干货·复合材料 机身板与桶之争

本文是杨超凡研究员原创于2019年02月15日。

复合材料代替金属制造结构件，一个主要原则产品集成设计。尽量减少零件数量、减少连接件，特别是尽量少用或不用金属紧固件。波音787遵循这个原则。整个机身壳体由5个筒体和一个半圆壳组成。机身纵向无对缝。空客A350整个机身壳体由18个复材曲面板、一个铝锂合金曲面板、一个筒体组成。(图1. )

图1. 组成机身的组合件数量对比

A350机身纵向有4条对缝。每条对缝有4排金属紧固件 (图2. ) 。机头5块板件组合，又要用较多的紧固件。

图 2.  机身段桶体对缝及4 排紧固件

A350比787多一道由壁板组合成桶体段的装配工作（图3、4）。

图3. 4块曲面板装配成机身段桶体

图4. 5块板件装配成机头

综上，用树脂基碳纤维复合材料制造机身，波音787组件少、连接件少、使用的紧固件少、结构重量轻、装配周期短。空客A350正好相反。唯一的是，机身段对接面，A350比787少一个。

空客A350机身板件，看似尺寸小、固化所用的热压罐直径也小。实际在制造过程中，工序繁琐、手工工作量大、总的固化周期长。A350-900前、后机身板件，铺放蒙皮是在型面垂直地面、悬空放置的凸模上完成。铺放完成后，凸模转身，蒙皮向下，蒙皮落入殷钢凹模中。接着在蒙皮内手工，一根一根定位长桁。随后连同凹模一块进入热压罐固化（图5- 图10）。（也有用工装定位长桁，见图11）。固化得10小时左右。18块板件、一个桶体，得进19次热压罐。总固化时间190小时。

      图5. 在凸模上铺放纤维，制造机身蒙皮（上）

蒙皮铺好后，连模具一块翻身（下）

图6. 铺好蒙皮的凸模在运输车上，进入翻转架（上）

运输车退出后，带蒙皮的凸模向下翻转（下）

图７.  载有凹模的运输车进入凸模下面（上）

蒙皮落入运输车中的凹模里（下）

图８. 蒙皮落入凹模中,承载凹模运输车退出 (上)

向蒙皮内表面人工输送已固化的长桁 (下)

图9. 多人定位一根长桁（上）

仔细调整长桁的位置（下）

图10. 用激光测距仪精确测量长桁位置（上）

蒙皮、长桁连同凹模一块进入热压罐固化（下）

（A350蒙皮与长桁共胶接co-bonded。波音787蒙皮与长桁共固化co-curer。787的桶体本质上是一个巨大的大分子—基材树脂都是通过碳纤维增强的交联化学键连接在一起的。）

图11. 在凹模内定位长桁的工装

到研制A350-1000，由于前机身加长了4米,长度达17米、后机身加长了3米，长度达17米,空客改变上述板件制造工艺。直接在殷钢凹模中铺放蒙皮（图12.、图13.）。（CR929前机身试验段的板件采用此工艺）。 

图12. 在凹模内铺放碳纤维带，制造机身蒙皮

图13. 殷钢凹模

波音787机身段的制造工艺简练的多了。机身段巨大的旋转芯模上，有定位长桁的槽口。碳纤维带直接缠绕在装有长桁的旋转芯模上。完成后，蒙皮、长桁、旋转芯模，三者一同进入热压罐固化（图14.）。固化10小时左右。总固化时间60小时。简练的工艺是有代价的。这里热压罐的直径得9米、长度也需要20多米（空客A350机身板件，固化所需的热压罐直径可不超过8米）。

图14. 复合材料整体桶机身制造过程示意

复合材料零件固化后，空客A350接下来的装配工作，仍然沿用传统铆接装配工艺。

波音787在接下来的工作中，采用了一系列的新工艺、新技术。如机身段大型、分块、联锁芯模模具；芯模装配、拆卸装置；由传统的部件装配型架，改成灵活、机动的装配车；研制了适应机身桶体的新型自动钻孔、安装紧固件大型设备；自动激光门、窗开口设备，等（图14.到图21.）。

 图14.  大型分块联锁芯模

图15.   芯模装配装置

图16.  拆卸装置

图17. 激光画线、切割

图18. 自动C扫描检测装置

图19. 机身41段装配车

图20. 机身48段装配车

 图21. 机身41段装配车上,进入自动安装紧固件设备中

综上，A350用复合材料板件制造机身，在复合材料技术上没有重大突破。复合材料板件的制造成为飞机生产的瓶颈。空客不得不，在一开始投产就取消了，座级最少的A350-800项目。另外又投巨资，改变了座级最大的A350-1000的板件制造工装、模具。特别是空客改变了竞争对象。一个全复合材料的A350-1000要与老型号的金属飞机波音777竞争。这一切反映出，空客在A350上使用复合材料技术，不是很成功的。

