کاربردهای سازه های ساندویچی لانه زنبوری مرکب در هواپیماهای غیرنظامی

چکیده:سازه های ساندویچی لانه زنبوری کامپوزیت در تعداد زیادی کاربرد در زمینه هواپیماهای غیرنظامی استفاده می شود که با استحکام بالا، سختی ویژه بالا، چگالی کم، خواص فشاری و خمشی خوب و غیره مشخص می شود که از جمله قسمت های کاربرد آن می توان به بدنه، روپوش موتور، فیرینگ، دریچه، روکش آنتن، لبه جلویی و ... اشاره کرد. تعداد زیاد کاربردهای ساختار ساندویچی لانه زنبوری وزن سازه هواپیما را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. با پیشرفت فرآیند قالب گیری و بهبود خواص مواد، ساختار ساندویچی لانه زنبوری به تدریج بر روی کف و سایر سازه های باربر اصلی اعمال می شود. این مقاله ابتدا پیشرفت تحقیق و فرآیند توسعه سازه‌های ساندویچی لانه زنبوری را تحلیل می‌کند. ثانیاً، کاربرد ساختارهای ساندویچی لانه زنبوری را بر روی اجزای معمولی هواپیما مرتب می کند. در نهایت به معرفی وضعیت فعلی کاربرد ساختار ساندویچی لانه زنبوری در کف هواپیماهای غیرنظامی می پردازد.

001 مقدمه

با توسعه اجتماعی{0}}اقتصادی، دو وظیفه در حوزه حمل و نقل، به ویژه حمل و نقل هوایی وجود دارد: کاهش وزن کلی سازه ها و موضوع مزایایی که مستقیماً با کاهش وزن مرتبط است - کاهش مصرف سوخت. وزن ساختاری و مصرف سوخت به ویژه در زمینه هوانوردی اهمیت دارد. در حال حاضر، سازه های ساندویچی لانه زنبوری به طور گسترده در بدنه، دریچه، بال، دم، کف، فیرینگ و پوشش آنتن در صنعت هوانوردی استفاده می شود. ساختارهای ساندویچی لانه زنبوری نسبت استحکام-به-خوبی را ارائه می‌دهند. در مقایسه با پوسته های کامپوزیت، آنها تحت بارهای جانبی و خمشی به دلیل فرم ساختاری خود که از یک هسته ضخیم و سبک تشکیل شده است که توسط دو لایه نازک و صلب احاطه شده است، عملکرد بهتری دارند.

کاربردهای زیاد سازه های ساندویچی لانه زنبوری به دلیل خواص فشاری و خمشی خوب، وزن سازه های هواپیما را به میزان قابل توجهی کاهش داده است، به طوری که سازه های ساندویچی لانه زنبوری به تدریج به سمت سازه های باربر اصلی مانند کف می روند. محتوای این مقاله عمدتاً به سه بخش تقسیم می‌شود: اولاً پیشرفت تحقیق و فرآیند توسعه ساختار ساندویچی لانه زنبوری را تحلیل می‌کند. ثانیاً، کاربرد ساختار ساندویچی لانه زنبوری بر روی اجزای معمولی هواپیما را با مدل‌های مورد استفاده فعلی ترکیب می‌کند. در نهایت به معرفی وضعیت فعلی کاربرد ساختار ساندویچی لانه زنبوری در طبقات هواپیماهای غیرنظامی می پردازد.

002 ساختار ساندویچی لانه زنبوری

ساختار ساندویچی لانه زنبوری که برای اولین بار در بیونیک ایجاد شد، با استحکام ویژه بالا، سختی ویژه بالا و وزن سبک در مقایسه با همان نوع مواد جامد مشخص می شود و بنابراین به طور گسترده در حمل و نقل هوایی، حمل و نقل و سایر زمینه ها استفاده شده است. ساختار ساندویچی لانه زنبوری کامپوزیت می تواند به طور موثری سفتی خمشی را بهبود بخشد و توانایی مقاومت در برابر گشتاورها و فشارهای خمشی را با افزایش وزن بسیار کم افزایش دهد و آن را به ساختار سبک وزن ایده آل تری برای حمل و نقل هوایی تبدیل کند.

