تطبيقات هياكل ساندويتش قرص العسل المركبة في الطائرات المدنية

خلاصة:يتم استخدام هياكل الساندويتش المركبة على شكل قرص العسل في عدد كبير من التطبيقات في مجال الطائرات المدنية، والتي تتميز بالقوة العالية، والصلابة النوعية العالية، والكثافة المنخفضة، وخصائص الضغط والانحناء الجيدة، وما إلى ذلك. وتشمل أجزاء التطبيق جسم الطائرة، وقلنسوة المحرك، هدية، فتحة، غطاء الهوائي، الحافة الرائدة وما إلى ذلك. إن العدد الكبير من تطبيقات هيكل شطيرة قرص العسل يقلل بشكل كبير من وزن هيكل الطائرة. مع تقدم عملية التشكيل وتحسين خصائص المواد، يتم تطبيق هيكل ساندويتش قرص العسل تدريجيًا على الأرضية والهياكل الحاملة الرئيسية الأخرى. تقوم هذه الورقة أولاً بتحليل التقدم البحثي وعملية تطوير هياكل شطيرة قرص العسل. ثانيًا، يتم تصنيف تطبيق هياكل ساندويتش قرص العسل على مكونات الطائرات النموذجية. وأخيرًا، يعرض الوضع الحالي لتطبيق هيكل شطيرة قرص العسل على أرضية الطائرات المدنية.

001 مقدمة

مع التطور الاجتماعي والاقتصادي، هناك مهمتان تواجهان مجال النقل، وخاصة النقل الجوي: تخفيض الوزن الإجمالي للهياكل ومسألة الفوائد المرتبطة مباشرة بتخفيض الوزن - تقليل استهلاك الوقود. الوزن الهيكلي واستهلاك الوقود لهما أهمية خاصة في مجال الطيران. حاليًا، تُستخدم هياكل ساندويتش قرص العسل على نطاق واسع في أجسام الطائرات، والبوابات، والأجنحة، والذيول، والأرضيات، والواجهات، وغطاء الهوائي في صناعة الطيران. توفر هياكل ساندويتش قرص العسل نسبة جيدة من القوة إلى الوزن. بالمقارنة مع الجلود المركبة، فإنها تعمل بشكل أفضل تحت الأحمال الجانبية والانحناء بسبب شكلها الهيكلي، الذي يتكون من قلب سميك وخفيف الوزن محاط بطبقتين رفيعتين وصلبتين.

أدى العدد الكبير من تطبيقات هياكل شطائر قرص العسل إلى تقليل وزن هياكل الطائرات بشكل كبير، وذلك بفضل خصائص الضغط والانحناء الجيدة، لدرجة أن هياكل شطائر قرص العسل تتحرك تدريجيًا نحو الهياكل الحاملة الرئيسية مثل الأرضيات. ينقسم محتوى هذه الورقة بشكل أساسي إلى ثلاثة أجزاء: أولاً، يحلل التقدم البحثي وعملية تطوير بنية شطيرة قرص العسل؛ ثانيًا، فهو يجمع بين تطبيق هيكل شطيرة قرص العسل على مكونات الطائرات النموذجية مع النماذج المستخدمة حاليًا؛ وأخيرًا، يعرض الوضع الحالي لتطبيق هيكل شطيرة قرص العسل على أرضيات الطائرات المدنية.

002 هيكل ساندويتش العسل

يتميز هيكل شطيرة قرص العسل، الذي نشأ لأول مرة في الإلكترونيات الإلكترونية، بقوة محددة عالية، وصلابة محددة عالية، وخفيفة الوزن مقارنة بنفس النوع من المواد الصلبة، وبالتالي تم استخدامه على نطاق واسع في الطيران والنقل وغيرها من المجالات. يمكن لهيكل الساندويتش المركب على شكل قرص العسل أن يحسن بشكل فعال صلابة الانحناء ويعزز القدرة على تحمل لحظات الانحناء والضغوط مع زيادة صغيرة جدًا في الوزن، مما يجعله هيكلًا خفيف الوزن أكثر مثالية للطيران.