波音787从碳纤维带开始到制造出机身部件，全面改变了飞机制造工作。整个生产线大量使用机器人自动化设备,她每月可装配14加飞机。从2011年投放市场到2018年底，波音787三个型号已经交付了781架（空客A350两个型号从2014年到2018年底，才交付235架）。波音787它被西方誉为是民机工业的一次技术革命。 

空客A350机身采用4 块板组合桶体，空客A350这条技术路线没有发展前途，它走进了死胡同。

波音787机身整体桶技术，不仅在787上取得了丰厚的效益。而且在航天的乘员舱和低温、液氢燃料箱上已经得到了应用。另外，在丰田Mirai燃料电池汽车上的高压氢存储罐，也得到实际应用。波音787机身整体桶技术，有广阔地应用前景，是一条正确的技术路线。

图22. 丰田 Mirai 燃料电池车

图23. 低温高压液氢罐制造中

图24. 低温高压液氢罐检测中

图25. 航天乘员舱

图26. 低温高压液氢罐制造中

图27. 低温高压液氢罐制造中

结论：

从遵循复合材料代替金属材料，制造受力结构件的原则；整个机身制造过程，采用的先进技术、自动化程度、生产周期；以及技术路线的发展、应用前景，这三方面分析的结果：复合材料机身采用曲面板组合桶体（A350）,远不如机身采用整体桶（波音787）。

CR929机身段不可能全由上海一个厂制造，至少要4-5个工厂共同完成。如果采用曲面板组合桶体，这些工厂投入巨额技术改造资金，只能建成落后于波音的二、三流水平的技术设施。 

引出一个话题：

波音787机身整体筒技术好，这是不容质疑的了。那么CR929机身为何要采用类似A350 用4块板组合机身筒的方案呢？据说其理由（蓝色）如下（对这些理由我在大括号里，逐一作出解释，用红色。）：

整体筒段方案（阳模共固化）结构高度整体化，减重效果明显，装配工作大大简化，但这种工艺制造难度较大、风险较高，波音进行大量的前期研究攻克相关技术难点，其主要问题和难点如下：

1、模具重量大，模具的运输、转移难度大，比如：B787的46段机身的模具重量高达100吨；{用复合材料，模具大概在20吨个左右。100吨是早期的金属模具。复合芯棒不太耐用，但重量只有钢芯的四分之一}

2、模具复杂，设计难度大，而且波音公司申请了专利，国内尚未具备此模具设计能力；{模具是制造中关键之一。设计能力是通过实践培养出来的。不实践，永没有能力。}

3、机身壁板外表面气动光顺性差；{对机身气动表面比机翼低。而且，表面贴膜（surface mastre905）后问题全解决了。}

4、蒙皮与长桁共固化，增加了工艺控制难度，风险高，一旦某个工艺细节控制不好，容易导致整段机身的报废，成本高。{ 787蒙皮与100多根长桁共固化后，得到的筒体，是一个零件。这是应用复合材料技术突出的亮点之一。共胶接的板件，仍是多个零件。共胶接的难度比共固化简单。}

5、需要设计工装使模具在蒙皮铺放过程中协同旋转，而工装需要和铺丝机设备厂商共同开发，国内尚不具备此条件。{现代民机生产线上，使用的大型工装、设备，多数都是专用的。设备的设计、制造与工装协调研制，是一条必由之路。不走，永远不会。}

6、整体筒段机身方案不利于对壁板进行诸如系统协调，试飞改装等的设计更改，否则有可能引起模具报废或返修。{不存在}

7、机身段与段之间的对接缺少可调节余量，容易导致段与段对接不上，B787研制过程中曾经出现过这样的问题。{现代民机机身对接面不留余量，这是上飞厂和原麦道公司在总装MD90工作中激烈争论，取得的成果之一。波音787第一架机身对接，在机头段（41段）与中机身前段（43段）对接是出现间隙和阶差。波音解决此问题不是用留余量来解决的。}

对下面采用分块式机身壁板方案的所谓好处，就不必一一在分析了。

分块式机身壁板方案降低了模具设计难度和成本，而且模具重量轻，便于运输和转移。同时在壁板装配过程中的调节余量大，降低了装配的难度。而采用阴模共胶接的成型方案进一步将复材的制造难度和风险进行了化解和分散，降低了复材制造控制难度，如果一旦出现问题，也不会导致整段机身的报废，同时壁板外表面为贴模面，壁板的气动光顺性好。采用阴模也让壁板的设计更改更容易实现而不会对模具产生影响。采用分块式壁板方案还可以尽可能加长壁板的长度从而减少机身的对接面（A350XWB比B787少一个机身对接），以降低重量。与整体筒段方案相比，分块式壁板方案主要缺点是装配工作量大，连接件数量多，需要特别控制胶接面的质量，增加了一定研发和验证工作量。