سازه های ساندویچی لانه زنبوری مرکب از سه جزء پانل ها، هسته لانه زنبوری و چسب تشکیل شده است.

(1) پانل. پانل بار اصلی-بخشی از ساختار ساندویچی است. در مقایسه با مواد هسته، مواد پانل با چگالی بالا، مدول بالا و استحکام بالا مشخص می شود. مواد پانل کامپوزیت معمولاً آلیاژ آلومینیوم، آلیاژ تیتانیوم، پلاستیک تقویت شده با الیاف شیشه و مواد دیگر است. اکثر نوارهای یک طرفه یا کامپوزیت های پارچه فیبر کربن یا الیاف شیشه در حال حاضر در سازه های هوافضا استفاده می شوند.

(2) هسته لانه زنبوری. عملکرد ساختار ساندویچی لانه زنبوری و هندسه لانه زنبوری مربوط به جنس هسته لانه زنبوری است. به طور کلی هسته های لانه زنبوری با توجه به مواد به صورت هسته لانه زنبوری آلومینیومی، هسته لانه زنبوری آرامید، هسته لانه زنبوری فایبرگلاس و غیره موجود می باشد. لانه زنبوری آرامید به لانه زنبوری متا-آرامید و لانه زنبوری پارا{6}}آرامید تقسیم می شود. لانه زنبوری مزو{8}}آرامید متاآرامیدی است که از چند تراکم سطحی یا پلی تراکم محلول با دمای پایین m-تولوئن دی کربونیل کلرید (MDCL) و m{12}}فنیلن دیامین (MPA) به دست می‌آید. رایج ترین متاآرامید موجود در بازار است که برای اولین بار توسط DuPont در دهه 1960 اختراع و مورد استفاده قرار گرفت. لانه زنبوری پارا{17}}آرامید p-فنیلن دی آمین و p{19}}فنیلن دی کربونیل کلرید پلی تراکم برای بدست آوردن پارا{20}}آرامید با نام تجاری Kevlar است. هسته لانه زنبوری آرامید موجود عمدتاً متا{22}}آرامید است و تحقیقات پارا{23}}آرامید بسیار اندک است. مدل های اصلی کاربرد در جدول 1 نشان داده شده است. لانه زنبوری کاغذی آرامید (NOMEX honeycomb) از کاغذ آرامید مرطوب شده با رزین فنولیک ساخته شده است. در مقایسه با لانه زنبوری آلومینیومی، لانه زنبوری آرامید در برابر ناپایداری موضعی بسیار مقاوم‌تر است، زیرا سلول لانه زنبوری لانه زنبوری آرامید ضخیم‌تر از لانه زنبوری آلومینیومی است. تهیه لانه زنبوری Nomex از 9 فرآیند تشکیل شده است: چسباندن کاغذ آرامید، لمینیت، پرس، برش، کشش و ساییدن. AVIC Composites Co., Ltd. فرآیند چسباندن لانه زنبوری آرامید را بهبود بخشیده است، پارامترهای فرآیند مانند ضخامت سلول و کاغذ را نتیجه‌گیری کرده و فرمول تجربی کنترل چگالی را استنتاج کرده است. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. از کاغذ آرامید داخلی برای تهیه لانه زنبوری استفاده می کند، خواص فشاری و برشی توانسته است الزامات HB5435-89 و BMS8{41}}124، دی الکتریک و خواص بازدارنده شعله را برآورده کند. Meishi، یکی از شرکت‌های تابعه شرکت چینی Yantai Spandex Group، انواع مختلفی از هسته‌های لانه زنبوری را از کاغذ متاآرامید خود از طریق یک سری فرآیندهای بالغ تهیه کرده است. مقاومت فشاری درون صفحه و مقاومت برشی هسته و ساختار ساندویچی آن در دمای اتاق می‌تواند به مقادیر شاخص استاندارد بوئینگ BMS8-124 برسد و می‌تواند الزامات استفاده از خواص مکانیکی را برآورده کند.