تتكون هياكل ساندويتش قرص العسل المركبة من ثلاثة مكونات: الألواح، وقلب قرص العسل، والمواد اللاصقة.

(1) لوحة. اللوحة هي الجزء الحامل الرئيسي لهيكل الساندويتش. بالمقارنة مع المادة الأساسية، تتميز مادة اللوحة بالكثافة العالية والمعامل العالي والقوة العالية. عادة ما تكون مادة اللوحة المركبة عبارة عن سبائك الألومنيوم وسبائك التيتانيوم والبلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية ومواد أخرى. تُستخدم حاليًا معظم الأشرطة أحادية الاتجاه أو مركبات النسيج المصنوعة من ألياف الكربون أو الألياف الزجاجية في هياكل الطيران.

(2) قلب قرص العسل. يرتبط أداء هيكل شطيرة قرص العسل وهندسة قرص العسل بمادة قلب قرص العسل. بشكل عام، نواة قرص العسل متوفرة مثل نواة قرص العسل من الألومنيوم، ونواة قرص العسل من الأراميد، ونواة قرص العسل من الألياف الزجاجية، وما إلى ذلك وفقًا للمادة. ينقسم قرص عسل الأراميد إلى قرص عسل ميتا أراميد وقرص عسل شبه أراميد. قرص العسل المتوسط ​​الأراميد هو أراميد ميتا تم الحصول عليه عن طريق التكثيف المتعدد السطحي أو التكثيف المتعدد لمحلول درجة حرارة منخفضة من كلوريد م-تولوين ثنائي كربونيل (MDCL) و م-فينيلينديامين (MPA). الأكثر شيوعًا في السوق هو الأراميد الفوقي الذي اخترعته شركة DuPont لأول مرة واستخدمته في الستينيات. قرص العسل من مادة بارا أراميد هو عبارة عن تكثيف بولي فينيلين ثنائي أمين وكلوريد فينيلين ثنائي كربونيل للحصول على مادة بارا أراميد، الاسم التجاري كيفلر. نواة قرص العسل من الأراميد الموجودة هي في الأساس أراميد ميتا، والأبحاث حول الأراميد قليلة جدًا. يتم عرض نماذج التطبيق الرئيسية في الجدول 1. قرص العسل من ورق الأراميد (قرص العسل NOMEX) مصنوع من ورق الأراميد المبلل براتنج الفينول. بالمقارنة مع قرص العسل من الألومنيوم، فإن قرص العسل من الأراميد أكثر مقاومة لعدم الاستقرار المحلي لأن خلية قرص العسل من الأراميد أكثر سمكًا من خلية قرص العسل من الألومنيوم. يتكون إعداد قرص العسل من نومكس من تسع عمليات: لصق ورق الأراميد، والتصفيح، والضغط، والقطع، التمدد، التحجيم، الغمس، المعالجة، والتقطيع. قامت شركة AVIC Composites Co., Ltd. بتحسين عملية اللصق بالغمس لقرص عسل الأراميد، واستنتجت معلمات العملية مثل سمك الخلية والورق، واستنتجت الصيغة التجريبية للتحكم في الكثافة. تستخدم شركة Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. ورق الأراميد المحلي لتحضير قرص العسل، وقد تمكنت خصائص الضغط والقص من تلبية متطلبات HB 5435-89 وBMS 8-124، وتلبي أيضًا خصائص العزل الكهربائي ومثبطات اللهب المتطلبات القياسية. قامت شركة Meishi، وهي شركة تابعة لشركة Yantai Spandex Group Co., Ltd. الصينية، بإعداد أنواع مختلفة من نوى قرص العسل من ورق الأراميد الفوقي الخاص بها من خلال سلسلة من العمليات الناضجة. إن مقاومة الضغط داخل الطائرة ومقاومة القص لهيكلها الأساسي والساندويتش في درجة حرارة الغرفة قادرة على الوصول إلى قيم المؤشر في معيار Boeing BMS8-124، ويمكن أن تلبي متطلبات استخدام الخواص الميكانيكية.

