直升机复合材料桨叶厂房工艺设计
直升机复合材料桨叶厂房工艺设计【1】
【摘要】复合材料桨叶是直升机的核心动部件，本文对复合材料桨叶制造工艺、生产线工艺布局进行了分析。
分析表明，复合材料桨叶制造与常规复材零件相比，具有工艺复杂、制造流程长等特点，桨叶厂房设计时通过采用原材料及零组件快捷供应、精益生产布局、节约能源等先进理念，能够有效提高生产效率、节约能源、降低成本。
【关键词】复合材料桨叶;制造工艺;工艺设计
引言
先进树脂基复合材料由于在比强度、比模量、性能可设计性、制备灵活性和易加工性等方面优越的性能，已经成为继铝、钢、钛之后，迅速发展起来的四大航空材料之一，在直升机上已经得到广泛应用，如RAH-66上复合材料占总材料重量的51%，NH-90战术运输直升机复合材料用量达95%，“虎”直升机机体复合材料占结构重量80%以上[1-5]。
直升机桨叶作为直升机升力系统核心动部件，其制造质量、疲劳性能、气动外形等对直升机载重量、飞行高度、机动性等性能指标影响较大。
复合材料以其优越的性能，能够大大提高桨叶的使用寿命、降低结构重量、减少维修工作量，已经成为直升机桨叶的首选材料，全复合材料桨叶是直升机桨叶的发展趋势。
1、直升机复合材料桨叶的特点
直升机复合材料桨叶的尺寸、结构组成、性能要求等对桨叶生产工艺、生产线布局影响较大。
目前国产直升机大型复合材料桨叶展长达8.5m，如图1所示。
图1 某直升机主桨叶示意图
直升机复合材料桨叶主要采用典型“C”型梁多闭腔结构形式，用硬质聚氨酯泡沫填充。
桨叶主要由蒙皮、大梁带、泡沫、接头填块、配重支座、桨根堵盖、前缘包铁、后缘条等大量零组件组成(如图2所示)，单片桨叶内包括近50个零组件，其中大部分为复合材料零组件。
图2 复合材料桨叶结构示意图
与常规复合材料零件相比，直升机复合材料桨叶具有如下特点：
长度尺寸大
根据直升机载重量、爬升高度等指标要求不同，桨叶尺寸差别较大，但共同特点是长度方向尺寸大，本文分析的直升机大型桨叶长达8.5m。
结构复杂度高、内部零组件数量多
复合材料桨叶结构复杂度高、零组件数量多，桨叶内大部分零组件为复合材料零件，每个零组件需单独加工制造，制造工序多、工艺复杂。
性能要求高
桨叶是直升机升力系统的核心动部件，对零组件制造精度、气动外形精度、疲劳性能等指标均要求较高，桨叶制造过程中需严格控制桨叶制造精度、性能指标。
2、直升机复合材料桨叶制造工艺分析
复合材料桨叶制造工艺可分为原材料供应、零组件制造、零组件定位装配、桨叶模压成型、桨叶加工及检测等主要工序，桨叶制造工序多达30道，工艺复杂度高、流程长。
具体如下：
1)原材料供应、零组件制造工序
原材料供应、零组件制造阶段制造工艺如图3所示。
图3 原材料供应、零组件制造阶段工艺流程图
复合材料桨叶内部零组件种类、数量均较多，图3中小型复材件包括桨根堵盖、衬套、接头填块、配重盒等多种小型复合材料零组件。
2)零组件定位装配、桨叶模压成型工序
零组件定位装配、桨叶模压成型是保证桨叶成型质量的关键工序，该阶段制造工艺流程如图4所示。
图4 零组件定位装配、桨叶模压成型阶段工艺流程图
桨叶模压成型系统是桨叶成型的核心工艺设备，该系统主要由上压模、下压模、翻转机构、压力系统、热油系统、冷却系统及控制系统等组成。
3)桨叶加工及检测工序
为保证复合材料桨叶制造质量、性能指标满足要求，模压成型后需进行多次加工、检测，具体工艺流程如图6所示。
图6 桨叶加工、检测阶段工艺流程图
3、复合材料桨叶厂房典型案例分析
1)复合材料桨叶厂房设计理念
为提高厂房的生产效率、降低生产成本，在厂房设计时采用如下先进设计理念：
