用于航空超轻应用的碳纤维复合编织复合材料层压板的分析

1.引言

　　航空工业需要开发用于航天器、宇航服和卫星技术的先进材料。近年来，在对提高性能、效率和可持续性的不懈追求的推动下，航空航天材料可实现多种进步，包括降低成本、减轻重量、提高强度、增强韧性、提高耐用性并降低燃料消耗。碳纤维复合材料编织层压板就是这样一种备受关注的材料，尤其是由于其出色的强度重量比和在航空领域的超轻应用潜力。20 世纪 60 年代，美国国家航空航天局 (NASA) 开始探索碳复合材料在航空航天领域的应用。1963 年，波音 727 在垂直稳定器和方向舵中采用了碳复合材料。15年后，通用动力公司的F-16战斗机采用了碳纤维增强复合材料机翼。在商用层面，许多飞机在重要部件中加入了碳复合材料，例如空中客车 A310 是第一架在 1983 年将碳复合材料纳入垂直尾翼的商用飞机，又或是1995 年采用复合材料尾翼部件（包括水平稳定器和垂直尾翼）的波音 777。2011 年推出的波音 787 梦想飞机在机身、机翼和尾翼上大量使用碳复合材料，标志着一个重要的里程碑，碳复合材料也为军用飞机做出了巨大贡献。洛克希德·马丁公司于 2005 年推出的 F-22 猛禽战斗机的主要结构部件采用了碳复合材料，从而减轻了重量并提高了机动性。类似地，洛克希德·马丁公司的 F-35 Lightning II 在 2006 年大量采用了碳复合材料，纤维增强层压板和聚合物 CFRP（碳纤维增强聚合物）几乎占据了机身重量的35%。与此同时，碳纤维复合材料对无人机市场产生了重大影响，在减轻重量方面带来了显著的进步，与铝等传统材料相比，这提高了无人机的性能，包括飞行时间、机动性和有效载荷能力。碳复合材料还表现出优异的抗疲劳、腐蚀和环境条件性能，提高了无人机的可靠性和使用寿命，同时降低了维护要求。

　　新型碳基复合材料在航空航天应用中的有效性是通过大量测试、分析和认证的严格过程来验证的。验证过程的第一步是材料特性，通过测试碳复合材料以评估其机械性能，例如拉伸强度、弯曲强度和抗冲击性。第二步是通过有限元分析或 FEA 模拟碳基复合材料在各种负载条件下的结构行为。FEA 有助于评估诸如固有频率、应力分布、变形和故障模式等因素，为复合材料性能提供有价值的见解。之后，为了确保新复合材料的有效性，还需对其进行全面的结构测试。最后一步是满足严格的认证要求并遵守行业法规，包括机械性能、制造工艺、结构完整性和安全性。对于无人机来说，验证其投入使用后的维护和修理也很重要。

　　本文介绍的新型超轻碳基复合材料 (ULCC)专为航空领域的超轻应用而设计，聚焦于无人机 (UAV) 市场。因此对其进行了机械性能和结构模拟研究。研究分为两部分：首先，评估编织层压板的机械性能；其次，通过 FE 模型评估其是否适合集成到下一代飞机设计中，以实现前所未有的燃油效率和性能水平。ULCC 的机械特性与两种不同的碳纤维复合编织层压板：T300 /环氧树脂和T1000 /环氧树脂进行了比较。通过有限元模型对新设计的无人机的不同部件进行了比较，从而得出此种先进复合材料的潜在优势。

　　近年来，无人驾驶飞行器（UAV）的使用率显著增加。UAV因为能够轻松进入人类难以到达的区域而备受关注。TERSA 项目旨在开发起飞重量低于50 公斤的 SAPR（遥控飞机系统）的电力推进技术。该项目的预期成果是显著提高陆地和海上监视、数据收集的双重作战能力，以及融入民航交通的能力。该项目有两种配置，一种是传统固定翼，一种是垂直起降固定翼，这两种配置都配备电力推进系统和感知与避让 (S&A) 系统，可以直接将飞机并入空中交通。该项目制造出了一种新型碳纤维材料，以用来满足许多要求：机械性能、与碳氢化合物的兼容性；在极低温度下或者在很宽的温度范围内保持稳定的性能；避免在聚合物基质内产生微裂纹等。