فاتورة غير مدفوعة.1 نماذج التطبيق الرئيسية لنوع قرص العسل

(3) لاصق. عادة ما تكون المادة اللاصقة المستخدمة في هياكل ساندويتش قرص العسل عبارة عن مادة لاصقة هيكلية. المواد اللاصقة الهيكلية هي تلك التي يمكنها تحمل قوة كبيرة في فترة زمنية محددة مسبقًا، في البيئة التي يتم استخدامها فيها، ولها قوة وعمر خدمة متين يتطابق مع عمر الكائن الذي تم الالتزام به. وفقا لمصفوفة الراتنج يتم تقسيمها عموما إلى ثلاث فئات رئيسية. أول إيبوكسي، راتنجات الإيبوكسي تتميز بمزايا الصنعة الممتازة، وفترة التطبيق الطويلة، وأعلى مقاومة لدرجة الحرارة تصل إلى 232 درجة؛ والفئة الثانية هي البيسمالميد الذي يمكن أن تصل درجات حرارته إلى أكثر من 232 درجة، ويستخدم بشكل رئيسي في الطائرات العسكرية ذات درجات الحرارة المرتفعة؛ والثالث هو نوع إستر حمض السيانو، الذي يتمتع بمقاومة ممتازة لدرجة الحرارة، والعزل الكهربائي، ومقاومة للحرارة والرطوبة، وبالتالي فهو يستخدم بشكل أساسي في المكونات ذات متطلبات الأداء الكهربائي للمكونات. يستخدم الطيران بشكل شائع مادة لاصقة هيكلية من راتنجات الإيبوكسي كما هو موضح في الجدول 2. قامت شركات Hexcel وCytec وغيرها من الشركات الأمريكية بتطوير مجموعة متنوعة من استخدامات نظام المواد، وفي السنوات الأخيرة قامت شركة AVIC Composite Company المحلية أيضًا بتطوير درجة حرارة متوسطة وعالية نظام الراتنج، مثل BA9913، BA9916، SY -24C -300 وما إلى ذلك.

فاتورة غير مدفوعة.2 المواد اللاصقة الهيكلية للطيران المحلي والأجنبي

003 هياكل شطيرة قرص العسل على مكونات الطائرات النموذجية

وفيما يتعلق بالطائرات المدنية الكبيرة، فقد تم تصميم طائرة بوينج 747 (التي حلقت لأول مرة في 9 فبراير 1969) بنسبة كبيرة من بناء الساندوتش (الشكل 1). يحتوي على حوالي نصف سطح الجناح، بما في ذلك الحواف الأمامية والخلفية، وهو مصنوع من الألياف الزجاجية وقرص عسل نومكس. في طائرة بوينج 747، يتكون الهيكل الأسطواني لجسم الطائرة بشكل أساسي من قرص العسل نومكس، كما أن الأرضية والألواح الجانبية وصناديق القمامة العلوية والسقف مصنوعة أيضًا من قرص العسل. معظم اللوحات مصنوعة من نفس هيكل قرص العسل، ولكن يتم أيضًا استخدام قرص العسل والجلد المصنوع من الألومنيوم. تشمل تطبيقات هيكل ساندويتش قرص العسل في الطائرة B787 الدفة، والمصعد، وأطراف الأجنحة، وكنات المحرك. من بينها، تم تصنيع فتحات المحرك وعاكسات الدفع من قرص العسل HexWeb وHexPly8552/AS4. مع مزايا الوزن الخفيف والصلابة العالية، بالإضافة إلى الامتصاص الصوتي، تم استخدام قرص العسل HexWeb من قبل جميع الشركات المصنعة للمحركات الكبرى في العالم. بالنسبة لطائرة بوينغ 707، فإن 8٪ فقط عبارة عن قرص عسل، أما بالنسبة لطائرة بوينغ 757/46 الأحدث، فإن 46٪ عبارة عن قرص عسل.

