摘要：随着社会的发展，我国的现代化建设的发展也越来越迅速。复合材料具有优异的可设计性，而且具有较高的刚度和强度。另外在抗疲劳方面具有很好的性能，在航天航空结构设计当中获得了广泛的应用。复合材料的用量多少已经是当前对航空航天结构设计先进性进行衡量的一项标志，直升机当中会使用到大量的复合材料，某些机种甚至可以达到1/2以上，国外已经设计了由多种复合材料形成的直升机，本文重点对付直升机复合材料结构装配工艺进行分析和研究，以供参考。
关键词：直升机；复合材料结构；装配工艺研究
引言
出于减重和效率提升等目的，纤维增强复合材料在直升机结构上的用量日益增加。阐述了直升机结构设计特点与高性能复合材料应用的最佳比配性，介绍了国外直升机复合材料典型应用案例与发展趋势，总结了国内直升机复合材料应用现状与国外差距，展望了高性能复合材料未来技术需求。研究表明，国内直升机复合材料应用对比欧美国家存在技术代差；高性能结构复合材料、先进功能复合材料、结构功能一体化复合材料、低成本复合材料整体成型及复合材料高置信度虚拟认证技术是未来发展重点。
1直升机复合材料结构装配工艺概述
和金属结构进行比较可以发现复合材料在制造和装配的过程中优点非常突出，主要是复合材料在加工的过程中可以通过共胶结、共固化的工艺让后续的装配和加工工艺得到简化，防止其他工艺在操作的过程中出现一定的缺陷，让整体结构的综合性能提高。当前很多直升机通过计算机一体化融合技术进行加工，对结构外形进行了大幅度的优化，让螺接、铆接的工艺减少，避免出现应力集中等问题，让飞机的飞行品质和疲劳寿命大幅度提高。由于工艺、设计、运输等方面的需要复合材料。在设计的过程中保留了很多设计工艺分离面和设计分离面，这些分离面需要在装配的过程中和其他结构之间进行对接，而飞机尾段主要是使用复合材料进行装配。
2直升机结构设计特点
直升机低空低速飞行器的任务特性，与高空高速固定翼飞机存在显著区别，主要体现在飞行高度一般在3000m以下，甚至在一树之高15~30m之间，巡航速度约在280km/h，舰载直升机甚至常低空掠海飞行，因此其服役环境极其恶劣，主要为湿/热、干/寒、沙尘/雨淋及海水等自然环境条件。直升机结构选用具有较优耐候性和耐腐蚀性的复合材料，是其环境适应性设计的最佳选择，可满足在上述不同地域、不同自然环境条件下的苛刻使用要求。同时，直升机的最大特点在于其拥有旋翼，旋翼作为直升机独有的动部件，其动力响应产生高周疲劳环境，且直升机在地空地循环效应诱发下存在低周疲劳环境，因此选用具有最佳抗疲劳特性的复合材料将是直升机追求结构效益的最有效途径。直升机结构通常划分为旋翼系统、机体结构和起落架3大类。旋翼系统是直升机的独有技术，包括主旋翼和尾桨，是直升机升力面和操纵面，也是直升机特有的关键动部件。旋翼系统动部件以调频和疲劳强度设计为主，复合材料因其刚度可剪裁特性和优异的疲劳性能被率先选用，并由此带来可观的寿命经济效益。旋翼桨毂受力复杂，其结构、重量、可靠性和维修性一直是设计制造运营等利益攸关方的重点关注点，采用复合材料将带来明显的减重效应，更重要的是可以实现星型柔性桨毂及无轴承桨毂等新构型设计制造，简化桨毂构造、减少零件数目。机体结构是整个直升机的基础，用于支撑和固定直升机的其他部件，如传动系统、发动机系统等，也用于安置机组人员、乘员、设备和货物等。机体结构采用复合材料主要考虑：一方面，直升机外形曲面多为薄壁复杂曲面，但结构受载不大，适宜采用复合材料蜂窝夹层结构，以提高结构刚度及损伤容限，使用安装可靠；同时着眼于结构减重，复合材料用量与机体结构设计重量系数指标密切相关；另一方面积极改进和创新结构设计及制造工艺，如结构抗冲击防雷击腐蚀防护一体化蒙皮、主动抗坠毁防护结构和自动铺带结合非热压罐原位加温加压固化高生存力热塑性复合材料尾梁等。
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3直升机复合材料装配加工工艺及连接工艺
