Applicazioni di strutture sandwich composite a nido d'ape negli aerei civili

Astratto:Le strutture sandwich composite a nido d'ape sono utilizzate in un gran numero di applicazioni nel campo degli aerei civili, che sono caratterizzate da elevata resistenza, elevata rigidità specifica, bassa densità, buone proprietà di compressione e flessione, ecc. Le parti di applicazione includono fusoliera, cofano motore, carenatura, portello, copertura dell'antenna, bordo anteriore e così via. Il gran numero di applicazioni della struttura sandwich a nido d'ape riduce significativamente il peso della struttura dell'aeromobile. Con il progresso del processo di stampaggio e il miglioramento delle proprietà dei materiali, la struttura sandwich a nido d'ape viene gradualmente applicata al pavimento e ad altre strutture portanti principali. Questo articolo analizza innanzitutto i progressi della ricerca e il processo di sviluppo delle strutture sandwich a nido d'ape. In secondo luogo, ha risolto l'applicazione di strutture sandwich a nido d'ape su componenti tipici degli aeromobili. Infine, introduce lo stato attuale dell'applicazione della struttura sandwich a nido d'ape sul pavimento degli aerei civili.

001 Introduzione

Con lo sviluppo socio-economico, due sono i compiti che devono affrontare il settore dei trasporti, in particolare il trasporto aereo: la riduzione del peso complessivo delle strutture e la questione dei benefici direttamente correlati alla riduzione del peso - la riduzione del consumo di carburante. Il peso strutturale e il consumo di carburante sono particolarmente importanti nel settore dell'aviazione. Attualmente, le strutture sandwich a nido d'ape sono ampiamente utilizzate in fusoliere, portelli, ali, code, pavimenti, carenature e coperture di antenne nell'industria aeronautica. Le strutture sandwich a nido d'ape offrono un buon rapporto resistenza/peso. Rispetto alle pelli composite, funzionano meglio sotto carichi laterali e di flessione grazie alla loro forma strutturale, che consiste in un nucleo spesso e leggero circondato da due strati sottili e rigidi.

Il gran numero di applicazioni delle strutture sandwich a nido d’ape ha ridotto significativamente il peso delle strutture degli aeromobili, grazie alle loro buone proprietà di compressione e flessione, tanto che le strutture sandwich a nido d’ape si stanno gradualmente spostando verso strutture portanti principali come i pavimenti. Il contenuto di questo documento è principalmente diviso in tre parti: in primo luogo, analizza i progressi della ricerca e il processo di sviluppo della struttura a sandwich a nido d'ape; in secondo luogo, combina l'applicazione della struttura sandwich a nido d'ape su componenti tipici degli aerei con i modelli attualmente utilizzati; infine, introduce lo stato attuale dell'applicazione della struttura sandwich a nido d'ape sui pavimenti degli aeromobili civili.

002 Struttura Sandwich a Nido d'Ape

La struttura sandwich a nido d'ape, originaria della bionica, è caratterizzata da elevata resistenza specifica, elevata rigidità specifica e leggerezza rispetto allo stesso tipo di materiale solido, e quindi è stata ampiamente utilizzata nell'aviazione, nei trasporti e in altri campi. La struttura composita a sandwich a nido d'ape può migliorare efficacemente la rigidità alla flessione e migliorare la capacità di resistere a momenti flettenti e pressioni con un aumento di peso molto ridotto, rendendola una struttura leggera più ideale per l'aviazione.

Le strutture sandwich composite a nido d'ape sono costituite da tre componenti: pannelli, anima a nido d'ape e adesivo.

(1) Pannello. Il pannello è la parte portante principale della struttura sandwich. Rispetto al materiale del nucleo, il materiale del pannello è caratterizzato da alta densità, alto modulo ed elevata resistenza. Il materiale del pannello composito è solitamente lega di alluminio, lega di titanio, plastica rinforzata con fibra di vetro e altri materiali. La maggior parte dei nastri unidirezionali o dei compositi in tessuto di fibra di carbonio o fibra di vetro sono attualmente utilizzati nelle strutture aerospaziali.