تين.1 رسم توضيحي لجزء من تطبيق هيكل الساندوتش B747 (المنطقة الزرقاء)

هيكل شطيرة قرص العسل في تطبيق الطائرات المدنية الكبيرة هو الأقدم في دفة طائرة إيرباص A310، ومن ثم يستخدم في دفة A320، A340. أكبر هيكل شطيرة على شكل قرص العسل هو الدفة A340 بمساحة 15.3 مترًا مربعًا²من هيكل شطيرة قرص العسل. أكبر جرعة لطائرة واحدة لطائرة A380، بلغت كمية هيكل شطيرة قرص العسل 4,000 م²، تستخدم بشكل أساسي للمكونات الهيكلية كبيرة الحجم، بما في ذلك هدية البطن والأرضيات وما إلى ذلك. والأرضيات مصنوعة بشكل أساسي من ألواح ساندويتش Gillfab4909 من MC GillCorp. قرص العسل كيفلر. يتكون الهيكل الأرضي لطائرة إيرباص A380 من عدد كبير من مركبات نومكس على شكل قرص العسل، وهي مواد ممتازة تمكن طائرة A380 من الوصول إلى عمر تشغيلي يصل إلى 20000 ساعة، مما يضمن أن الطائرة يمكن أن تكون في الخدمة لأكثر من 10 سنوات. منذ ذلك الحين، زاد استخدام المواد المركبة بشكل ملحوظ، خاصة مع طائرة ATR72، التي كانت أول طائرة مدنية يتم اعتمادها بهيكل أساسي من الكربون (صندوق الجناح) (انظر الشكل 2). كما هو مبين في الشكل 3، فإن نسبة المواد الساندويتش في الهياكل الثانوية آخذة في التناقص. بالنسبة لطائرات A380 أو Boeing 787 أو Airbus A350، فقط واجهة البطن والكنات وأبواب معدات الهبوط الأمامية وبعض الجنيحات والدفة لا تزال مصنوعة من بناء الساندويتش، والباقي عبارة عن هياكل متجانسة ذاتية التعزيز.

الشكل 2: تطبيق مركبات ATR72

(أ) هيكل ساندويتش للطائرة A380 (ب) هيكل ساندويتش لطائرتي A350 وB787 من المواد المركبة بناء

تين.3 رسم تخطيطي لهيكل شطيرة الطائرة

بالمقارنة مع الطائرات المدنية، فإن تطبيق هيكل شطيرة قرص العسل في الطائرات العامة يتجلى بشكل رئيسي في استخدام جسم الطائرة، مثل طائرات HawkerBeechcraf's PremierI، وطائرات Hawker 4000 و"Prime Minister" IA، وطائرات Bombardier Aerospace Learjet 85 وما إلى ذلك. PremierI هي أول طائرة أعمال نفاثة مصنوعة بالكامل من جسم الطائرة المركب ومعتمدة من إدارة الطيران الفيدرالية (FAA)، ويتكون جسم الطائرة بأكمله من ألواح الكربون من هيكل ساندويتش قرص العسل، ويبلغ سمكها الإجمالي 20.6 مم، وجسم الطائرة خالي من الدعامات والإطارات، مقارنة بهيكل الألومنيوم التقليدي تخفيض الوزن بنسبة 25%، وزيادة مساحة المقصورة بنسبة 13%. يتكون هيكل جسم الطائرة لطائرة هوكر 4000 التي يتم إنتاجها حاليًا من ثلاثة هياكل أسطوانية متصلة عند الأجنحة، والبراميل عبارة عن هياكل شطيرة على شكل قرص العسل، ويتم وضع الجلد باستخدام آلة مد الأسلاك الآلية Viper من MAG Cincinnati. تُستخدم المكونات المركبة لهيكل شطيرة قرص العسل من Nomex في عدد كبير من التطبيقات في روسيا لمكونات الطائرات مثل اللوحات والجنيحات وألواح جدران جسم الطائرة والمحركات وقمرة القيادة ومقصورات الشحن والذيول الأفقية والحواف الأمامية للجناح وعوارض ذيل دوار طائرات الهليكوبتر وغيرها من الطائرات. عناصر.

