航空航天結構材料的案例
航空航天材料的選擇及應用
航空航天材料的服役環境
航空航天材料除了經受高應力、慣性力外，航空飛行器還要經受起飛和降落、發動機振動、轉動件的高速旋轉、機動飛行、突風等因素導致的沖擊載荷和交變載荷。發動機燃氣以及太陽輻照導致航空器處于高溫環境，隨著飛行速度提高，氣動加熱效應凸顯，產生“熱障”。此外，還要經受交變溫度，在同溫層以亞音速飛行時，表面溫度會降到-50℃左右，極圈以內地域的嚴冬環境溫度會低于-40℃，金屬構件或橡膠輪胎容易產生脆化現象。汽油、煤油等燃料和各種潤滑劑、液壓油，多數對金屬材料產生腐蝕作用、對非金屬材料產生溶脹作用，而太陽輻照、風雨侵蝕、地下潮濕環境長期儲存產生的霉菌會加速高分子材料的老化過程。
航空航天材料的選擇及應用
航空航天飛行器長期在大氣層或外層空間運行，在極端環境服役還要有極高可靠性和安全性、優良的飛行性和機動性，除了優化結構滿足氣動需求、工藝性要求和使用維護要求外，更有賴于材料的優異特性和功能。
展開 （網絡研討會）復合材料結構仿真分析技術在航空航天領域的應用
Samcef Composites在歐洲航空航天業界有著非常廣泛的應用，空客已經采用Samcef Composites做復合材料結構分析有二十余年，基于CAESAM平臺和SAMCEF求解器打造的結構分析平臺ISAMI更是被空客全球及其供應商作為統一的結構分析平臺使用。此外EUROCOPTER、EADS、SAFRAN、DLR、LATECOERE、SONACA、ENSICA、ENS、GE、ALSTOM、CITROEN等眾多全球知名企業也都在采用SAMCEF Composites進行復合材料結構分析，SamcefComposites軟件在復合材料方面的專業性和實用性也得到了廣泛的認可。[/p][p=24, null, left]本次會議中，主講人將結合應用案例，講解復合材料強度分析、經典失效分析、線性、非線性屈曲和后屈曲分析、復合材料層間和層內損傷分析、集成到KBE工具（CAESAM）的復材結構分析平臺、復合材料結構優化、編織和纏繞復合材料分析。
展開 網絡公開課 — 復合材料結構仿真分析技術在航空航天領域的應用
在科技高速發展的今天，隨著新型復合材料被不斷的開發出來，復合材料在航天、航空、汽車、造船、建筑、電子、橋梁、機械、醫療和體育等各行業都得到了廣泛的應用。復合材料有著耐用性、重量輕、耐腐蝕、強度高、低維護等諸多優勢，更向著耐高溫、高伸長率、高韌性和多功能的高性能復合材料發展，同時，由于復合材料具有各向異性、耦合效應、層間剪切等特殊性質，因此復合材料結構的精確仿真，已成為國內外研究的重點和迫切需求。
本次會議中，主講人將結合應用案例，講解復合材料強度分析、經典失效分析、線性、非線性屈曲和后屈曲分析、復合材料層間和層內損傷分析、集成到KBE工具（Caesam）的復材結構分析平臺、復合材料結構優化、編織和纏繞復合材料分析。
時間：2015年9月25日
星期五
上午10:00-11:40
費用：免費
主講人： 葉梟 LMS Samtech 技術工程師
內容安排：
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LMS Samcef Composites復合材料解決方案總體介紹
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Samcef Composites復合材料建模和求解方法介紹
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Samcef Composites復合材料非線性屈曲和后屈曲分析
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Samcef Composites復合材料漸進損傷分析
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Samcef Composites復合材料優化分析
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Caesam復材結構分析客戶定制化開發及在空客的應用
報名鏈接：https://siemensplm-cn.webex.com/siemensplm-cn-sc/onstage/g.php?d=865250111&t=a
展開 航天航空CAE精選資料合集：復合材料、結構分析、噪聲等實例、視頻、文檔、白皮書...