(2) Anima a nido d'ape. Le prestazioni della struttura sandwich a nido d'ape e la geometria del nido d'ape sono correlate al materiale dell'anima del nido d'ape. In generale, i nuclei a nido d'ape sono disponibili come nucleo a nido d'ape in alluminio, nucleo a nido d'ape in aramide, nucleo a nido d'ape in fibra di vetro, ecc. a seconda del materiale. Il nido d'ape in aramide è diviso in nido d'ape in meta-aramide e nido d'ape in para-aramide. Il nido d'ape meso-arammidico è una meta-aramide ottenuta mediante policondensazione interfacciale o policondensazione in soluzione a bassa temperatura di m-toluene dicarbonil cloruro (MDCL) e m-fenilendiammina (MPA). Il più comune sul mercato è il meta-aramide inventato e utilizzato per la prima volta da DuPont negli anni '60. Il nido d'ape di para-aramide è la policondensazione di p-fenilendiammina e p-fenilendicarbonil cloruro per ottenere para-aramide, nome commerciale Kevlar. L'attuale nucleo a nido d'ape in aramide è principalmente meta-aramide e la ricerca sul para-aramide è molto scarsa. I principali modelli di applicazione sono mostrati nella Tabella 1. Il nido d'ape in carta aramidica (nido d'ape NOMEX) è realizzato in carta aramidica inumidita con resina fenolica. Rispetto al nido d'ape in alluminio, il nido d'ape in aramide è molto più resistente all'instabilità locale perché la cella a nido d'ape del nido d'ape in aramide è più spessa di quella del nido d'ape in alluminio. La preparazione del nido d'ape in Nomex consiste in nove processi: incollaggio di carta aramidica, laminazione, pressatura, taglio, allungare, dimensionare, immergere, stagionare e affettare. AVIC Composites Co., Ltd. ha migliorato il processo di incollaggio per immersione del nido d'ape in aramide, ha definito i parametri di processo come lo spessore delle celle e della carta e ha dedotto la formula empirica per il controllo della densità. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. utilizza carta aramidica domestica per preparare il nido d'ape, le proprietà di compressione e taglio sono state in grado di soddisfare i requisiti di HB5435-89 e BMS8-124, anche le proprietà dielettriche e ritardanti di fiamma soddisfano i requisiti standard. Meishi, una filiale della cinese Yantai Spandex Group Co., Ltd. ha preparato diversi tipi di nuclei a nido d'ape dalla sua carta meta-aramidica attraverso una serie di processi maturi. La resistenza alla compressione nel piano e la resistenza al taglio del nucleo e della struttura sandwich a temperatura ambiente sono in grado di raggiungere i valori dell'indice nello standard Boeing BMS8-124 e di soddisfare i requisiti di utilizzo delle proprietà meccaniche.

Tab.1 Principali modelli di applicazione del tipo a nido d'ape

(3) Adesivo. L'adesivo utilizzato per le strutture sandwich a nido d'ape dell'aviazione è solitamente un adesivo strutturale. Gli adesivi strutturali sono quelli che possono sopportare una forza considerevole in un periodo di tempo predeterminato, nell'ambiente in cui vengono utilizzati, e hanno una resistenza e una durata di servizio durevole che corrispondono a quelle dell'oggetto a cui vengono applicati. Secondo la matrice della resina è generalmente divisa in tre categorie principali. La prima resina epossidica, la resina epossidica, presenta i vantaggi di un'eccellente lavorazione, un lungo periodo di applicazione e la massima resistenza alla temperatura fino a 232 gradi; La seconda categoria è la bismaleimide, che può raggiungere temperature superiori a 232 gradi, ed è utilizzata principalmente negli aerei militari con temperature più elevate; Il terzo è il tipo di estere cianoacido, che ha un'eccellente resistenza alla temperatura, alla dielettricità e alla resistenza al calore e all'umidità, quindi viene utilizzato principalmente in componenti con requisiti di prestazione elettrica dei componenti. Adesivo strutturale in resina epossidica comunemente utilizzato nel settore aeronautico, come mostrato nella Tabella 2. Hexcel, Cytec e altre società statunitensi hanno sviluppato una varietà di usi del sistema di materiali e negli ultimi anni anche la società nazionale AVIC Composite ha sviluppato una temperatura media e alta sistema di resina, come BA9913, BA9916, SY-24C-300 e così via.