Tab.1 مدل های کاربردی اصلی از نوع لانه زنبوری

(3) چسب. چسب مورد استفاده برای سازه های ساندویچی لانه زنبوری هوانوردی معمولاً چسب سازه ای است. چسب های ساختاری آنهایی هستند که می توانند نیروی قابل توجهی را در یک دوره زمانی از پیش تعیین شده، در محیطی که در آن استفاده می شود، تحمل کنند و دارای استحکام و عمر مفیدی هستند که با شیئی که به آن چسبیده شده است، مطابقت دارد. با توجه به ماتریس رزین به طور کلی به سه دسته عمده تقسیم می شود. اولین اپوکسی، رزین اپوکسی دارای مزایای کار عالی، دوره کاربرد طولانی و بالاترین مقاومت در برابر درجه حرارت تا 232 درجه است. دسته دوم بیسمالیمید است که می تواند به دمای بیش از 232 درجه برسد و عمدتاً در هواپیماهای نظامی با دمای بالاتر استفاده می شود. سومین نوع استر سیانواسید است که مقاومت بسیار خوبی در برابر دما، دی الکتریک و مقاومت در برابر گرما و رطوبت دارد، بنابراین عمدتاً در قطعاتی با الزامات عملکرد الکتریکی اجزا استفاده می شود. همانطور که در جدول 2 نشان داده شده است، معمولاً از چسب ساختاری رزین اپوکسی هوانوردی استفاده می‌شود. Hexcel، Cytec و سایر شرکت‌های ایالات متحده کاربردهای مختلفی از سیستم مواد ایجاد کرده‌اند، و در سال‌های اخیر شرکت داخلی AVIC Composite همچنین یک سیستم رزین با دمای متوسط ​​و بالا، مانند BA9913، BA9916، SY-24C و غیره توسعه داده است.

Tab.2 چسب های ساختاری هوانوردی داخلی و خارجی

003 سازه های ساندویچی لانه زنبوری بر روی اجزای معمولی هواپیما

تا آنجا که به هواپیماهای بزرگ غیرنظامی مربوط می شود، بوئینگ 747 (اولین پرواز در 9 فوریه 1969) با درصد زیادی از ساخت ساندویچی طراحی شد (شکل 1). حدود نیمی از سطح بال، از جمله لبه های جلویی و انتهایی، از فایبرگلاس و لانه زنبوری Nomex ساخته شده است. در بوئینگ 747، پوسته استوانه ای بدنه عمدتاً از لانه زنبوری Nomex است و کف، پانل های جانبی، سطل های زباله بالای سر و سقف نیز از لانه زنبوری ساخته شده است. اکثر فلپ ها از همان ساختار لانه زنبوری ساخته شده اند، اما از لانه زنبوری و پوسته آلومینیومی نیز استفاده شده است. کاربردهای ساختار ساندویچ لانه زنبوری در B787 شامل سکان، آسانسور، نوک بال و ناسل موتور می باشد. در میان آنها، ناسل های موتور و معکوس کننده های رانش از لانه زنبوری HexWeb و پیش آغشته HexPly8552/AS4 ساخته شده اند. لانه زنبوری HexWeb با مزایای وزن سبک و سفتی بالا و همچنین جذب صوتی، توسط تمام تولید کنندگان موتورهای بزرگ در جهان مورد استفاده قرار گرفته است. برای بوئینگ 707، تنها 8 درصد لانه زنبوری و برای بوئینگ 757/46 جدیدتر، 46 درصد لانه زنبوری است.

