민간 항공기에 복합 벌집 샌드위치 구조 적용

추상적인:복합 벌집형 샌드위치 구조는 민간 항공기 분야에서 많은 응용 분야에 사용되며 고강도, 높은 비강성, 낮은 밀도, 우수한 압축 및 굴곡 특성 등을 특징으로 합니다. 적용 부품에는 동체, 엔진 카울, 페어링, 해치, 안테나 커버, 앞쪽 가장자리 등. 허니콤 샌드위치 구조를 많이 적용하면 항공기 구조의 무게가 크게 줄어 듭니다. 성형 공정이 진행되고 재료 특성이 향상됨에 따라 벌집 샌드위치 구조가 점차 바닥 및 기타 주요 베어링 구조에 적용됩니다. 본 논문은 먼저 허니컴 샌드위치 구조의 연구 진행 및 개발 과정을 분석한다. 둘째, 일반적인 항공기 부품에 벌집형 샌드위치 구조를 적용하는 방법을 분류합니다. 마지막으로 민간항공기 바닥면에 벌집모양 샌드위치 구조를 적용한 현황을 소개한다.

001 소개

사회 경제적 발전과 함께 운송 분야, 특히 항공 운송 분야에는 두 가지 과제가 있습니다. 즉, 구조물의 전체 중량 감소와 중량 감소와 직접 관련된 이점 문제, 즉 연료 소비 감소입니다. 항공 분야에서는 구조적 중량과 연료 소비가 특히 중요합니다. 현재 허니콤 샌드위치 구조는 항공 산업의 동체, 해치, 날개, 꼬리, 바닥, 페어링 및 안테나 커버에 널리 사용됩니다. 벌집형 샌드위치 구조는 우수한 강도 대 중량 비율을 제공합니다. 복합 스킨에 비해 두 개의 얇고 단단한 층으로 둘러싸인 두껍고 가벼운 코어로 구성된 구조적 형태로 인해 측면 및 굽힘 하중에서 더 나은 성능을 발휘합니다.

허니컴 샌드위치 구조의 적용 사례가 많아짐에 따라 우수한 압축 및 굴곡 특성으로 인해 항공기 구조의 무게가 크게 감소되어 허니컴 샌드위치 구조가 점차 바닥과 같은 주요 베어링 구조로 이동하고 있습니다. 본 논문의 내용은 크게 세 부분으로 나누어진다. 첫째, 벌집형 샌드위치 구조의 연구 진행 및 개발 과정을 분석한다. 둘째, 일반적인 항공기 부품에 벌집형 샌드위치 구조를 적용한 것과 현재 사용되는 모델을 결합합니다. 마지막으로 민간 항공기 바닥에 벌집형 샌드위치 구조를 적용한 현황을 소개한다.

002 벌집 샌드위치 구조

바이오닉스에서 최초로 시작된 허니컴 샌드위치 구조는 동일한 종류의 고체재료에 비해 비강도, 비강성이 높고, 무게가 가벼운 것이 특징으로 항공, 운송 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 복합재 허니콤 샌드위치 구조는 굽힘 강성을 효과적으로 향상시키고, 매우 작은 중량 증가로 굽힘 모멘트와 압력을 견딜 수 있는 능력을 향상시켜 항공용에 더욱 이상적인 경량 구조가 됩니다.

복합 허니컴 샌드위치 구조는 패널, 허니컴 코어 및 접착제의 세 가지 구성 요소로 구성됩니다.

(1) 패널. 패널은 샌드위치 구조의 주요 하중을 ​​지탱하는 부분입니다. 핵심 재료와 비교하여 패널 재료는 고밀도, 고탄성 및 고강도가 특징입니다. 복합 패널 재료는 일반적으로 알루미늄 합금, 티타늄 합금, 유리 섬유 강화 플라스틱 및 기타 재료입니다. 탄소섬유나 유리섬유로 만든 단방향 테이프나 직물 복합재의 대부분은 현재 항공우주 구조물에 사용되고 있습니다.