Scheda.2 Adesivi strutturali per l'aviazione nazionale ed estera

003 Strutture sandwich a nido d'ape su componenti tipici di aeromobili

Per quanto riguarda i grandi aerei civili, il Boeing 747 (volato per la prima volta il 9 febbraio 1969) è stato progettato con una grande percentuale di costruzione a sandwich (Figura 1). Ha circa la metà della superficie alare, compresi i bordi d'attacco e d'uscita, in fibra di vetro e nido d'ape Nomex. Nel Boeing 747, il guscio cilindrico della fusoliera è principalmente a nido d'ape Nomex, e anche il pavimento, i pannelli laterali, i bidoni della spazzatura sopraelevati e il soffitto sono realizzati a nido d'ape. La maggior parte delle alette sono realizzate con la stessa struttura a nido d'ape, ma vengono utilizzati anche nido d'ape e pelle in alluminio. Le applicazioni della struttura sandwich a nido d'ape sul B787 includono il timone, l'elevatore, le estremità alari e le gondole del motore. Tra questi, le gondole del motore e gli invertitori di spinta sono realizzati in nido d'ape HexWeb e preimpregnato HexPly8552/AS4. Con i vantaggi della leggerezza e dell'elevata rigidità, nonché dell'assorbimento acustico, il nido d'ape HexWeb è stato utilizzato da tutti i principali produttori di motori del mondo. Per il Boeing 707, solo l'8% è a nido d'ape, mentre per il più recente Boeing 757/46, il 46% è a nido d'ape.

Fico.1 Illustrazione di una porzione dell'applicazione della struttura sandwich del B747 (area blu)

La struttura sandwich a nido d'ape nell'applicazione di grandi aerei civili è la prima nel timone dell'aereo Airbus A310, e poi utilizzata nel timone dell'A320, A340. La più grande struttura sandwich a nido d'ape è il timone dell'A340, con un'area di 15,3 m²di struttura a sandwich a nido d'ape. Il più grande dosaggio per singolo aereo per l'aereo A380, la quantità della sua struttura a sandwich a nido d'ape ammontava a 4,000 m², utilizzato principalmente per componenti strutturali di grandi dimensioni, tra cui la carenatura, la pavimentazione, ecc. E la pavimentazione è costituita principalmente da pannelli sandwich Gillfab4909 di MC GillCorp. Nido d'ape in Kevlar. La struttura del pavimento dell'Airbus A380 è costituita da un gran numero di compositi sandwich a nido d'ape Nomex, materiali eccellenti che consentono all'A380 di raggiungere una vita operativa di 20,000 ore, garantendo che l'aereo possa essere in servizio per più di 10 anni. Da allora, l’uso dei compositi è aumentato in modo significativo, soprattutto con l’ATR72, che è stato il primo velivolo civile ad essere certificato con una struttura di base in carbonio (scatola alare) (vedi Figura 2). Come mostrato nella Figura 3, la percentuale di materiali sandwich nelle strutture secondarie è diminuita. Per l'A380, il Boeing 787 o l'Airbus A350, solo la carenatura, le gondole e le porte anteriori del carrello di atterraggio, alcuni alettoni e timoni sono ancora realizzati in struttura sandwich, il resto è costituito da strutture monolitiche autorinforzanti.