在直升机复合材料进行加工的过程中，主要使用的是铰接，但依然需要螺接和铆接等相关工艺，也需要进行切割、锪窝等工艺加工。
3．1制孔
直升机复合材料主要组成部分为碳纤维复合材料，碳纤维具有较大的硬度，而且耐磨性较高，所以在刀具选择的过程中需要保证耐磨性和硬度，高速旋转的刀具和纤维之间进行接触之后会释放一定量的热，所以一定要保证刀具材料具有一定的耐热性，首选物质硬质合金钻头。复合材料结构制孔的过程中，很多部位是层压板结构，厚度往往在1毫米到4毫米左右，在试验的过程中发现出现制孔缺陷。出现的位置主要在出口、入口处，通过对进给量和刀速的控制可以对分层的情况进行有效的抑制。与此同时，还需要注意在钻孔出口面顶上一层硬质塑料，如果刀速过快，可能会导致制孔的周围产生烧灼的情况。对其原因进行分析主要是制孔的过程中转速比较大，会导致温度进一步升高，如果在操作的过程中处于一个封闭的环境当中，无法有效的将热量及时散发出去，可能会导致温度达到机体烧灼点。
3．2锪窝
整流罩通常条件下使用的是芳纶材料结构，在连接的过程中为了保证外形的美观性，主要通过钛制沉头抽钉，由于芳纶纤维具有较大的韧性，在和树脂之间进行连接的过程中粘接力不高，锪窝困难，在没有特别的锪窝刀具的条件下，在旋转钻头之后放入锪窝表面，可以将纤维迅速切断，并且避免纤维出现劈裂。
3．3切割
复合材料在进行切割的过程中容易出现分层、毛边以及开裂等缺陷，起割和停割处偶尔会产生这种问题，所以需要使用金刚石砂轮进行切割，在切割的过程中一定要保证均匀用力并且控制进刀。在各种飞机过程当中，机体损伤的故障达到了总故障的30%，所以直升机的总寿命主要是由机体寿命决定的，对机体丧失工作能力的原因进行分析的过程中，可以发现疲劳破坏是非常重要的一种原因，有80%以上的疲劳破坏出现在连接处，对螺接和铆接等工艺进行分析，可以发现通过这两种工艺进行处理，可以让飞机的疲劳寿命大幅度的提高。
3．4螺接和铆接工艺及相关技术
通过相关试验分析发现，复合材料和金属材料在连接的过程中，连接部位的纤维对结构的破坏形式和结构的受疲劳寿命有着直接影响，复合材料的破坏往往出现在挤压或者拉拖的混合破坏，合理的进行纤维含量的安排可以将所需破坏的方式设计出来，与此同时，合理的选择抽钉、螺栓等紧固件类型，并且注意装配质量加强也可以控制结构的疲劳寿命，为了避免出现电位腐蚀复合材料，在紧固件选择的过程中主要使用钛质金属。在连接复合材料的过程中，主要使用间隙配合，再配合接头孔附近往往会出现应力集中的情况，导致载荷分配不均匀等问题出现。与此同时，间隙配合很容易导致钉孔和钉杆处之间产生撞击而出现连接层破坏等情况，为了避免这种连接的缺陷，可以使用干涉连接技术。
结语
经过百年发展，直升机在速度、噪声及振动水平控制方面已经取得了长足的技术进步，也在军事、民用领域发挥着越来越重要的作用。这些成就的取得，离不开以高性能复合材料为代表的材料行业做出的卓越贡献。“一代材料、一代装备、技术推动、需求牵引”，未来直升机技术发展离不开材料人的努力和支持，也应该相信，通过直升机平台的需求牵引，未来复合材料技术的发展也势必进入一片新天地。
参考文献
[1]孟雷,程小全,胡仁伟,等.直升机旋翼复合材料桨叶结构设计与选材分析[J].高科技纤维与应用,2014,39(2):16–23.
[2]张冰波,郭恩玉,吕本全,等.复合材料在直升机上的应用[J].科技创新与应用,2013(33):55.
论文作者:孙权
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年18期
论文发表时间:2019/11/7
标签：复合材料论文; 直升机论文; 结构论文; 过程中论文; 工艺论文; 疲劳论文; 机体论文; 《工程管理前沿》2019年18期论文;