空客A400M 翼梁设计和工艺
本文摘要（由ai生成）：
这篇文章主要介绍了空客 A400M 飞机复合材料翼梁的设计和制造。翼梁采用了新的设计和制造系统，以应对巨大的扭矩负载和复杂的轮廓。为了实现自动化生产并达到严格的质量标准，吉凯恩航空公司投资了大型自动铺带机和热褶皱成型器等设备。该工艺的挑战在于发动机连接加强件处添加的额外材料会导致起皱，而通过温和的加工力和层内滑动解决了这个问题。每个机翼的翼梁分为两段，连接板也是复合材料制成。为了解决热膨胀系数不同的问题，吉凯恩航空公司与哈德斯菲尔德大学合作开发了一种软件，可以感应机床的温度、周围的车间环境和部件周围的空气，并计算修正值，使机器能够在不考虑温差的情况下实现零件的尺寸精度。预浸料制造这种翼梁的原因是客户需要一个可以在短时间内完成的低风险计划。
空客 A400M 飞机推出了新的翼梁设计和新的制造系统。
设计结果：
巨大的扭矩负载需要在发动机连接点处 进行局部铺层。
“C 型剖面”翼梁在高载荷区域具有复 杂的轮廓。
制造系统旨在实现高速胶带在平面上铺 设，然后形成双隔膜的通道形梁。
无论出于何种目的， 大型飞机的复合材料翼梁都 是一项新技术，过去在著名但有限的飞机项目中只使 用过两次。第一个例子是霍华德·休斯的胶合板机身H-4 大力神飞行艇， 更为人所知的是云杉鹅（一种薄木层和塑料树脂的复合材料）， 它是二战期间为美军 制作的原型，飞行过一次，但从未投入生产。另一架 是 B2 Spirit 隐形轰炸机，其中只有 21 架从 1993 年开始 为美国空军建造并服役。吉凯恩航空公司（英国怀特 岛考斯） 最近加入了这一选择小组，完成了法国飞机 制造商空客公司 A400M 军用运输机 18.3m/60 英尺主翼梁的设计并制造了第一批复合材料组件。
A400M 被认为是欧洲老旧的 C-130 大力神和 C-160 跨大西洋军用运输机队的更大尺寸替代品。到目前为止，空客公司已经处理了 192 个空运订单， 计划于2007 年年中首航， 2009 年投入使用。A400M 具有 “软 场地”功能，设计用于在短跑道（小于 1150 米/3773 英尺）上起飞和降落，飞机由西方世界最强大的涡轮 螺旋桨发动机提供动力。每个 A400M 翼梁必须承受飞 机的所有正常飞行载荷，以及来自两个襟翼、副翼和 四个扰流板的高度集中载荷。然而，前翼梁必须承载发动机载荷——这是翼梁开发的主要设计驱动因素。
发动机通过扭矩驱动飞机通过螺旋桨，扭矩在前 翼梁上的连接点处产生反作用。每台发动机产生超过 7500千瓦或10000马力(轴马力)的功率，通过减速 箱驱动每台发动机的八个复合材料螺旋桨。四组八个螺旋桨中的每一个由Ratier Figeac (法国 Figeac) 制造，重量约为250公斤/550磅，每架飞机1公吨。螺旋桨以850转/分的起飞功率旋转，产生超过8700牛米(6500磅英尺)的扭矩。该扭矩通过螺栓连接到前翼 梁上的配件获得。通常，翼梁腹板的厚度在发动机附 接点附近为约5毫米至6毫米(约0.2英寸),但在发 动机安装结构的附接点处，腹板和盖的厚度都加倍至 约10毫米/0.4英寸。类似的厚度增加发生在翼梁连接到翼盒的根部附近。这些局部厚度变化给A400M 项目的结构和制造工程师带来了重大的设计挑战。
针对性能和成本进行设计
A400M 计划于 2009 年投入使用，将取代欧洲 老化的 C- 130 大力神和 C- 160 跨大西洋军用运 输机队。 GKN 的复合材料翼梁将处理所有机翼 的空气载荷以及来自西方世界最强大的涡轮螺旋桨发动机的扭矩过载。
任何现代飞机项目的主要标准之一都是按照严格 的成本目标进行设计。在这种情况下，这意味着创建 一个可以通过自动化过程生产的翼梁设计， 然后设计 一个制造系统，该系统能够制造出如此大、复杂的零件，达到如此重负载的主结构所需的严格质量标准。
吉凯恩（GKN Aerospace） 的技术总监兼首席技术专 家菲尔·格兰杰（Phil Grainger）解释说，像早期 A400M 翼梁那样，手动建造如此大的零件是缓慢的，通常铺 设速度为 0.75kg/hr（1.5 lb/hr）。然而，在批量生产过程中，将使用自动胶带层（ATL）将零件铺平，随后热覆盖形成 “C 型剖面”。此时，可实现 25 公斤/小 时（50 磅/小时）的铺放速度。 格兰杰强调，在实际零件上，这些是在一个转变过程中可以实现的平均速率。