Fig. 2 Applicazione dei compositi ATR72

(a) Struttura sandwich dell'A380 (b) Struttura sandwich dell'A350 e set B787 in composito struttura

Fico.3 Schema della struttura sandwich dell'aereo

Rispetto agli aerei civili, l'applicazione della struttura sandwich a nido d'ape negli aerei generali si manifesta principalmente nell'uso della fusoliera, come gli aerei PremierI di HawkerBeechcraf, Hawker 4000 e "Primo Ministro" IA, aerei Bombardier Aerospace Learjet 85 e così via. PremierI è il primo business jet con fusoliera interamente in composito certificato FAA, l'intera fusoliera è realizzata con pannelli di carbonio con struttura sandwich a nido d'ape, lo spessore complessivo di 20,6 mm, la fusoliera è priva di capriate e telai, rispetto alla tradizionale struttura in alluminio ridurre il peso del 25% e aumentare del 13% lo spazio in cabina. La struttura della fusoliera dell'aereo Hawker 4000 attualmente in produzione è costituita da tre strutture a botte collegate alle ali, le canne sono strutture sandwich a nido d'ape e la pelle viene posata utilizzando la macchina per la posa dei cavi automatizzata Viper di MAG Cincinnati. I componenti compositi con struttura sandwich a nido d'ape Nomex sono utilizzati in un gran numero di applicazioni in Russia per componenti di aeromobili come flap, alettoni, pannelli delle pareti della fusoliera, motori, cabine di pilotaggio, compartimenti di carico, code orizzontali, bordi d'attacco delle ali, travi di coda del rotore di elicotteri e altri velivoli componenti.

La produzione nazionale da parte di AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. e di altre unità di un gran numero di materiali compositi a matrice di resina (come drogue, paddle, coda piatta e rotore, ecc.) e materiali compositi con struttura sandwich a nido d'ape Nomex (fusoliera pannelli, pavimenti, travi di coda, ecc.), che riduce significativamente il peso della fusoliera complessiva, migliora la resistenza alla fatica dei componenti e migliora le caratteristiche aerodinamiche in modo da migliorare la qualità di volo dell'elicottero. Si stima che, oltre al motore e alla trasmissione, quasi 300 parti di aeromobili siano realizzate con compositi sandwich a nido d'ape Nomex. Tutte le parti utilizzano materiali d'anima a nido d'ape Nomex con 3 densità e 12 specifiche. La quantità di materiali d'anima a nido d'ape Nomex nell'intera fusoliera è superiore a 200 m2 e la sua area di copertura rappresenta circa l'80% dell'intera fusoliera, che è uno dei tipi di aeromobili che attualmente utilizzano compositi strutturali sandwich a nido d'ape Nomex maggiormente in Cina .

004 Applicazione di struttura sandwich a nido d'ape su pavimentazione di aeromobili civili

4.1 Stato della ricerca sulla pavimentazione dei vani passeggeri e di carico degli aerei

I pavimenti convenzionali degli aerei per passeggeri e merci sono costruiti in metallo. Ogni piano ha centinaia di rivetti e viti, ma è necessario utilizzare anche cuscinetti elastici e isolamento della struttura della fusoliera, e quindi costosi. Inoltre, l'uso di materiali compositi può migliorare notevolmente la struttura del pavimento in termini di resistenza, rigidità, fatica e resistenza alla corrosione, può ridurre i connettori di un ordine di grandezza e può ridurre significativamente il peso della struttura del pavimento.

Il pannello della struttura sandwich composita del pavimento dell'aereo è solitamente realizzato in preimpregnato di fibra di vetro, fibra di carbonio e Kevlar, e la matrice è selezionata tra resina epossidica o resina fenolica. I nuclei a nido d'ape sono comunemente usati con il nido d'ape Nomex.