(2) 허니컴 코어. 허니컴 샌드위치 구조의 성능과 허니컴의 기하학적 구조는 허니컴 코어의 재질과 관련이 있습니다. 일반적으로 허니컴 코어는 재질에 따라 알루미늄 허니컴 코어, 아라미드 허니컴 코어, 유리섬유 허니컴 코어 등으로 구분됩니다. 아라미드 벌집은 메타 아라미드 벌집과 파라 아라미드 벌집으로 구분됩니다. 메소-아라미드 벌집형은 m-톨루엔 디카르보닐 클로라이드(MDCL)와 m-페닐렌디아민(MPA)의 계면 중축합 또는 저온 용액 중축합에 의해 얻어지는 메타-아라미드입니다. 시장에서 가장 흔한 것은 1960년대 DuPont이 처음 발명하여 사용한 메타-아라미드입니다. 파라-아라미드 벌집은 파라-아라미드, 상품명 케블라를 얻기 위한 p-페닐렌디아민과 p-페닐렌디카르보닐 클로라이드 중축합입니다. 기존 아라미드 허니콤 코어는 주로 메타 아라미드이며 파라 아라미드에 대한 연구는 거의 없습니다. 주요 응용 모델은 표 1에 나와 있습니다. 아라미드 종이 벌집 (NOMEX 벌집)은 페놀 수지를 적신 아라미드 종이로 만들어집니다. 알루미늄 벌집과 비교하여 아라미드 벌집은 아라미드 벌집의 벌집 셀이 알루미늄 벌집보다 두껍기 때문에 국부적 불안정성에 훨씬 더 강합니다. Nomex 벌집의 준비는 아라미드 종이 접착, 라미네이팅, 프레싱, 절단, 스트레칭, 사이징, 담그기, 경화 및 슬라이싱. AVIC Composites Co., Ltd.는 아라미드 허니콤의 딥 글루잉 공정을 개선하고 셀 및 종이 두께와 같은 공정 매개변수를 결론짓고 밀도 제어를 위한 실험식을 도출했습니다. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd.는 국내 아라미드 종이를 사용하여 벌집을 제조하며 압축 및 전단 특성은 HB5435-89 및 BMS8-124 요구 사항을 충족할 수 있으며 유전체 및 난연성 특성도 충족합니다. 표준 요구 사항. 중국 Yantai Spandex Group Co., Ltd.의 자회사인 Meishi는 일련의 성숙한 공정을 통해 메타 아라미드 종이에서 다양한 유형의 벌집형 코어를 준비했습니다. 상온에서 코어와 샌드위치 구조의 면내 압축 저항과 전단 저항은 보잉 BMS8-124 표준의 지수 값에 도달할 수 있으며 기계적 특성의 사용 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

탭.1 벌집형 주요 적용모델

(3) 접착제. 항공 허니컴 샌드위치 구조에 사용되는 접착제는 일반적으로 구조용 접착제입니다. 구조용 접착제는 사용 환경에서 미리 결정된 시간 동안 상당한 힘을 견딜 수 있고 접착되는 물체와 일치하는 강도와 내구성 서비스 수명을 갖는 접착제입니다. 수지 매트릭스에 따르면 일반적으로 세 가지 주요 범주로 나뉩니다. 첫 번째 에폭시, 에폭시 수지는 뛰어난 솜씨, 긴 적용 기간 및 최대 232도의 최고 온도 저항이라는 장점을 가지고 있습니다. 두 번째 범주는 232도 이상의 온도에 도달할 수 있는 비스말레이미드이며 주로 더 높은 온도의 군용 항공기에 사용됩니다. 세 번째는 시아노산 에스테르(Cyanoacid Ester)의 일종으로 내온도성, 유전성, 내열성, 내습성이 우수하여 부품의 전기적 성능 요구사항이 있는 부품에 주로 사용됩니다. 항공업계에서 흔히 사용되는 에폭시수지 구조용 접착제는 Table 2와 같다. 미국 Hexcel, Cytec 등 여러 회사에서 재료계의 다양한 용도를 개발하였고, 최근에는 국내 AVIC Composite Company에서도 중, 고온용 접착제를 개발하였다. BA9913, BA9916, SY-24C-300 등과 같은 수지 시스템.