原材料和零组件供应快捷：复合材料桨叶制造使用的原材料、零组件种类、数量均较多，新建桨叶厂房需保证原材料和零组件方便快捷的供应，减少零件周转，提高生产效率;
精益生产工艺布局：复合材料桨叶制造工序多、工艺复杂、流程长，精益的生产工艺布局是提高生产效率的重要保证;
节约能源、降低成本：复合材料桨叶制造耗能大，新建桨叶厂房需优化工艺布局，尽量降低复合材料桨叶制造成本、节约能源。
2)新建复合材料桨叶厂房工艺分析
(1)新建复合材料桨叶厂房工艺布局分析
根据复合材料桨叶制造工艺，充分考虑桨叶厂房先进设计理念，对桨叶厂房进行规划布置，工艺布局如图7所示。
图7 新建桨叶生产线工艺区划图
新建桨叶厂房的工艺设计具有如下特点：
a.原材料、零组件供应快捷：
桨叶厂房设计时，充分考虑原材料库房、零组件库房的使用需求，紧邻下游使用工序，供应便捷，具体如下：
附楼布置有泡沫零件库、泡沫切割间、工具库靠近泡沫加工区，能够快速为五坐标铣床供应待铣泡沫零件;
零件库、模具库、废品库等房间靠近热压成型区、净化间，方便零件、模具的存取;
通过上述工艺布置，附楼内部的房间紧靠使用区域，能够快速便捷的供应下游各使用工序，节省物流周转时间，提高生产效率。
b.“S”型精益生产工艺布局
厂房生产线布置原则主要包括四种：产品原则、工艺原则、成组原则和定位原则[6]。
本文分析的桨叶生产线制造的桨叶种类多、尺寸分布大，但主要工艺流程基本一致，特别适合采用工艺原则对生产线进行布置。
根据复合材料桨叶生产工艺，将桨叶厂房分为泡沫加工区、热压成型区、小型复材件铺叠区、模压成型区、加工检测区、性能检测区等七个主要生产机群单元，并将各生产机群单元根据工艺流程合理布置，采用“S”型精益生产工艺布局，制造工艺流畅，有效避免了复杂制造工艺条件下的工序交叉和零件往返，提高了桨叶制造效率。
c.合理布置净化间，有效节约能源
净化间和模压成型系统工作时，耗能均较大。
考虑节能，将厂房净化间分隔成7个小净化间，不同型号桨叶的模压系统布置在不同的净化间内，优化了净化间和模压成型系统布置。
各机型桨叶的研制生产任务不同，需使用模压系统和净化间的时间也不相同，将净化间分隔为多个小净化间后，通过合理安排生产，能够较大程度提高净化间利用率，有效降低能耗，节约能源，降低生产成本。
结 论
本文介绍了直升机复合材料桨叶结构组成、制造工艺特点，重点分析了复合材料桨叶制造工艺及厂房工艺布局。
分析表明，复合材料桨叶制造具有工艺复杂、工艺流程长等特点，复合材料桨叶厂房需充分考虑原材料和零组件便捷供应、精益生产布局、节约能源等因素，通过采用先进设计理念，能够有效提高生产效率、节约能源、降低成本。
参考文献
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直升机复合材料的使用与维护【2】
摘要:复合材料在航空领域应用广泛,但在使用过程中易损坏,本文针对其性能进行分析,在以后的工作中加以预防。
关键词:复合材料 使用 维护
先进的复合材料由于其性能优于铝合金等材料,因此在航空领域得到了越来越广泛的应用。
复合材料部件的使用维护变得越来越重要,由于疲劳开裂、热退化、磨损、外来物撞击,直升机复合材料构件在使用中会出现各种不同的损伤,因而应当重视复合材料的维护和损伤修复。
1 影响复合材料使用的主要因素
复合材料在直升机上的应用除了要考虑强度和刚度及稳定性外,还需考虑环境条件及热应力影响,并做好防腐蚀、防雷击、抗冲击等工作。
1.1 环境条件
复合材料在使用中会遇到各种环境条件的影响,环境条件。
一般可分为以下四种。
(1)力学条件:加速度、冲击、振动、声音等。