شکل.1 تصویر بخشی از کاربرد ساختار ساندویچی B747 (منطقه آبی)

ساختار ساندویچی لانه زنبوری در کاربرد هواپیماهای غیرنظامی بزرگ اولین نمونه در سکان هواپیمای ایرباس A310 است و سپس در سکان A320، A340 استفاده می شود. بزرگترین سازه ساندویچی لانه زنبوری سکان A340 با مساحت 15.3 متر است.²از ساختار ساندویچ لانه زنبوری. بزرگترین دوز هواپیما برای هواپیمای A380، مقدار ساختار ساندویچ لانه زنبوری آن بالغ بر 4000 متر است.²، عمدتاً برای اجزای ساختاری با اندازه بزرگ-، از جمله قسمت شکم، کفپوش، و غیره استفاده می شود. و کفپوش عمدتاً از ساندویچ پانل Gillfab4909 MC GillCorp ساخته شده است. لانه زنبوری کولار. ساختار کف ایرباس A380 از تعداد زیادی کامپوزیت ساندویچی لانه زنبوری Nomex ساخته شده است که مواد عالی هستند که A380 را قادر می‌سازد تا به عمر عملیاتی 20000 ساعت دست یابد و اطمینان حاصل شود که هواپیما می‌تواند بیش از 10 سال در خدمت باشد. از آن زمان، استفاده از کامپوزیت ها به طور قابل توجهی افزایش یافته است، به خصوص با ATR72، که اولین هواپیمای غیرنظامی بود که دارای گواهینامه ساختار پایه کربن (جعبه بال) بود (شکل 2 را ببینید). همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، نسبت مواد ساندویچی در سازه های ثانویه در حال کاهش است. برای A380، بوئینگ 787 یا ایرباس A350، فقط قسمت‌های شکم، ناسل‌ها و درهای ارابه فرود جلو، برخی ایلرون‌ها و سکان‌ها هنوز از ساختار ساندویچی ساخته می‌شوند و بقیه ساختارهای یکپارچه خود تقویت‌کننده هستند.

شکل{0}} کاربرد کامپوزیت های ATR72

(الف) ساختار ساندویچی A380 (ب) ساختار ساندویچی از مجموعه کامپوزیت A350 و B787 ساختار

شکل.3 نمودار ساختار ساندویچی هواپیما

در مقایسه با هواپیماهای غیرنظامی، کاربرد ساختار ساندویچی لانه زنبوری در هواپیماهای عمومی عمدتاً در استفاده از بدنه مانند هواپیماهای HawkerBeechcraf's PremierI، Hawker 4000 و "Prime وزیر" IA، هواپیماهای Bombardier Aerospace Learjet 85 و غیره آشکار می شود. PremierI اولین جت تجاری جت کامپوزیتی جت کامپوزیتی-FAA است، کل بدنه از پانل های کربنی از ساختار ساندویچی لانه زنبوری ساخته شده است، ضخامت کلی 20.6 میلی متر است، بدنه فاقد خرپا و قاب است، نسبت به ساختار سنتی آلومینیومی 21% افزایش یافته است. ساختار بدنه هواپیمای هاوکر 4000 که در حال حاضر در حال تولید است، شامل سه ساختار بشکه‌ای است که در بال‌ها به هم متصل شده‌اند، بشکه‌ها ساختارهای ساندویچی لانه زنبوری هستند، و پوسته‌ها با استفاده از دستگاه سیم‌گذاری خودکار ماگ سینسیناتی ماگ سینسیناتی، وایپر، قرار گرفته است. اجزای کامپوزیتی ساختار ساندویچی لانه زنبوری Nomex در تعداد زیادی از کاربردها در روسیه برای اجزای هواپیما مانند فلپ ها، ایلرون ها، پانل های دیوار بدنه، موتورها، کابین خلبان، محفظه های بار، دم های افقی، لبه های جلو بال، تیرهای دم روتور هلیکوپتر و سایر اجزای هواپیما استفاده می شود.