Fico.4 Pavimentazione del vano passeggeri e di carico dell'aeromobile

4.2 Applicazione di strutture sandwich ai pavimenti

Il pavimento della cabina principale dell'elicottero civile Chinook Modello 234 della Boeing misura 2,5 x 2,2 metri ciascuno ed è composto da quattro pannelli. I pannelli sono compositi in fibra di vetro/Kevlar49 con anime a nido d'ape Nomex, e il pavimento sandwich ha quattro strati di pannelli superiori e inferiori ciascuno, simmetrici all'anima a nido d'ape al centro. Il primo e il secondo strato sono preimpregnati in fibra di vetro a 0 gradi, mentre il terzo e il quarto strato sono preimpregnati in fibra di Kevlar49 con direzione a 0 gradi. Il nucleo Nomex ha un'altezza di 38 mm, una lunghezza della cella di 2 mm e una densità di 48 kg/m3. I pannelli e l'anima sono incollati tra loro con pellicola adesiva EA9. La struttura composita a sandwich viene scelta anche per il pavimento della cabina del Boeing 777, Boeing 787 Dreamliner e altri modelli di aeroplani.

MC Gill Corp. produzione della selezione di pannelli con struttura sandwich Gillfab4223 di tessuto in fibra di vetro, matrice per la resina fenolica, anima per il nido d'ape meta-aramidico GillcoreHD, selezione di film adesivo del sistema epossidico. Lo spessore dell'intera struttura sandwich è di 12,6 mm, lo spessore del pannello superiore è di 1,27 mm e lo spessore del pannello inferiore è di 0,508 mm. La struttura sandwich Gillfab4223 è utilizzata negli Airbus A318/ A319/ A320/ A321/ A330/ A340/ A300/ A310/ A300-600. MC Gill Corp. produzione del pannello con struttura sandwich Gillfab4505 selezione del nastro unidirezionale in fibra di carbonio (lo strato superficiale per il preimpregnato in fibra di vetro), la matrice per la resina fenolica, l'anima per il nido d'ape meta-aramidico GillcoreHD, selezione della pellicola adesiva del sistema epossidico. Lo spessore dell'intera struttura sandwich è di 9,5 mm e lo spessore dei pannelli superiore e inferiore è di 0,5 mm. La struttura sandwich Gillfab4505 è utilizzata negli Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340.

Il pianale di carico del Fokker 100 è una struttura relativamente semplice, ovvero una struttura composita a sandwich con un rivestimento esterno di fogli di compositi termoplastici ad alte prestazioni e un nucleo di nido d'ape Nomex. La pelle e il nucleo sono incollati insieme con una pellicola epossidica.

Il pavimento della stiva di un certo modello di struttura sandwich a nido d'ape Nomex è stato preparato mediante stampaggio a caldo utilizzando preimpregnato di resina fenolica rinforzata con fibra di vetro autoprodotto come materia prima del pannello da Niu Fangxu et al. del Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. Sono state valutate sistematicamente le proprietà meccaniche e le proprietà ignifughe del pavimento e sono stati analizzati gli effetti del tipo di preimpregnato, della temperatura di polimerizzazione e del processo di stampaggio sulle proprietà meccaniche dei pannelli a nido d'ape e i fattori influenti sono state studiate le proprietà ignifughe dei pannelli alveolari. I risultati mostrano che le proprietà meccaniche del pavimento del vano di carico preparato con preimpregnato fatto in casa sono eccellenti, con il carico massimo di flessione della trave lunga fino a 4348 N, la deflessione di soli 6,79 mm con un carico di 445 N, la prestazione all'impatto fino a 17.1J e resistenza alla pelatura del rullo fino a 66,4 N-mm/mm e, allo stesso tempo, soddisfano i severi requisiti di ritardante di fiamma, che possono realizzare la sostituzione localizzata dei materiali della pavimentazione per l'area di carico alla rinfusa dell'aeromobile.

005 Conclusione

La struttura sandwich a nido d'ape ad elevata resistenza, elevata rigidità specifica e bassa densità, beneficiando delle sue buone proprietà di compressione e flessione, è stata utilizzata in un gran numero di applicazioni nel campo degli aerei civili. Questo articolo analizza i progressi della ricerca e lo stato di sviluppo della struttura sandwich a nido d'ape, analizza ulteriormente la sua applicazione su strutture tipiche degli aeromobili e conclude che con lo sviluppo e la produzione dell'aereo domestico C919/C929, la struttura sandwich composita per i pavimenti degli aerei ha un'ampia gamma di applicazioni prospettive.(Fonte: Fiber Composites)