目錄
一、了解航空航天和國防行業的新復合材料趨勢
二、制造網絡安全：數字線程中的數據保護
三、通過創成式設計和先進復合材料重塑航空產品設計
四、探索新一代航空航天設計
五、借助仿真工具，盡早實現飛機系統的虛擬集成
六、飛機結構分析：如何實施飛機結構全局仿真過程
七、降低飛機噪音
課程簡介
一、了解航空航天和國防行業的新復合材料趨勢
（1）航空復合材料
了解航空航天和國防工業設計專家認為至關重要的復合材料新趨勢。通過本白皮書，您還可以了解回彈和制造規劃。
（2）A&D 行業的復合材料趨勢
復合材料對航空航天及國防 (A&D) 行業的重要性日益凸顯。事實上，Tech-Clarity 的“市場復合材料現狀”(Composite State of the Market) 研究表明，如今的 A&D 公司正爭先恐后地改用復合材料，以期減輕重量、提升性能并改善燃油經濟性。該研究還發現，盡管復合材料具有顯著優勢，但出于材料成本的考慮，各大公司應設法對其進行更深入的了解。
二、制造網絡安全：數字線程中的數據保護
應用增材制造技術時，全球的設計人員和制造商都對設計數據的安全性表示關注。Identify3D的這份白皮書討論了增材制造工作流程中，如何共享數字產品數據，以及如何更好地保護這些數據。
使用增材制造技術作為最終制造方法時，通過Identify3D和西門子的產品，您可以確保從設計到制造的整個增材制造數據鏈，以保證數字數據和物理印刷產品的完整性。
展開 
航空航天鋁合金材料發展方向及工藝處理
該系列鋁合金最初是在航空航天的應用背景下研發的，目前已發展成為世界各國軍、民用飛機的主要結構材料，在飛機結構件中占到70-80%比重，并在很多領域替代了昂貴的鈦合金，成為不可缺少的重要輕質結構材料。隨著現代航空航天領域，核工業，交通運輸業的持續發展，對結構件的綜合性能提出了更高的要求，集質輕、高強、高韌、高斷裂韌性、抗應力腐蝕能力于一身的新一代超高強鋁合金無疑是首選方案。
航空航天用鋁合金發展背景及現狀
鋁合金作為一種較為成熟的輕質高強合金材料在航空航天中的使用量巨大，鋁合金材料一般作為結構材料使用，比鋼有更高的比強度和更優異的加工性能。
航空航天領域主要發展高強、高韌性和耐腐蝕性強的鋁合金材料以滿足航空航天嚴苛的使用條件，應用比較多的為2000系和7000系鋁合金，在高強鋁合金的基礎上進行工藝的改良和材料配方的改進，通過粉末冶金、噴射成型等創新的生產工藝發展性能更優異的輕質鋁合金材料，開展鋁基復合材料及超塑性鋁合金材料相關研究。
在輕質高強鋁合金的發展應用過程中，應力腐蝕問題是伴隨鋁合金的整個應用發展史之中的主要問題，如何削弱或延緩高強度鋁合金在使用過程中的應力腐蝕問題，成為鋁合金應用過程中的主要難題。
在航空航天領域應用較多的有2000系鋁合金的主體成分主要是鋁(Al)、銅(Cu)、鎂(Mg)3種元素，7000系的鋁合金主要成分是Al、鋅(Zn)、Mg、Cu元素，還有一些通過加入一些特殊元素獲得的高性能(高強、高韌、耐腐蝕性能)鋁合金材料。
展開 比鋼強10倍，比鋁高8倍|可用于航空航天結構件的3D打印連續纖維復合材料
航空中的碳纖維：不是金屬，勝過金屬
隨著材料學的發展，金屬已經不再是我們的唯一選擇，有大量的非金屬材料因為特殊的性能而被被應用到航空發動機中，如陶瓷材料和碳纖維。陶瓷因為其極佳的耐高溫性能而有可能在未來的航空發動機高溫部件中得到使用；碳纖維則以優秀的比強度、比模量等綜合指標被航空航天工業青睞。