(2)物理条件:压力、温度、湿度等。
(3)气象条件:风雨、冰雪、日光等。
(4)大气条件:放射线、霉菌、盐雾、风沙等。
力学、物理条件主要影响结构强度、刚度及与材料力学性能有关的因素,气象、大气条件会导致结构腐蚀、磨损及与材料理化性能有关的因素变化。
1.2 热应力
碳纤维复合材料与金属零件相连接是必不可少的,当使用温度不同于连接装配温度时,热膨胀系数之间的差异就会引起连接处翘曲。
采用热膨胀系数较小的钛合金与复合材料相连接,可减少热应力。
1.3 防腐蚀
碳纤维复合材料与金属零件之间存在电容差,使其对大部分金属都有很强的电化学腐蚀作用,因而需要采用某种形式的隔离措施以防腐蚀,如装配螺栓和铆钉,在金属与碳纤维复合材料表面之间加一层薄的玻璃纤维层等。
1.4 防雷击
碳纤维复合材料是半导体,受雷击的的损伤比金属构件更为严重。
当碳纤维复合材料构件位于雷击影响区域时,需要采取防护措施,如加铝箔、网状表面层和喷涂金属层等。
另外,装金属边界元件可以减小损伤程度。
1.5 抗冲击
碳纤维复合材料的抗冲击性能很差。
冲击会引起损伤,影响材料的性能,降低强度,导致局部失稳并进一步分层。
1.6 边界效应
在复合材料层合板自由边界附近存在边界层,边界层区域宽度近似等于层合板厚度。
在该区域,存在层间应边,边界效应主要引起分层,导致层合板破坏。
2 复合材料构件故障检测方法
无损检测技术被广泛应用在故障检测中,检查复合材料操作缺陷的方法主要有以下几点。
2.1 目视检查法
检查结构件的外观质量。
包括压痕、皱纹、划痕、毛刺、穿孔、肉眼可见和表面裂纹以及可见和分层等缺陷。
目视检查可以发现撞击损伤、压痕、擦伤、边缘分层、边缘脱胶、裂纹,坚固件操作、雷击和烧伤等损伤。
2.2 敲击法
利用敲击时发出的声音来判断复合材料构件损伤部位和面积,常用于检查旋翼蒙皮开胶分层等故障。
检验工具是硬币、木棒、尼龙棒或带有弹性手把的尼龙小饵缒。
敲击端可以制成5～10mm的半球形触头。
检验时用这批工具轻轻叩击待测工件,如果复合材料层合板或夹层板中存在分层,叩击的音响与完好结构不同,分层区的声音自然频率低。
敲击法用于检测分层、脱胶、基本软化和某些裂纹。
2.3 射线检测
通过检测损伤与无损伤部位对射线的吸收能力差异判定损伤区域的大小。
射线检测可以检测出构件的裂纹,也可以检测目视不能到达的内部裂纹。
对地撞击、雷击等可目视损伤,可以采用射线法确定损伤程度。
2.4 超声波检测
对于复合材料结构的分层和脱胶损伤。
采用超声波检测是最有效的方法。
大部分超声波探伤仪使用A扫描和C扫描,它是利用压电传输元件将超声脉冲传入结构中,遇到损伤或缺陷产生界面反射,或者引起声速和能量衰减的变化,利用这一特性达到检测损伤的目的`。
这种方法可以检测出孔隙含量、分层、层间疏松、胶接剂气孔和疏松、裂纹及夹杂等。
2.5 声发射检测
通过特定的加载程序,用声响变化检测复合材料主受力件在加载情况下的内部损伤情况。
3 复合材料构件的修理
3.1 修理原则
一是等强度修理。
二是构件修理后的性能及耐久性不变。
三是战时需要的临时性短寿命修理。
3.2 对于损伤的结构修补的要求
(1)修补后的结构强度和刚度,应该恢复到使用条件下的设计许用值。
(2)恢复结构的耐久性要求。
(3)恢复结构的使用功能,或者使用功能降低最小。
(4)结构修补后重量增加最少不于直升机控制面的修补,重量一定要满足气动平衡要求。
(5)修补时间要尽量少,缩短停飞时间。
(6)修补中使用的设备和工具要少。
4 使用与维护注意事项
(1)外场维护中分解下的零构件必须轻放,不可随意乱丢,更不可长期浸泡在油料及雨水中。