2.1 .材料

　　此种重量极轻的预浸料织物密度为65 g/m2，环氧树脂含量为47%，以确保性能、成本和污染排放的平衡。所用材料是预浸碳纤维和环氧树脂基质。在最常见的树脂体系（如乙烯基酯、聚酯等）中，环氧树脂虽然价格较贵，但机械性能最佳。此外，还采用了预浸渍织物层，需要通过温度和压力来激活和巩固层压板的聚合过程。进一步的测试包括材料的机械特性测试（对特定样品的破坏性测试）、动态机械分析（DMA），这是一种通过测量固化样品的应变或应力来分析其动力学特性的技术，敲击检查与超声波（US）检查（都是用于快速检测可能的分层现象）等。

2.2 .均质化

　　为了更好地比较，将航空航天工业中常用的T300/环氧树脂和T1000/环氧树脂材料与这种材料进行了对比。采用混合法则测量这些复合材料的机械性能，并采用材料数据表中报告的相同体积百分比：纤维和基体的体积分数分别为Vf = 0.55和Vm = 0.45。T300/环氧树脂和T1000/环氧树脂的性能由供应商提供，而ULCC的性能则通过混合法则确定。表1为均质复合材料的机械性能。

表1复合材料的机械性能

　　本测试使用了有限元（FE）模型分析，以检验使用三种复合材料（T300/环氧树脂、T1000/环氧树脂和ULCC）制造的结构的动态特性。进行自由振动测试旨在测试组件的整体动态行为（包括几何形状、层压板、材料等），以验证飞机设计，而不仅仅测试此种复合材料的特性。选取了三个不同结构元件的模型，每个元件分别使用这三种材料进行单独检查（这些元件的CAD模型如图1所示）。所研究的三个元件为：

1.吊臂内侧支撑

2.吊臂外侧支撑

3.电动马达鼻架

　　前两项分别代表无人机吊臂的内支撑和外支撑，第三项代表无人机电动动力系统的机头。此类部件必须考虑高强度和刚度。本次测试使用ABAQUS 软件进行。

　　表2为内吊臂支撑的前 6 个自然频率。当使用 ULCC 材料时，可以观察到最高频率，并且刚度结构组件的刚度会大幅增加。这是因为 ULCC 在保持相同密度的情况下与其他材料相比具有最高的弹性模量。ULCC 材料的弹性模量比传统的 T300/环氧树脂高 87.5%，而密度仅增加约 1.5%。前 6 个模态形状的图形表示如下图 2。

　　本结构部件应与内侧支撑配合支撑吊臂。因此，两个不同几何形状的部件应具有相似的动态特性。事实上，正如表3频率与之前表 2的频率规律一致。在本例中，ULCC 也表现出更高的刚度和结构模态形状。

图3.吊臂外侧支撑组件的前六阶模态

　　最后分析的部件是无人机电力传动系统的机头框架支撑结构。这种结构的形状是锥形壳与圆形板的组合，圆形板用螺栓固定在顶部开孔的锥体底部。前 6 个自然频率列于表4，使用 ULCC 的效果在高模态下尤其明显，此时差异约为+36%。前 6 个模态形状已列在图 4。其中，边界条件对当前结构的影响清晰可见。

　　新型超轻碳基复合材料 (ULCC)已被用于航空工业。将 ULCC 与两种常用于飞机的传统材料（即 T300/环氧树脂和 T1000/环氧树脂）进行了比较分析，结果表明，新型 ULCC 具有更高的刚度和更低的密度，在航空航天应用领域具有优势。为了进一步评估在行业中实施 ULCC 的可行性，采用有限元模型进行验证。研究结果表明，作为航空工业的创新材料，新型 ULCC材料应用前景广阔，它可以减轻飞机的整体重量、提高性能特征并产生积极的经济影响。未来，研究重点将会落在使用新型 ULCC 生产物理样本上，并进一步将其推向市场。

编译自《复合材料 C 部分：open access》第 14 卷，2024 年 7 月，100447

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