碳纖維相比于金屬材料最明顯的一個優點就是—輕。碳纖維密度一般在1400~2000kg每立方米，經過環氧樹脂強化的碳纖維密度也不過1600kg每立方米而已，遠遠好于金屬材料。
而且這種材料抗拉強度極高，想要拉斷高強度碳纖維材料需要用拉斷同樣橫截面積鋼鐵的力的兩到四倍。
碳纖維（后三行）與金屬材料的對比
另外，碳纖維跟金屬材料不一樣，碳纖維材料并沒有所謂“疲勞強度”的概念，也就是說變化的力對于金屬材料來說是一種威脅，需要重點關注，但是放在碳纖維這里卻不叫什么事情。
上面這些優點對于航空器材可以說是至關重要，因為這些東西是要飛上天的，所以自然是越輕越好，而且像航空發動機這樣的裝置，需要承受巨大、復雜的載荷，工作狀態下零件內部會分布有復雜變化的載荷，有這么一種密度小、強度高、抗疲勞能力強的材料自然是極好的。
碳纖維在航空航天領域的應用非常廣泛，它可以被用來制造火箭的燃料儲藏罐，也可以用來制造飛機的外殼。尤其是現在先進民用客機制造中，碳纖維的使用比例已經超過了50%。
展開 航空航天系統工程-載荷和結構
面板點荷載是將剪力、力矩和扭矩轉換為點軸力和壓力，應用于整個結構的理想化表面，即棒材和面板。
這個理想化的表面（包括撐桿、弦桿、肋骨、表皮、框架等）被稱為有限元模型（FEM）。外部荷載作為力（最多三個方向）施加在桿件交接處，或作為壓力施加在面板上。載荷團隊將這些結果，即面板點載荷，輸出給應力分析團隊。然后，應力團隊將面板點載荷應用于有限元分析。輸出是內部載荷、軸向桿件載荷和面板的剪切流。在這一點上，可以開始對結構成員進行詳細的應力分析。
載荷團隊與一些團隊密切合作，特別是空氣動力學穩定性和控制團隊和機體應力分析團隊。這些信息可以分為質量、空氣動力學、幾何學和系統數據。需要大量的空氣動力學數據，這些數據來自風洞試驗或從理論上計算出來的。
航空小組-穩定和控制以及設計和載荷-提供力和壓力系數。
重量組提供集中和分布的質量和重心數據（發動機、起落架和APU是集中質量的例子）。這個數據對于固定面和控制面是需要單獨提供的。重量組還以兩種形式提供這個數據：以磅/英寸為單位的分布式重量和以艙位為單位的總重量。
艙位屬性包括艙位重心。
燃料管理和航電組提供系統參數，如燃料使用計劃、控制面率、自動駕駛儀權限和穩定器調整率。
發動機性能組提供推力和轉速數據。
液壓組提供控制面的運動率。
在計算速率之前，載荷組首先向液壓組提供空氣動力鉸鏈矩數據。負荷組的主要客戶是空氣框架應力組、疲勞和損傷容限組以及室內設計組。
展開 航空航天新復合材料…
文末可以免費領取西門子官方《航空航天及國防行業的復合材料趨勢》PDF文檔，以了解航空航天的復合材料新趨勢，同時了解回彈和制造規劃。
復合材料已在民用飛機的結構上廣泛應用。復合材料的最大優點是耐腐蝕和對疲勞不敏感，以及可以有效的減輕飛機的重量。因此研究飛機復合材料維修具有較高的實際工程意義。
1 飛機復合材料
1.1應用種類
飛機復合材料結構通常被稱為"纖維增強塑料"。這是因為它使用高強度的纖維增強材料，嵌入在一種樹脂基體里，以層或層片的形式疊加起來，形成層板。然后使用一種精確控制的加壓加熱工藝把該層板固化為一種非常堅固和堅硬的結構。
組成飛機復合材料的組元有纖維增強材料，基體和界面層。
纖維增強材料體是承載的組元，均勻地分布在基體中，并對基體起增強（韌）作用；
基體是起著連接纖維增強材料，使復合材料獲得一定的形狀，并保護纖維增強材料的作用；
界面層是包覆在增強體外面的涂層，其功能是傳力，同時防止基體對纖維增強材料的損傷，并調節基體與纖維增強材料之間的物理、化學結合狀態，確保纖維增強材料作用的發揮。