탭.2 국내외 항공구조용 접착제

003 일반적인 항공기 부품의 벌집 샌드위치 구조

대형 민간 항공기에 관한 한, 보잉 747(1969년 2월 9일 첫 비행)은 많은 비율의 샌드위치 구조로 설계되었습니다(그림 1). 앞 가장자리와 뒷 가장자리를 포함하여 날개 표면의 약 절반이 유리 섬유와 Nomex 벌집 모양으로 만들어졌습니다. 보잉 747의 동체 원통형 쉘은 주로 노멕스 벌집 모양으로 되어 있으며, 바닥, 측면 패널, 머리 위 쓰레기통, 천장도 벌집 모양으로 만들어져 있습니다. 대부분의 플랩은 동일한 허니컴 구조로 만들어지지만, 알루미늄 허니컴과 스킨도 사용됩니다. B787의 벌집 샌드위치 구조 응용 분야에는 방향타, 엘리베이터, 날개 끝 및 엔진 나셀이 포함됩니다. 그 중 엔진 나셀과 역추력 장치는 HexWeb 벌집 모양과 HexPly8552/AS4 프리프레그로 만들어졌습니다. 경량화, 고강성, 흡음 등의 장점을 지닌 HexWeb 허니콤은 전 세계 모든 주요 엔진 제조사에서 활용하고 있습니다. 보잉 707의 경우 8%만이 벌집 모양이고 최신 보잉 757/46의 경우 46%가 벌집 모양입니다.

무화과.1 B747 샌드위치 구조 적용 일부 예시(파란색 영역)

대형 민간 항공기에 적용되는 허니컴 샌드위치 구조는 Airbus A310 항공기 방향타에서 가장 초기에 사용되었으며 A320, A340 방향타에도 사용되었습니다. 가장 큰 벌집형 샌드위치 구조는 A340 방향타로 면적은 15.3m입니다.²벌집 샌드위치 구조.A380 항공기의 단일 항공기 용량이 가장 크며, 벌집 샌드위치 구조의 양은 4,000m에 달합니다.², 주로 벨리 페어링, 바닥재 등을 포함한 대형 구조 부품에 사용됩니다. 그리고 바닥재는 주로 MC GillCorp의 Gillfab4909 샌드위치 패널로 만들어집니다. 케블라 벌집. Airbus A380의 바닥 구조는 A380이 20000 시간의 작동 수명을 달성하여 항공기 서비스를 보장할 수 있는 우수한 소재인 다수의 Nomex 벌집 샌드위치 복합재로 만들어졌습니다. 10년 넘게. 그 이후로 복합재의 사용이 크게 증가했으며, 특히 민간 항공기 최초로 탄소 기본 구조(윙 박스) 인증을 받은 ATR72에서 더욱 그렇습니다(그림 2 참조). 그림 3에서 볼 수 있듯이 2차 구조에서 샌드위치 재료의 비율은 감소하고 있습니다. A380, Boeing 787 또는 Airbus A350의 경우 벨리 페어링, 나셀 및 전면 랜딩 기어 도어만, 일부 에일러론 및 방향타는 여전히 샌드위치 구조로 만들어지고 나머지는 자체 강화 단일 구조입니다.