تولید داخلی توسط AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. و واحدهای دیگر تعداد زیادی از مواد کامپوزیت ماتریس رزین (مانند دروگ، پارو، دم صاف و روتور و غیره) و مواد کامپوزیت ساختار ساندویچ لانه زنبوری Nomex (پانل‌های بدنه، کف، وزن تیرهای دم را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد، که باعث کاهش قابل توجه وزن می‌شود، و غیره). استحکام خستگی قطعات، و بهبود ویژگی های آیرودینامیکی به طوری که کیفیت پرواز هلیکوپتر را افزایش می دهد. تخمین زده می شود که علاوه بر موتور و قطار محرکه، نزدیک به 300 قطعه هواپیما از کامپوزیت ساندویچ لانه زنبوری Nomex ساخته شده است. تمام قطعات از مواد هسته لانه زنبوری Nomex با 3 تراکم و 12 مشخصات استفاده می کنند. مقدار مواد هسته لانه زنبوری Nomex در کل بدنه بیش از 200 متر مربع است و مساحت پوشش آن حدود 80 درصد از کل بدنه را تشکیل می دهد که یکی از انواع هواپیماهایی است که در حال حاضر در چین بیشترین استفاده را از کامپوزیت های ساختاری ساندویچ لانه زنبوری Nomex دارد.

004 کاربرد ساختار ساندویچی لانه زنبوری در کفپوش هواپیماهای غیرنظامی

4.1 وضعیت تحقیق کفپوش محفظه مسافر و بار هواپیما

طبقات معمولی هواپیماهای مسافربری و باربری از فلز ساخته شده است. هر طبقه دارای صدها پرچ و پیچ است، اما همچنین نیاز به استفاده از لنت های الاستیک و جداسازی ساختار بدنه دارد و بنابراین گران است. و استفاده از مواد کامپوزیت می تواند تا حد زیادی ساختار کف را از استحکام، سفتی، خستگی و مقاومت در برابر خوردگی بهبود بخشد، می تواند اتصالات را با یک مرتبه قدر کاهش دهد و می تواند وزن ساختار کف را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

پانل ساختار ساندویچی کامپوزیت کف هواپیما معمولاً از پیش آغشته الیاف شیشه، فیبر کربن و پیش آغشته کولار ساخته می شود و ماتریس از رزین اپوکسی یا رزین فنولیک انتخاب می شود. هسته های لانه زنبوری معمولاً با لانه زنبوری Nomex استفاده می شود.

شکل.4 کفپوش محفظه بار و مسافر هواپیما

4.2 کاربرد سازه های ساندویچی در طبقات

کف کابین اصلی هلیکوپتر شینوک مدل 234 بوئینگ دارای ابعاد 2.5 در 2.2 متر است و از چهار پنل تشکیل شده است. پانل ها از کامپوزیت های فایبرگلاس/Kevlar49 با هسته های لانه زنبوری Nomex هستند و کف ساندویچی دارای چهار لایه لایه های بالایی و پایینی هر کدام است که متقارن با هسته لانه زنبوری در وسط است. لایه های اول و دوم از نوع پیش آغشته سازی الیاف شیشه 0 درجه و لایه های سوم و چهارم از پیش آغشته سازی الیاف Kevlar49 در جهت صفر درجه هستند. هسته Nomex دارای ارتفاع 38 میلی متر، طول سلول 2 میلی متر و تراکم 48 کیلوگرم بر متر مکعب است. پانل ها و هسته با فیلم چسب EA9 به هم چسبانده شده اند. ساختار ساندویچی کامپوزیتی نیز برای کف کابین هواپیماهای بوئینگ 777، بوئینگ 787 دریم لاینر و سایر مدل های هواپیما انتخاب شده است.