通過界面層產生的復合效應，可以使復合材料超越原來各組元的性能，達到最大幅度改善強度或韌性的目的。飛機復合材料不但是多組元的材料，而且，材料的機械性能和物理性能隨方向而變化，也是各向異性的材料。
2 復合材料的損傷
2.1復合材料基體樹脂裂紋損傷
復合材料層合板在承受拉伸載荷或交變載荷時，我們首先能在偏軸層內觀察到基體裂紋。
展開 復合材料在國內外航空航天領域的應用
由于復合材料具有質量輕、較高的比強度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、導熱、隔熱、隔音、減振、耐高（低）溫、耐燒蝕、透電磁波, 吸波隱蔽性、可設計性、制備的靈活性和易加工性等特點，所以是制造飛機、火箭、航天飛行器等軍事武器的理想材料。
自從先進復合材料投入航空航天應用以來，有三件值得一提的成果。第一件是美國全部用碳纖維復合材料制成一架八座商用飛機-里爾2100號并試飛成功；第二件是采用大量先進復合材料制成的哥倫比亞號航天飛機，這架航天飛機用碳纖維/環氧樹脂制作長18.2m、寬4.6m的主貨艙門，用凱芙拉纖維/環氧樹脂制造各種壓力容器。在這架代表近代最尖端技術成果的航天飛機上使用了樹脂、金屬和陶瓷基復合材料；第三件是使用了先進復合材料作為主承力結構，制造了可載80人的波音-767大型客運飛機，不僅減輕了重量，還提高了飛機的各種飛行性能。
復合材料在這幾個飛行器上的成功應用，表明了復合材料的良好性能和技術的成熟，對于復合材料在重要工程結構上的應用是一個極大的推動。
展開 全球復合材料供需基本平衡 航空航天領域成碳纖維復合材料最大應用市場
1、玻璃纖維復合材料需求結構
玻纖具有輕質量、高強度、耐高低溫、耐腐蝕、隔熱、阻燃、吸音、電絕緣等優異性能以及一定程度的可設計性，因此在交通運輸、建筑、電子電器、管道、化工、環保以及國防軍工等領域實現較大規模應用。
在全球玻纖消費市場中，玻纖的主要應用領域集中在建筑、交通運輸、工業應用、電子電氣、新能源等領域，占比分別達32%、28%、21%、11%和8%。
2、碳纖維復合材料需求結構
目前，航空航天領域是碳纖維主要應用領域之一，這主要得益于碳纖維具有質輕、高強度的屬性。碳纖維相對于鋼或鋁，減重效果可以達到20%至40%，在航空航天領域，主要應用于飛機的結構材料（占飛機重量的30%左右），因此綜合來看碳纖維的使用能使飛機重量減輕6%至12%，從而顯著地降低飛機的燃油成本。在航空航天領域，碳纖維最早用于人造衛星的天線和衛星支架的制造，同時因其耐熱耐疲勞的特性，碳纖維在固體火箭發動機殼體和噴管上也得到了廣泛應用。
除航空航天領域以外，碳纖維復合材料也廣泛應用于體育用品、風電行業、汽車制造、船舶、電子電氣等領域。從需求占比來看，目前航空航天、體育用品、風電行業、汽車制造幾大領域的需求規模占比分別為48%、13%、12%、8%。其他應用領域占比均在5%及以下。
綜上所述，目前，全球復合材料行業供需基本平衡。份地區來看，北美地區復合材料行業產值最高，產業結構高端，而中國大陸地區雖然產值較高，但產業結構較低端。從應用領域來看，玻璃纖維復合材料在建筑、交通運輸、工業應用領域應用廣泛，而碳纖維復合材料在航天航空、體育休閑、風電葉片領域應用廣泛。
展開 復合材料在國內外航空航天領域的應用
由于復合材料具有質量輕、較高的比強度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、導熱、隔熱、隔音、減振、耐高（低）溫、耐燒蝕、透電磁波, 吸波隱蔽性、可設計性、制備的靈活性和易加工性等特點，所以是制造飛機、火箭、航天飛行器等軍事武器的理想材料。