图1,图片来源：GKN Aerospace
为了实现这 一 过程的自动化，吉凯恩 ( GKN Aerospace) 投资了一个由MTorres (西班牙纳瓦拉)制 造的带有20m/63 英尺床的大型自动铺带机(ATL, 图1)。 自动铺带机能够使用氰特公司(Cytec) 提供的977-2碳 纤维/增韧环氧树脂单胶带，将复杂的预成型件从单向预 浸料中铺设成其开发的形状。为了形成“C 型剖面”预成 型件将从胶带层移动到设备制造商 Aeroform 有限公司(Poole,Dorset, 英国)提供的热褶皱成型器。
图片来源： GKN Aerospace
为了便于抽真空，叠层将夹在由杜邦电子技术公司(俄亥俄州 Circleville) 提供的 Kapton 聚酰亚胺薄膜制成的两个隔膜之间。薄膜之间的空间将被排空，然后从零件上方进行红外加热，在一 小时内将温度提高到 60℃/140°F。这确保了即使在根部最厚部分的中心处的材料也被均匀地加热到相同的温度。然后，将轻轻施加压力以形成层压板，由两个隔板约束在一个轻型工具上，该工具准确地表示翼梁的内表面。这种 C 形过程在20分钟的时间内非常缓慢地实现。（成型后， 丢弃 Kapton薄膜。）
设计该工艺的挑战在于，在发动机连接加强件处添 加的额外材料中， 帽中纵向纤维的路径长度（见图， 右 图） 大于翼梁的其余部分。在大多数工艺中，这会导致 起皱， 导致翼梁最关键部分的性能出现不可接受的退化。 然而， 格兰杰报告称， 在该过程中获得的温和的加工力 允许层内滑动， 这使得具有较短路径长度的材料能够从翼梁的端部挤出。
在盖布成型器完成在工具上形成翼梁后， 叠层将转 移到由因瓦钢制成的第二个凸模中。当翼梁就位时， 将 在几个关键区域手工铺设编织材料的工艺层，其目的如下所述。然后，将在热压罐中常规地固化翼梁。
每个机翼的翼梁分为两段。前翼梁分为 12 米/39 英 尺和 7 米/23 英尺两段，后翼梁分别为 14 米/45 英尺和 5 米/16 英尺。每个翼梁两段之间使用的连接板也是复 合 “C 形通道”，放置在接头的内侧和外侧，并用紧固 件固定。因为翼梁和连接板之间的配合必须精确到 0.25mm/0.01 英寸以内，所以翼梁是在放置工艺层的区域中局部加工的。在通常的实践中，这种接头将使用金属连接板制成，但 GKN 认为， 使用复合材料不仅可以节省重量，还可以降低热应力和腐蚀的可能性。
由于 零件和 由钢制成 的床身之间 的 热膨胀系数 （CTE）不同， 因此加工 14m/45 英尺长的翼梁，这给设 计带来了额外的挑战。钢的热膨胀系数（CTE） 高（12 x 10-6 /°C 或 6.6 x 10-6/°F） ；碳复合材料翼梁的热膨胀系 数（CTE）接近于零。无论环境温度如何，确保翼梁长 度相同的传统解决方案是在空调外壳中操作机床。吉凯 恩航空有一个更聪明的想法。吉凯恩与哈德斯菲尔德大 学（英国哈德斯菲尔德昆斯盖特） 合作开发了一种软件， 可以感应机床的温度、周围的车间环境和部件周围的空 气。然后，它计算软件发送给切割头的指令的修正值， 使机器能够在不考虑温差的情况下实现零件的尺寸精 度。由于该解决方案允许在不使用特殊空调设备的情况 下进行机加工， 因此预计该方法不仅可以消除一部分资本投资， 还可以降低项目寿命内的能源成本。
吉凯恩表示，自动化工艺将能够在 24 小时内生产 出 14 米/45 英尺的翼梁，而不是传统手工上篮所需的六
到八天。
预浸料与树脂膜灌注
航空航天行业的许多人对空客公司和吉凯恩航空 航天公司决定用传统预浸料制造这种翼梁感到惊讶。 吉 凯恩以其在 ALCAS （欧盟复合材料开发计划） 方面的 开创性工作而闻名，在此期间，它通过树脂膜注入（RFI- resin film infusion ）工艺使用无卷曲织物（NCF）建造了翼 梁。格兰杰解释说， 对于 A400M，客户需要一个可以在 短时间内完成的低风险计划。然而，他并不排除在未来 的翼梁中使用 RFI 和纺织技术， 特别是在成本是主要驱动因素的情况下。
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原文见， 《 Composite wingspars carry the enormous turboprop engines 》
更新日期： 2023.12.14 发布日期： 2006.7.6
杨超凡 2024.4.8