MC GillCorp. تولید پانل ساندویچی Gillfab4223 انتخاب پارچه فایبرگلاس، ماتریس برای رزین فنولیک، هسته برای لانه زنبوری متا{4}}آرامید GillcoreHD، انتخاب فیلم چسب سیستم اپوکسی. ضخامت کل ساختار ساندویچی 12.6 میلی متر، ضخامت پانل بالایی 1.27 میلی متر و ضخامت پانل پایین 0.508 میلی متر است. ساختار ساندویچی Gillfab4223 در ایرباس A318/ A319/ A320/ A321/ A330/ A340/ A300/ A310/ A300-600 استفاده می شود. MC GillCorp. تولید پانل ساختار ساندویچی Gillfab4505 انتخاب کمربند یک طرفه فیبر کربن (لایه سطحی برای پیش آغشته کردن الیاف شیشه)، ماتریس برای رزین فنولیک، هسته برای لانه زنبوری متاآرامید GillcoreHD، انتخاب فیلم چسب سیستم اپوکسی. ضخامت کل ساختار ساندویچی 9.5 میلی متر و ضخامت پانل های بالایی و پایینی 0.5 میلی متر است. ساختار ساندویچی Gillfab4505 در ایرباس A318/A319/A320/A321/A330/A340 استفاده می شود.

کف بار Fokker 100 یک ساختار نسبتاً ساده است که یک ساختار ساندویچی مرکب با پوسته خارجی از ورقه‌های-کامپوزیت گرمانرم با کارایی بالا و هسته لانه زنبوری Nomex است. پوست و هسته با یک فیلم اپوکسی به هم چسبانده می شوند.

کف محموله مدل خاصی از ساختار ساندویچی لانه زنبوری Nomex با قالب‌گیری پرس داغ با استفاده از رزین فنولی تقویت‌شده با الیاف شیشه‌ای خود ساخته{{0}به عنوان ماده خام پانل توسط Niu Fangxu و همکاران تهیه شد. از Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. خواص مکانیکی و خواص بازدارنده شعله کف به طور سیستماتیک مورد ارزیابی قرار گرفت و اثرات نوع پیش آغشته، دمای پخت و فرآیند قالب‌گیری بر روی خواص مکانیکی پانل‌های لانه زنبوری مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و عوامل مؤثر بر ویژگی‌های بازدارنده شعله پانل لانه زنبوری مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که ویژگی‌های مکانیکی کف محفظه بار تهیه‌شده با-پیش‌آب‌سازی خودساخته، با بار نهایی خمش پرتوهای بلند تا 4348 نیوتن، انحراف تنها 6.79 میلی‌متر در بار 445 نیوتن، عملکرد ضربه تا 17.1 میلی‌متر تا 17.1 میلی‌متر تا 17.1 میلی‌متر، قدرت غلتکی تا 4} میلی‌متر تا{06 ژول، بسیار عالی است. و در عین حال، رعایت الزامات سختگیرانه برای بازدارندگی در شعله، که می تواند جایگزینی موضعی مواد کفپوش را برای فضای محموله فله هواپیما محقق کند.

005 نتیجه گیری

سازه ساندویچی لانه زنبوری با استحکام بالا، سختی ویژه بالا و چگالی کم، با بهره مندی از خواص فشاری و خمشی خوب، در کاربردهای زیادی در زمینه هواپیماهای غیرنظامی مورد استفاده قرار گرفته است. این مقاله پیشرفت تحقیقات و وضعیت توسعه ساختار ساندویچی لانه زنبوری را تجزیه و تحلیل می‌کند، کاربرد آن را در سازه‌های هواپیمای معمولی بررسی می‌کند و نتیجه می‌گیرد که با توسعه و تولید هواپیمای داخلی C919/C929، ساختار ساندویچی کامپوزیت برای کف هواپیما دارای طیف گسترده‌ای از چشم‌اندازهای کاربردی است.(منبع: کامپوزیت فیبر)