自從先進復合材料投入航空航天應用以來，有三件值得一提的成果。第一件是美國全部用碳纖維復合材料制成一架八座商用飛機-里爾2100號并試飛成功；第二件是采用大量先進復合材料制成的哥倫比亞號航天飛機，這架航天飛機用碳纖維/環氧樹脂制作長18.2m、寬4.6m的主貨艙門，用凱芙拉纖維/環氧樹脂制造各種壓力容器。在這架代表近代最尖端技術成果的航天飛機上使用了樹脂、金屬和陶瓷基復合材料；第三件是使用了先進復合材料作為主承力結構，制造了可載80人的波音-767大型客運飛機，不僅減輕了重量，還提高了飛機的各種飛行性能。
復合材料在這幾個飛行器上的成功應用，表明了復合材料的良好性能和技術的成熟，對于復合材料在重要工程結構上的應用是一個極大的推動。
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拓撲優化技術在航天航空結構增材制造設計中的應用
在航天航空領域，復雜多變的天氣對飛行器的結構設計、材料和制造等提出了更高的要求。迫切需要通過制造技術的創新實現結構的輕量化、結構一體化以及提高產品生命周期性能的制造技術。
增材制造俗稱3D打印，顛覆了傳統制造技術，可以精密地制造出復雜形狀的零件，從而實現了零件"自由制造"。而且相比傳統制造業，產品結構越復雜，增材制造的優勢也越明顯。
無疑，無論是實現輕量化、結構一體化還是以提高產品生命周期性能為目標，設計都發揮著至關重要的作用。本期增材專欄將通過案例展示如何以產品性能驅動為設計導向，實現飛機結構件的優化。
本案例展示了拓撲優化在開放性設計中的分析流程及方法，主要工作可總結為三點：
1、采用拓撲優化方法得到仿生形態的結構構型，以此作為概念構型；
2、基于拓撲優化的結構進行幾何重構，以此作為輕量化設計的初始模型；
3、結合有限元分析對上述重構后的幾何體進行迭代修改，實現輕量化設計。
加快設計與驗證的循環
大型整體鈦合金結構在現代飛機結構中的應用越來越廣泛，同時一些結構具有復雜的形狀或特殊性。傳統制造方法無法滿足航空企業對新型號的快速低成本研制的需求。而增材制造技術可以制造超大、超厚、復雜型腔等特殊結構。
因此，增材制造技術不僅可以滿足航空結構的復雜性要求，還可以降低生產成本并完成定制化的快速生產。增材制造技術實現了設計革命，徹底解放了設計工程師的思維，實現了“所想即所見”。
采用增材制造技術，快速準確地制造并驗證設計思想在飛機關鍵零部件的研制過程中已經發揮了重要的作用。
展開 LIFT最新項目聚焦航空航天領域輕量化結構
根據美國未來輕量化材料制造（LIFT）創新機構公布的最新一輪技術項目，航空航天領域的潛在應用技術在其中占據了重要比重。在公布的五個制造技術項目中，研究范圍涉及從熱溫氣體成型技術到基于現有理論的自動裝配技術，波音公司將牽頭其中的2個項目，吉凱恩航宇技術公司（GKN）負責2個項目，聯合技術公司（UTC）負責另外1個項目。項目經費主要來自政府和工業界，資金總額將超過650萬美元。
在一個總價值187萬美元的項目中，由吉凱恩公司領導的團隊將開發一種熔融金屬氣體輔助成型技術和預測分析建模能力，其目標是提高復雜輕質成型零部件的尺寸精度和機械性能。
同樣由吉凱恩公司領銜，聯合技術公司（UTC）、洛克希德·馬丁公司和意大利柯馬公司聯合參與的一項總價值145萬美元的項目，將論證利用金屬薄板自動焊接工藝制成復雜結構的能力。LIFT表示，復雜金屬薄板結構的自動焊接工藝已經被認為是非常困難的。該項目還將開發一種全自動機器人鎢電極惰性氣體保護焊功能，其中的參數可以沿著接頭長度連續調節，以調整適應多變的臨時裝置。