그림 2 ATR72 복합재의 적용

(a) A380의 샌드위치 구조 (b) A350 및 B787 복합재 세트의 샌드위치 구조 구조

무화과.3 항공기 샌드위치 구조 다이어그램

민간 항공기와 비교하여 일반 항공기의 벌집 샌드위치 구조 적용은 주로 HawkerBeechcraf의 PremierI, Hawker 4000 및 "Prime Minister" IA 항공기, Bombardier Aerospace Learjet 85 항공기 등과 같은 동체 사용에서 나타납니다. PremierI는 최초의 FAA 인증 완전 복합 동체 제트 비즈니스 제트기입니다. 전체 동체는 벌집 샌드위치 구조의 탄소 패널로 만들어졌으며 전체 두께는 20.6mm이며 동체에는 기존 알루미늄 구조보다 트러스와 프레임이 없습니다. 무게는 25% 감소하고 객실 공간은 13% 늘어났습니다. 현재 생산 중인 Hawker 4000 항공기의 동체 구조는 날개에 연결된 3개의 배럴 구조로 구성되며, 배럴은 벌집형 샌드위치 구조이며, 외피는 MAG Cincinnati의 Viper 자동화 와이어 부설 기계를 사용하여 적층됩니다. Nomex 벌집형 샌드위치 구조 복합 부품은 플랩, 에일러론, 동체 벽 패널, 엔진, 조종석, 화물칸, 수평 꼬리, 날개 앞쪽 가장자리, 헬리콥터 로터 테일 빔 및 기타 항공기와 같은 항공기 부품에 대해 러시아에서 수많은 응용 분야에 사용됩니다. 구성 요소.

AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. 및 기타 다수의 수지 매트릭스 복합 재료(예: 드로그, 패들, 플랫 테일 및 로터 등) 및 Nomex 벌집 샌드위치 구조 복합 재료(동체)의 국내 생산 패널, 바닥, 테일 빔 등)을 통해 전체 동체 중량을 대폭 줄이고 부품의 피로 강도를 향상시키며, 공기역학적 특성을 향상시켜 헬리콥터의 비행 품질을 향상시킵니다. 엔진과 구동렬 외에도 약 300개의 항공기 부품이 Nomex 벌집형 샌드위치 복합재로 만들어진 것으로 추정됩니다. 모든 부품에는 3가지 밀도와 12가지 사양의 Nomex 벌집형 코어 재료가 사용됩니다. 전체 동체에 포함된 Nomex 벌집형 코어 재료의 양은 200m2 이상이며 적용 범위는 전체 동체의 약 80%를 차지합니다. 이는 현재 중국에서 Nomex 벌집형 샌드위치 구조 복합재를 가장 많이 사용하는 항공기 유형 중 하나입니다. .

004 민항기 바닥재에 허니콤 샌드위치 구조 적용

4.1 항공기 승객 및 화물실 바닥재 연구현황

기존 항공기 바닥은 승객 및 화물 바닥이 금속으로 구성되어 있습니다. 각 층에는 수백 개의 리벳과 나사가 있지만 탄성 패드와 동체 구조 격리도 사용해야 하므로 비용이 많이 듭니다. 그리고 복합 재료를 사용하면 바닥 구조의 강도, 강성, 피로 및 내식성을 크게 향상시킬 수 있으며 커넥터를 몇 배나 줄일 수 있으며 바닥 구조의 무게를 크게 줄일 수 있습니다.

항공기 바닥의 복합 샌드위치 구조 패널은 일반적으로 유리 섬유 프리프레그, 탄소 섬유 및 케블라 프리프레그로 만들어지며 매트릭스는 에폭시 수지 또는 페놀 수지 중에서 선택됩니다. 허니콤 코어는 일반적으로 Nomex 허니콤과 함께 사용됩니다.

