纤维缠绕工艺在直升机上的应用

  直升机结构外形的发展和常规定翼机结构相同,早期的直升机结构有构架式、桁架式以及两者混和的结构,其尾粱是由钢管焊接或螺接而成。随着新材料新技术的发展和直升机技术的进步,便出现了纯复合材料层压结构、夹层结构以及复合材料与金属的混合结构。现代直升机由于对性能要求越来越高和一些特殊方面的要求,如隐身性能的要求,直升机的外形也发生了一些变化,机身中段外表面由光滑曲面变为平面(截面形状为近似四边形),尾梁由传统的圆锥体、长圆锥体变成现在的棱形锥体、多边形锥体的外形,以减小雷达散身面积(RCS)。但这些变化不影响缠绕技术的应用。

  当前直升机上可采用缠绕成形的部件除机身和尾梁外有:翼面结构,如桨叶、平尾、垂尾等。桨叶根部、旋翼轴、起落架零件(横管、摇臂和缓冲支柱外筒等)、操纵杆件、传动轴等旋转体部件。以上这些直升机部件的结构特点为缠绕成型方法扩大在直升机上的应用提供了得天独厚的条件。

  座舱骨架

  早期的座舱骨架一般由铝合金梯形管通过焊接组成,各部件在定位型架上焊接成形。随着复合材料的应用和发展,现代直升机为了减小结构重量系数,降低成本等目的而采用复合材料整体设计和制造技术。座舱骨架由于其截面形状多为四边形和多边形。因此选用复合材料制造时,一般采取预浸料铺放或缠绕的方法制造。同样,采用长丝缠绕制造也是可行的,而且有其特有的优势。制造时可将其分为若干段管梁进行缠绕,然后通过胶接加铆(螺)接的方法装配而成。

  机身中段

  机身中段结构是直升机的主承力构件,其结构形状为近似四边形或多边形,适宜采用缠绕工艺方法制造。但此处协调关系多,开口多,受力复杂,且为直升机的主承力部分,采用缠绕技术进行设计和制造有一定困难,需精心设计,可作为缠绕技术在直升机上的一个发展方向。

  据资料介绍,战术运输直升机NH-90的机身是用缠绕工艺方法制成的,其机身是菱形横截面,宽度约2米多,如此庞大的机身结构应用缠绕方法制造成功,在国际上是首例,是复合材料设计和新工艺成功的一个创举。

  尾梁

  直升机尾梁结构多为截面形状为圆形、长圆形、四边形、多边形的锥体,因而非常适合采用复合材料纤维缠绕整体成形的工艺方法制造。美国西科斯基公司ACAP计划设计的S-76全复合材料机身结构,其尾梁就采用了长纤维(石墨纤维/环氧树脂)缠绕成形。

  水平安定面、斜梁等翼面结构

  水平安定面及斜粱若采用长纤维缠绕成形,则可以采取以下两种方法:(1)仅受力盒段采用缠绕技术制造;(2)先计算好翼面结构两端翼形截面的周向长度,由于其为直母线结构,因而可将其先制成圆形或长圆形锥(柱)体结构,再通过上下对合模对其整形、固化制成最终形状。

  起落架零部件

  普通起落架一般选用金属材料制造,重量代价相当大。若采用复合材料制造,减重效果十分明显。特别是起落架零部件多为旋转体结构,如横管、摇臂、减震支柱的外筒等,这为起落架零部件采用缠绕成形技术提供了良好的条件。如美国的HX计划,其起落架横管采用了在钢管套简上缠绕石墨纤维(树脂为环氧)的方法制造,复合材料缠绕横管比钢管减重8.62kg,约44.2%。

  旋翼轴

  通常,主旋翼轴是由韧性好,耐疲劳的合金钢制造。波音公司曾将波音-360型直升机的后旋翼轴用石墨纤维缠绕制成,其长2.1m、底部直径33cm、壁厚5cm。为了在满足强度要求的同时还满足弯曲和扭转刚度的要求,纤维单向缠绕角度取为30°。

  传动轴和操纵杆件

  直升机的传动轴和操纵杆件一般为旋转体部件,像起落架的某些零部件一样,非常适合用缠绕成型工艺制造。主减速器、尾减速器壳体主诚速器和尾减速器壳体形状复杂,长期以来一直用镁合金材料精铸而成,重量重,加工难度大。CH-47型直升机曾用复合材料缠绕法对其进行了制造研究,取得了很大进展。

  由上可见,复合材料纤维缠绕技术可应用于直升机上的许多零部件,开创了复合材料应用的新局面,具有广阔的发展前景。特别是现代纤维缠绕技术综合了原纤维缠绕、纤维铺放技术,可以制造出异形曲面(负曲率)结构,从而扩大了纤维缠绕技术的应用范围,同时低温固化树脂的出现,必将进一步地推动了复合材料纤维缠绕技术的应用与发展。

 

  阅读延伸:《碳纤维缠绕成型的基本流程分析