兩個新的輕量化材料制造創新項目涉及輕型航空航天結構的攪拌摩擦焊工藝。
由波音公司牽頭實施的一項耗資88.1萬美元的項目，將與吉凱恩公司和MTI公司合作，推進密封接頭攪拌摩擦焊，這種工藝的進步將有可能取代真空釬焊或密封劑和粘合劑。波音公司的另一個項目，總價值144萬美元，吉凱恩公司和Materion公司將予以支持，三家公司將合作把攪拌摩擦焊工藝的使用范圍擴展至先進的鋁基復合材料中。
（航空工業發展中心 陳濟桁）
展開 綠色環保的航空航天復合材料發展逐步加快
航空航天企業正致力于減少飛機制造過程中產生的難以回收的復合材料對環境造成的負面影響。除了近期波音公司宣布與英國一家企業合作，將飛機制造過程中產生的多余復合材料從生產線上回收以應用到汽車等設備的制造中，另一家來自法國的企業也正致力于開發一種從竹子中提取纖維制成的復合材料，用以取代傳統的利用聚合物生產飛機客艙內飾的材料。
一、波音公司與來自英國的ELG碳纖維有限公司團隊合作回收復合材料廢料
2018年12月5日，波音公司宣布與總部位于英國的ELG碳纖維有限公司合作，共同推進11家飛機制造廠產生的多余復合材料的回收，并將其轉化到電子配件和汽車設備中取得再利用。位于加拿大、中國和馬來西亞的另外3架飛機制造廠也將在后續合作中加入其中。
波音公司表示，參與實施這項計劃，可以幫助波音公司的主機場所每年減少超過100萬磅固體廢料，這將有力支持波音公司在2025年前將送往垃圾填埋場的廢料量減少20%的大目標。
因為與鋁合金相比更輕質的特性，碳纖維復合材料廣泛用于生產波音787“夢想班機”和即將推出的波音777X客機。但這種材料的一個主要缺點就是由于材料本身經過了固化，難以再次分解和回收利用，因此大部分碳纖維復合材料的廢料最終都會通過填埋的方式處理，造成環境破壞。為了解決這個問題，英國ELG公司開發了一種可回收固化的航空級復合材料的方法，并將回收的材料應用到其他產品中。
波音公司的發言人表示，從波音公司的材料中回收的纖維，主要將轉化為非織物材料或碳纖維增強的熱塑性化合物。“目前使用回收后產生的非織物材料可以生產的產品包括車蓋、車頂和和風電葉片等。
展開 研發新材料為航空航天飛行器“減負”
公司的另一個創始人安琦親自趕到寶雞的軋制工廠，守著1100℃的加熱爐，監督指導材料軋制加工過程。在團隊的協作下，終于按時將坯料交付機械加工，并最終成功制成了構件。
科研成果通過航天三院測試考核
目前，公司團隊已有6名科研精英，發表期刊論文90篇，其中SCI收錄75篇，國家發明專利授權13項。
他們研制的航天發動機鈦基復合材料氣動格柵已成功通過了航天三院地面測試考核，實現單件減重5.8公斤，下一步將進入應用階段。已研制出的高端緊固件在航天上獲得應用，團隊正在進行研制中介機匣、頭部殼體、渦輪泵等，以實現為航空航天飛行器“減負”。
“我們會繼續進行鈦基復合材料產業化研究，攻克大尺寸高性能網狀結構鈦基復合材料坯料生產、熱加工成型以及復雜構件的機械加工和連接工藝，實現網狀結構鈦基復合材料精確設計與穩定化制備，實現網狀結構鈦基復合材料的產業化。”姜山告訴記者，他們的最終目標就是將科研成果應用到航空航天事業中，助力國家航空航天與國防事業騰飛發展。
來源：哈爾濱新聞網
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