무화과.4 항공기 승객 및 화물실 바닥재

4.2 샌드위치 구조의 바닥 적용

Boeing의 Model 234 민간 Chinook 헬리콥터의 메인 객실 바닥은 각각 2.5mx 2.2m 크기이며 4개의 패널로 구성됩니다. 패널은 Nomex 허니콤 코어가 있는 유리섬유/Kevlar49 복합재이며, 샌드위치 바닥에는 중앙의 허니컴 코어와 대칭을 이루는 4개 층의 상부 및 하부 패널 레이업이 각각 있습니다. 첫 번째와 두 번째 층은 0도 유리 섬유 프리프레그이고, 세 번째와 네 번째 층은 0도 방향 Kevlar49 섬유 프리프레그입니다. Nomex 코어의 높이는 38mm, 셀 길이는 2mm, 밀도는 48kg/m3입니다. 패널과 코어는 EA9 접착 필름으로 접착되어 있습니다. 보잉 777, 보잉 787 드림라이너 및 기타 항공기 모델의 객실 바닥에도 복합 샌드위치 구조가 선택되었습니다.

MC길코프. Gillfab4223 샌드위치 구조 패널 생산 유리 섬유 직물 선택, 페놀 수지용 매트릭스, GillcoreHD 메타-아라미드 벌집형 코어, 에폭시 시스템 접착 필름 선택. 샌드위치 구조 전체의 두께는 12.6mm, 상부 패널의 두께는 1.27mm, 하부 패널의 두께는 0.508mm이다. Gillfab4223 샌드위치 구조는 Airbus A318/ A319/ A320/ A321/ A330/ A340/ A300/ A310/ A300-600에 사용됩니다. MC길코프. Gillfab4505 샌드위치 구조 패널 생산 탄소 섬유 단방향 벨트 선택(유리 섬유 프리프레그의 표면층), 페놀 수지용 매트릭스, GillcoreHD 메타 아라미드 벌집형 코어, 에폭시 시스템의 접착 필름 선택. 샌드위치 구조 전체의 두께는 9.5mm이고, 상하판의 두께는 0.5mm이다. Gillfab4505 샌드위치 구조는 Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340에 사용됩니다.

Fokker 100의 화물칸 바닥은 고성능 열가소성 복합재 시트의 외부 스킨과 Nomex 벌집 코어를 갖춘 복합 샌드위치 구조로 비교적 간단한 구조입니다. 피부와 코어는 에폭시 필름으로 접착됩니다.

Nomex 벌집형 샌드위치 구조의 특정 모델의 화물창 바닥은 Niu Fangxu 등이 자체 제작한 유리 섬유 강화 페놀 수지 프리프레그를 패널 원료로 사용하여 열간 프레스 성형을 통해 준비했습니다. 바닥재의 기계적 성질과 난연성을 체계적으로 평가하고 프리프레그 종류, 경화온도, 성형공정이 허니컴 패널의 기계적 성질에 미치는 영향을 분석하고 영향요인을 분석하였다. 벌집형 패널의 난연성에 대해 연구했습니다. 그 결과, 자체제작 프리프레그로 제작한 화물실 바닥의 기계적 성질은 장빔의 극한하중 4348N, 445N 하중에서 처짐량은 6.79mm, 충격성능은 4348N까지 우수한 것으로 나타났다. 17.1J, 롤러 박리 강도는 최대 66.4N-mm/mm이며 동시에 난연성에 대한 엄격한 요구 사항을 충족하여 항공기의 벌크 화물 영역에 대한 바닥재의 국지적 대체를 실현할 수 있습니다.

005 결론

높은 강도, 높은 비강성 및 낮은 밀도를 지닌 허니컴 샌드위치 구조는 우수한 압축 및 굴곡 특성의 이점을 바탕으로 민간 항공기 분야에서 수많은 응용 분야에 사용되었습니다. 본 논문에서는 허니컴 샌드위치 구조의 연구 진행 및 개발 현황을 분석하고, 이를 일반적인 항공기 구조에 적용하는 방법을 더욱 자세히 분석하고, 국내 항공기 C919/C929의 개발 및 생산에 따라 항공기 바닥용 복합 샌드위치 구조의 적용 범위가 넓어진다는 결론을 내렸습니다. 전망.(출처: Fiber Composites)