(2)重新安装复合材料零件时,托板螺母孔上的螺钉不宜拧得太紧。
(3)要防止尖锐的东西划伤或碰伤复合材料零构件表面,更允许用锤敲击复合材料零构件。
(4)给复合材料零构件钻孔时,在其反面必须用硬木块或胶木垫住,以防钻孔力量过大导致复合材料表面分层或抽丝。
(5)复合材料零构件排故需铆接金属零件时,必须在两者之间贴一层厚度为0.08～0.11mm的玻璃布,以防零件腐蚀。
(6)复合材料使用了进口的铆钉和高锁螺栓,不允许以其它铆钉代用,拆装时必须符合技术规范。
(7)复合材料破损时,不能擅自修补,必须通知厂家作出技术处理后方可使用。
(8)为了减少损失,复合材料结构损坏时应及时修补,避免潮气及腐蚀性介质进入结构内部。
(9)在飞行及地面维护过程中,应避免外来物撞击及冰雹风沙的袭击。
(10)复合材料结构表面的漆层损坏时应及时修补。
(11)由于复合材料对温度很敏感,在维护中应防止烈日暴晒,注意高温区复合材料板件的散热,防止烧伤。
(12)在沿海和腐蚀性大气中飞行后,要及时清洗复合材料机身部件,应用手册中推荐的清洗剂清洗复合材料构件。
复合材料在直升机上的应用【3】
摘 要：复合材料在直升机上的用量和应用部位已成为衡量飞机机体结构先进性的重要指标之一，复合材料构件的整体成型、固化技术的不断进展，使复合材料在直升机上得到进一步的应用。
关键词：复合材料;直升机;应用
直升机与飞机(定翼机)相比，最显著的不同是有一个、两个或更多的旋翼，利用旋翼旋转所提供的升力、前进力和操纵力，直升机能有效地完成垂直起落、空中悬停和前飞、侧飞、回转飞行、贴地飞行，以及当发动机停车时可自转下滑安全着陆，这是直升机有别于飞机等其他航空飞行器的基本特点。
直升机独有的飞行能力、别具一格的构造形式都源于此，使其成为唯一能够抵达任何地形区域的运输工具和机动、灵活的工作平台和火力平台。
近代实用直升机通常以西科斯基(Igor Sikorsky)VS-300直升机于1939年9月14日首飞为其发展起始标志，至今已研究开发近70载。
自20世纪60年代复合材料零部件开始在直升机上应用，复合材料零件具有结构简单、重量轻、不需润滑、使用维护方便、可靠性高、寿命长等特点，使直升机的重量效率(有效载荷/起飞重量)有了大幅度提高，因此，复合材料在直升机上开始大量使用。
1 旋翼桨叶
复合材料在直升机上的突破性的应用进展是20世纪60年代联邦德国MBB(Messerschmitt-Bolkow-Blohm)公司BO-105、法国宇航(Aerospatiale)公司“小羚羊”SA341和俄罗斯卡莫夫公司的卡-26等直升机玻璃纤维增强复合材料旋翼桨叶的研制成功，证实复合材料的突出优点，优异的疲劳强度、多路传载、缓慢的裂纹扩展特性和简便易操作的模压成形工艺，在旋翼桨叶上得到充分的发挥。
而纤维增强复合材料性能的弱点，低的层间剪切强度、性能对环境因素的敏感等，并没有给旋翼桨叶设计和应用带来不利影响。
金属桨叶的使用寿命一般不超过2000小时，而复合材料桨叶的寿命可达6000小时以上，甚至无限寿命，并能做到“视情维护”。
这不仅提高了直升机的安全性，而且使桨叶的全寿命使用成本大幅度下降，由此带来了可观的经济效益。
复合材料简便易操作的模压固化成形工艺和强度、刚度(含阻尼特性)的可剪裁设计，是旋翼桨叶设计能够更有效地进行气动外形改进与优化及旋翼结构动力学特性的优化。
从20世纪70年代开始，新翼型的研究，出现了一系列高性能的直升机桨叶翼型。
新翼型的特点是，翼型由对称变为全弯曲、非对称，翼型的最大升力系数及临界马赫数大大提高、阻力系数减小、力矩系数变化不大。