الإنتاج المحلي من قبل AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. ووحدات أخرى لعدد كبير من المواد المركبة من مصفوفة الراتنج (مثل المخدر والمجداف والذيل المسطح والدوار، وما إلى ذلك) والمواد المركبة لهيكل شطيرة قرص العسل من نومكس (جسم الطائرة) الألواح والأرضيات وعوارض الذيل، وما إلى ذلك)، مما يقلل بشكل كبير من وزن جسم الطائرة الإجمالي، ويحسن قوة الكلال للمكونات، ويحسن الخصائص الديناميكية الهوائية من أجل تعزيز جودة طيران المروحية. وتشير التقديرات إلى أنه بالإضافة إلى المحرك ومجموعة القيادة، هناك ما يقرب من 300 قطعة من أجزاء الطائرة مصنوعة من مركبات نومكس على شكل قرص العسل. تستخدم جميع الأجزاء مواد أساسية على شكل قرص العسل من نومكس ذات 3 كثافات و12 مواصفات. تبلغ كمية المواد الأساسية على شكل قرص العسل من نومكس في جسم الطائرة بأكمله أكثر من 200 متر مربع، وتمثل مساحة تغطيتها حوالي 80% من جسم الطائرة بالكامل، وهو أحد أنواع الطائرات التي تستخدم المواد الهيكلية على شكل قرص العسل من نومكس أكثر من غيرها في الصين في الوقت الحاضر. .

004 تطبيق هيكل شطيرة قرص العسل على أرضيات الطائرات المدنية

4.1 الحالة البحثية لأرضيات مقصورة الركاب والبضائع في الطائرات

أرضيات الطائرات التقليدية للركاب والبضائع مصنوعة من المعدن. يحتوي كل طابق على مئات من المسامير والمسامير، ولكنه يحتاج أيضًا إلى استخدام وسادات مرنة وعزل هيكل جسم الطائرة، وبالتالي فهو مكلف. واستخدام المواد المركبة يمكن أن يحسن بشكل كبير هيكل الأرضية من حيث القوة والصلابة والتعب ومقاومة التآكل، ويمكن أن يقلل من الموصلات بأمر من حيث الحجم، ويمكن أن يقلل بشكل كبير من وزن هيكل الأرضية.

عادةً ما تكون لوحة هيكل الساندويتش المركب لأرضية الطائرة مصنوعة من ألياف زجاجية مسبقة الصنع وألياف كربونية وألياف كيفلار المسبقة، ويتم اختيار المصفوفة من راتنجات الإيبوكسي أو راتنجات الفينول. يتم استخدام نوى قرص العسل بشكل شائع مع قرص العسل Nomex.

تين.4-أرضيات مقصورة الركاب والبضائع في الطائرة

4.2 تطبيق هياكل الساندويتش على الأرضيات

تبلغ أبعاد أرضية المقصورة الرئيسية لطائرة هليكوبتر مدنية من طراز شينوك موديل 234 من بوينغ 2.5 م × 2.2 م وتتكون من أربع ألواح. الألواح عبارة عن ألياف زجاجية / مركبات كيفلار 49 مع نوى قرص العسل نومكس، وتتكون الأرضية الساندوتش من أربع طبقات من طبقات الألواح العلوية والسفلية لكل منها، متناظرة مع قلب قرص العسل في المنتصف. الطبقتان الأولى والثانية من الألياف الزجاجية بدرجة 0، والطبقتان الثالثة والرابعة من الألياف الزجاجية باتجاه 0 درجة من ألياف Kevlar49. يبلغ ارتفاع قلب نومكس 38 مم، وطول الخلية 2 مم، وكثافة 48 كجم/م3. يتم لصق الألواح والقلب مع فيلم لاصق EA9. هيكل الساندويش المركب تم إختياره أيضاً لأرضية مقصورة الطائرة Boeing 777، Boeing 787 Dreamliner ونماذج الطائرات الأخرى.

