《Commercial Aircraft Composite Technology》
《Commercial Aircraft Composite Technology》商用飞机复合技术
作者：
Ulf Paul Breuer
Institut f€ur Verbundwerkstoffe GmbH
出版社：Springer
出版时间：2016年
目录
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
General Airframe Material Requirements: The Value of Light Weight . . . 1
Aircraft Market Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Next Generation Aircraft Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Lighter Airframes: Contributors and Lever Arms . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
History of Fibre Reinforced Airframe Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Carbon Fibre Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
End of Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 Requirements, Development and Certification Process . . . . . . . . . . . 25
Development Process and Requirement Cascade . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Design Process According to VDI 2221 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Load Cases and Stressing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Damage Tolerance Requirements: The “No Crack Growth” Concept of
CFRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Certification Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Exercise: Simplified Functional Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3 Material Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Selection Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Conventional and New Aluminium Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Fatigue Crack Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Fracture Toughness (Crack Resistance Curve or R-Curve) . . . . . . . . 49
Fibre Metal Laminates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Titanium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
vii
Composite Matrix Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Epoxy Resin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Thermoplastic Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Other Polymer Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Carbon Fibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Thermoset Prepregs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Laminate Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Material Qualification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Material Qualification Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Exercise: Second Source Material Qualification . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4 Manufacturing Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Prepreg Autoclave Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Automatic Tape Laying (ATL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Automatic Fibre Placement (AFP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Pultrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Skin/Stringer Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Autoclave Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Composite Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Textile Infusion Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Thermoplastic Composite Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Filament Winding Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Joining and Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Bolted Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Adhesive Joining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Manufacturing Technology Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Exercise: Manufacturing Technology Selection and Assessment . . . . . . 129
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5 Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Validation and Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Test Pyramid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6 Repair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Maintenance Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Cosmetic and Structural Repair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Bolted CFRP Repair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Bonded CFRP Repair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
viii Contents
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Exercise: Bolted CFRP Repair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7 Flap Design Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
General Procedure, Reference Design and Targets . . . . . . . . . . . . . . . . 163
New Design Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Shell Sandwich Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Multi Spar Design in RTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Multi Spar Design in Thermoplastic Technology . . . . . . . . . . . . . . . 173
Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8 Tailored Wing Design and Panel Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Wing Shape Control by Aeroelastic Tailoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Aeroelastic Tailoring History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Wing Structure Stiffness Tailoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Aileron Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Flutter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Lift Distribution and Drag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Strength Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Wing Panel Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Special Manufacturing Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
9 New Developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Thermoplastic Blends: Low Cost But High Performance . . . . . . . . . . . . 213
Polymer Blends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Blend Morphologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
PPS-PES Blend Developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Conclusion and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Metal and Carbon United: Electrical Function Integration . . . . . . . . . . . 220
Metal Carbon Fibre Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Material Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Analytical Estimations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Material Characterisation: Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . 226
Material Characterisation: Electrical Laminate Properties . . . . . . . . . 227
Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Conclusion and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Shape Memory Alloy Wires: A New Approach to Morphing
Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Function Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Solid State Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Shape Memory Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
Contents ix
Active Shape Memory Alloy: Fibre Reinforced Plastics Hybrid
Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
SMA FRP Manufacturing and Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Shape Memory Alloy Characterisation and Finite Element Model . . . 242
Potential New Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
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