300 piezas de avión están hechas de compuestos tipo sándwich de nido de abeja Nomex. Todas las piezas utilizan materiales de núcleo de panal Nomex de 3 densidades y 12 especificaciones. La cantidad de materiales de núcleo de panal de Nomex en todo el fuselaje es de más de 200 m2, y su área de cobertura representa aproximadamente el 80% de todo el fuselaje, que es uno de los tipos de aeronaves que más utilizan compuestos estructurales tipo sándwich de panal de Nomex en China en la actualidad. .

004 Aplicación de estructura sándwich alveolar en pavimentos de aeronaves civiles

4.1 Estado de la investigación sobre el suelo de los compartimentos de carga y pasajeros de aeronaves

Los pisos de aviones convencionales, los pisos para pasajeros y carga, están construidos de metal. Cada piso tiene cientos de remaches y tornillos, pero también es necesario utilizar almohadillas elásticas y aislamiento de la estructura del fuselaje, lo que es costoso. Y el uso de materiales compuestos puede mejorar en gran medida la resistencia, rigidez, fatiga y resistencia a la corrosión de la estructura del piso, puede reducir los conectores en un orden de magnitud y puede reducir significativamente el peso de la estructura del piso.

El panel de la estructura sándwich compuesta del piso de la aeronave generalmente está hecho de preimpregnado de fibra de vidrio, fibra de carbono y preimpregnado de Kevlar, y la matriz se selecciona de resina epoxi o resina fenólica. Los núcleos de panal se usan comúnmente con el panal de Nomex.

Higo.4 Pisos del compartimiento de pasajeros y de carga de aviones

4.2 Aplicación de estructuras sándwich a suelos.

El piso de la cabina principal del helicóptero civil Chinook Modelo 234 de Boeing mide 2,5 mx 2,2 m cada uno y consta de cuatro paneles. Los paneles son compuestos de fibra de vidrio/Kevlar49 con núcleos alveolares Nomex, y el piso sándwich tiene cuatro capas de paneles superiores e inferiores cada uno, simétricos al núcleo alveolar en el medio. La primera y segunda capas son preimpregnados de fibra de vidrio de 0 grados, y la tercera y cuarta capas son preimpregnados de fibra Kevlar49 en dirección de 0 grados. El núcleo de Nomex tiene una altura de 38 mm, una longitud de celda de 2 mm y una densidad de 48 kg/m3. Los paneles y el núcleo se pegan con una película adhesiva EA9. La estructura sándwich compuesta también se elige para el piso de la cabina del Boeing 777, Boeing 787 Dreamliner y otros modelos de aviones.

MC GillCorp. producción de panel de estructura sándwich Gillfab4223, selección de tejido de fibra de vidrio, matriz para la resina fenólica, núcleo para el panal de meta-aramida GillcoreHD, selección de película adhesiva del sistema epoxi. El espesor de toda la estructura tipo sándwich es de 12,6 mm, el espesor del panel superior es de 1,27 mm y el espesor del panel inferior es de 0.508 mm. La estructura sándwich Gillfab4223 se utiliza en Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340/A300/A310/A300-600. MC GillCorp. producción del panel de estructura sándwich Gillfab4505, selección de correa unidireccional de fibra de carbono (la capa superficial para el preimpregnado de fibra de vidrio), la matriz para la resina fenólica, el núcleo para el panal de meta-aramida GillcoreHD, selección de película adhesiva del sistema epoxi. El espesor de toda la estructura tipo sándwich es de 9,5 mm y el espesor de los paneles superior e inferior es de 0,5 mm. La estructura tipo sándwich Gillfab4505 se utiliza en Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340.

El piso de carga del Fokker 100 es una estructura relativamente simple, que es una estructura sándwich compuesta con una piel externa de láminas de compuestos termoplásticos de alto rendimiento y un núcleo de nido de abeja Nomex. La piel y el núcleo se pegan con una película de epoxi.

El piso de la bodega de carga de un determinado modelo de estructura tipo sándwich de panal de Nomex fue preparado mediante moldeo por prensado en caliente utilizando preimpregnado de resina fenólica reforzada con fibra de vidrio de fabricación propia como materia prima del panel por Niu Fangxu et al. de Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. Se evaluaron sistemáticamente las propiedades mecánicas y las propiedades retardantes de llama del piso, y se analizaron los efectos del tipo de preimpregnado, la temperatura de curado y el proceso de moldeo sobre las propiedades mecánicas de los paneles alveolares, y los factores que influyen. Se estudiaron las propiedades retardantes de llama de los paneles alveolares. Los resultados muestran que las propiedades mecánicas del piso del compartimiento de carga preparado con preimpregnado de fabricación propia son excelentes, con una carga máxima de flexión de viga larga de hasta 4348 N, una deflexión de solo 6,79 mm con una carga de 445 N, un rendimiento de impacto de hasta 17.1J y una resistencia al pelado del rodillo de hasta 66,4 N-mm/mm, y al mismo tiempo, cumple con los estrictos requisitos de retardo de llama, lo que permite realizar la sustitución localizada de los materiales del piso para el área de carga a granel de la aeronave.

005 Conclusión

La estructura tipo sándwich alveolar con alta resistencia, alta rigidez específica y baja densidad, que se beneficia de sus buenas propiedades de compresión y flexión, se ha utilizado en un gran número de aplicaciones en el campo de las aeronaves civiles. Este artículo analiza el progreso de la investigación y el estado de desarrollo de la estructura sándwich alveolar, analiza aún más su aplicación en estructuras típicas de aeronaves y concluye que con el desarrollo y la producción de los aviones nacionales C919/C929, la estructura sándwich compuesta para pisos de aeronaves tiene una amplia gama de aplicaciones. perspectivas. (Fuente: Fiber Composites)