旋翼桨尖形状的改进，从矩形改为后掠、尖削桨尖、抛物线后掠下反桨尖到先进的薄后掠BERP桨尖，大大改善了桨叶的气动载荷分布、桨涡干扰、振动及噪声特性，提高了旋翼效率。
不仅如此，设计人员还开展了旋翼桨叶空气动力学和结构动力学多学科综合优化设计，将复合材料优化设计与旋翼优化设计相结合，实现了桨叶性能、减振降噪的优化设计目标。
因此，20世纪70年代后期新研制的直升机几乎都采用复合材料桨叶，同时对老型号金属桨叶采用复合材料桨叶进行替换改造，取得了十分明显的成效。
2 桨毂
桨毂的复合材料化相对桨叶困难要大得多。
法国宇航公司于20世纪70年代后期研制成功的层压复合材料星形柔性桨毂是复合材料在旋翼桨毂上应用的首次突破性进展。
“海豚”直升机星形柔性桨毂与“云雀”Ⅲ直升机铰接式桨毂相比较，桨毂零件数目减少了近80%，重量减轻45%、相对成本降低65%。
美国贝尔公司和波音公司研制的纤维缠绕环套式桨毂，大大减轻了桨毂重量，并提高了安全性和可靠性。
欧洲直升机公司研制的纤维缠绕内、外环式桨毂盘实现了多路传载，更加安全可靠。
主要结构件采用复合材料的球柔性铰接式桨毂，同星形柔性桨毂相比，其结构更加简单紧凑，只需视情维护，重量又可减轻10%，成本更低。
整体式的桨毂/旋翼轴组件使直升机当量废阻面积减少19%，每千米耗油量下降10%。
复合材料桨毂的最新研究成果是以复合材料制成的柔性梁的变形桨叶的挥舞、摆振、变矩运动的无轴承桨毂结构。
无轴承桨毂是旋翼技术的重大突破性飞跃，现已成功用于EC-135和RAH-66旋翼结构设计。
3 机体结构
直升机机体结构采用复合材料主要考虑：直升机外形曲面复杂，但结构受载并不是很大，适合采用复合材料加工成形，以提高结构损伤容限，使用安全、可靠;运输类直升机和武装直升机都对机体结构提出了采用复合材料减重的要求;耐坠吸能结构、隐身结构设计的需求。
为此，1979年美国陆军航空应用技术研究所制定了“先进复合材料机体计划”，即ACAP计划。
20世纪80年代西科斯基S-75、贝尔D292、波音360、欧洲MBB的BK-117等全复合材料机身的直升机相继试飞，与其铝合金原准机相比，在机身重量、生产成本、可靠性和维护性等方面均有可观的效益，达到了ACAP计划指标要求，如表1所列。
据此，有专家认为，用复合材料机体结构取代铝合金机体结构的意义与20世纪40年代用金属结构取代木材帆布结构相当。
当然，复合材料在机体结构上的用量与直升机的设计技术(性能)指标密切相关。
目前，中型和重型武装直升机复合材料用量占机体结构重量的30%-50%，军/民用运输类直升机复合材料用量则高一些，达70%-80%。
复合材料在机身结构上首先用于尾梁、垂尾和平尾等构件上，一是为了减重，二是涵道垂尾等复杂曲面采用复合材料易于成形。
耐坠吸能结构也采用复合材料实现减重。
轻小型直升机结构简单、受载小、壁薄，采用复合材料可能并不一定经济。
我国20世纪70年代已开始研制直升机复合材料旋翼桨叶，如“延安”2号旋翼桨叶。
20世纪80年代我国引进“海豚”复合材料旋翼桨叶、星形柔性桨毂生产技术和复合材料机体结构的制造技术，如涵道大垂尾、动力舱整流罩、平尾、测垂尾等部件。
20世纪90年代我国积极参与国际合作完成EC-120、S-92等直升机上复合材料结构件的设计和制造。
自行研制的直-11型直升机，旋翼桨叶和尾桨都采用了全复合材料结构型式，桨毂星形柔性件和夹板均采用复合材料结构。
目前在第二届天津国际直升机博览会上参加飞行表演的国产新型直升机直-10、直-19也都大量采用了复合材料。
参考文献
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