إم سي جيل كورب. إنتاج لوحة هيكل ساندويتش Gillfab4223 من نسيج الألياف الزجاجية، ومصفوفة للراتنج الفينولي، وقلب لقرص العسل GillcoreHD meta-aramid، واختيار الفيلم اللاصق لنظام الإيبوكسي. سمك هيكل الساندويتش بالكامل هو 12.6 مم، وسمك اللوحة العلوية 1.27 مم، وسمك اللوحة السفلية هو 0.508 مم. يتم استخدام هيكل ساندويتش Gillfab4223 في طائرات إيرباص A318/ A319/ A320/ A321/ A330/ A340/ A300/ A310/ A300-600. إم سي جيل كورب. إنتاج لوحة هيكل ساندويتش Gillfab4505 من حزام أحادي الاتجاه من ألياف الكربون (الطبقة السطحية للألياف الزجاجية المسبقة)، ومصفوفة الراتنج الفينولي، ونواة قرص العسل GillcoreHD meta-aramid، واختيار الفيلم اللاصق لنظام الإيبوكسي. سمك هيكل الساندويتش بالكامل هو 9.5 مم، وسمك الألواح العلوية والسفلية 0.5 مم. يتم استخدام هيكل ساندويتش Gillfab4505 في Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340.

إن أرضية الشحن في Fokker 100 عبارة عن هيكل بسيط نسبيًا، وهو عبارة عن هيكل شطيرة مركب مع غلاف خارجي من صفائح من مركبات اللدائن الحرارية عالية الأداء ونواة من قرص العسل Nomex. يتم لصق الجلد واللب معًا بفيلم إيبوكسي.

تم تحضير أرضية حجرة الشحن لنموذج معين من هيكل شطيرة قرص العسل Nomex عن طريق صب الضغط الساخن باستخدام راتنجات الفينول المقواة بالألياف الزجاجية ذاتية الصنع كمادة خام للوحة بواسطة Niu Fangxu et al. من شركة Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. تم تقييم الخواص الميكانيكية وخصائص مثبطات اللهب للأرضية بشكل منهجي، كما تم تحليل تأثيرات نوع التقوية المسبقة ودرجة حرارة المعالجة وعملية التشكيل على الخواص الميكانيكية لألواح قرص العسل، وتم تحليل العوامل المؤثرة. تمت دراسة خصائص مثبطات اللهب لألواح قرص العسل. أظهرت النتائج أن الخواص الميكانيكية لأرضية حجرة الشحن المجهزة بمواد التقوية المسبقة ذاتية الصنع ممتازة، مع الحمل النهائي للعارضة الطويلة التي تنحني حتى 4348 نيوتن، وانحراف 6.79 مم فقط عند حمل 445 نيوتن، وأداء الصدمات يصل إلى 4348 نيوتن. 17.1J، وقوة تقشير الأسطوانة تصل إلى 66.4N-mm/mm، وفي نفس الوقت، تلبي المتطلبات الصارمة لمثبطات اللهب، والتي يمكن أن تحقق الاستبدال الموضعي لمواد الأرضيات لمنطقة الشحن السائبة للطائرة.

005 الاستنتاج

تم استخدام هيكل ساندويتش قرص العسل ذو القوة العالية والصلابة النوعية العالية والكثافة المنخفضة، والذي يستفيد من خصائص الضغط والانحناء الجيدة، في عدد كبير من التطبيقات في مجال الطائرات المدنية. تحلل هذه الورقة التقدم البحثي وحالة تطوير هيكل الساندوتش على شكل قرص العسل، وتبحث بشكل أكبر في تطبيقاته على هياكل الطائرات النموذجية، وتخلص إلى أنه مع تطوير وإنتاج الطائرات المحلية C919/C929، أصبح لدى هيكل الساندوتش المركب لأرضيات الطائرات نطاق واسع من التطبيقات الآفاق. (المصدر: مركبات الألياف)