複合ハニカムサンドイッチ構造の民間航空機への応用

抽象的な：複合ハニカムサンドイッチ構造は、高強度、高比剛性、低密度、優れた圧縮特性と曲げ特性などを特徴とする民間航空機の分野で多くの用途に使用されています。応用部品には、胴体、エンジンカウル、フェアリング、ハッチ、アンテナカバー、前縁など。 ハニカムサンドイッチ構造の多くの適用により、航空機構造の重量が大幅に軽減されます。 成形プロセスの進歩と材料特性の改善に伴い、ハニカムサンドイッチ構造は床やその他の主要な支持構造に徐々に適用されています。 この論文はまず、ハニカムサンドイッチ構造の研究の進歩と開発プロセスを分析します。 次に、典型的な航空機コンポーネントへのハニカムサンドイッチ構造の適用について整理します。 最後に、民間航空機の床面へのハニカムサンドイッチ構造の適用の現状を紹介する。

001 はじめに

社会経済の発展に伴い、輸送、特に航空輸送の分野では、構造物全体の軽量化と、軽量化に直接関連する燃料消費量の削減という利点の問題という 2 つの課題が直面しています。 航空分野では、構造重量と燃料消費量が特に重要です。 現在、ハニカムサンドイッチ構造は、航空業界の胴体、ハッチ、翼、尾翼、床、フェアリング、アンテナカバーなどに広く使用されています。 ハニカムサンドイッチ構造により、優れた強度対重量比が得られます。 複合スキンと比較して、厚くて軽量なコアを 2 つの薄くて硬い層で囲んだ構造形式により、横方向および曲げ荷重に対して優れた性能を発揮します。

ハニカムサンドイッチ構造の多くの応用により、優れた圧縮特性と曲げ特性により航空機構造の重量が大幅に軽減され、ハニカムサンドイッチ構造は床などの主要な支持構造に徐々に移行しつつあります。 この論文の内容は主に 3 つの部分に分かれています。まず、ハニカムサンドイッチ構造の研究の進歩と開発プロセスを分析します。 第二に、典型的な航空機コンポーネントへのハニカムサンドイッチ構造の適用と現在使用されているモデルを組み合わせています。 最後に、民間航空機の床へのハニカムサンドイッチ構造の適用の現状を紹介します。

002 ハニカムサンドイッチ構造

バイオニクスに端を発したハニカムサンドイッチ構造は、同種の固体材料に比べて比強度が高く、比剛性が高く、軽量であるという特徴があり、航空、輸送などの分野で広く使用されています。 複合ハニカムサンドイッチ構造は、曲げ剛性を効果的に向上させ、わずかな重量増加で曲げモーメントと圧力に耐える能力を強化することができるため、航空にとってより理想的な軽量構造となります。

複合ハニカムサンドイッチ構造は、パネル、ハニカムコア、接着剤の 3 つのコンポーネントで構成されます。

(1) パネル。 パネルはサンドイッチ構造の主な耐荷重部分です。 パネル材はコア材に比べて高密度、高弾性率、高強度が特徴です。 複合パネルの材料は通常、アルミニウム合金、チタン合金、ガラス繊維強化プラスチックなどの材料です。 炭素繊維またはガラス繊維の一方向テープまたは織物複合材料のほとんどは、現在、航空宇宙構造物に使用されています。

(2) ハニカムコア。 ハニカムサンドイッチ構造の性能とハニカムの形状は、ハニカムコアの材質に関係します。 一般にハニカムコアは材質に応じてアルミニウムハニカムコア、アラミドハニカムコア、グラスファイバーハニカムコアなどがあります。 アラミドハニカムはメタアラミドハニカムとパラアラミドハニカムに分けられます。 メソアラミドハニカムは、m-トルエンジカルボニルクロリド（MDCL）とm-フェニレンジアミン（MPA）の界面重縮合または低温溶液重縮合によって得られるメタアラミドです。 市場で最も一般的なのは、1960 年代にデュポン社によって最初に発明され、使用されたメタアラミドです。 パラアラミドハニカムは、p-フェニレンジアミンと塩化p-フェニレンジカルボニルを重縮合させてパラアラミド（商品名ケブラー）を生成します。 既存のアラミドハニカムコアは主にメタアラミドであり、パラアラミドの研究はほとんどありません。 主なアプリケーションモデルを表 1 に示します。アラミドペーパーハニカム (NOMEX ハニカム) は、フェノール樹脂を湿らせたアラミド紙で作られています。 アラミドハニカムは、アルミニウムハニカムよりもハニカムセルが厚いため、アルミニウムハニカムと比較して、局所的な不安定性に対してはるかに耐性があります。ノーメックスハニカムの製造は、アラミド紙の接着、ラミネート、プレス、切断、延伸、サイジング、浸漬、硬化、スライス。 AVIC Composites Co., Ltd. は、アラミド ハニカムのディップ接着プロセスを改良し、セルや紙の厚さなどのプロセス パラメーターを結論付け、密度制御のための実験式を導き出しました。 Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd.は国産のアラミド紙を使用してハニカムを製造しており、圧縮特性とせん断特性はHB5435-89とBMS8-124の要件を満たしており、誘電特性と難燃特性も満たしています標準的な要件。 中国の煙台スパンデックスグループ有限公司の子会社であるメイシ社は、一連の成熟したプロセスを経て、自社のメタアラミド紙からさまざまなタイプのハニカムコアを製造した。 室温におけるコアとサンドイッチ構造の面内圧縮抵抗とせん断抵抗は、ボーイング BMS8-124 規格の指標値に達することができ、機械的特性の使用要件を満たすことができます。

タブ.1 ハニカムタイプの主な適用機種

(3) 接着剤。 航空用ハニカムサンドイッチ構造に使用される接着剤は、通常、構造用接着剤です。 構造用接着剤とは、使用環境において一定期間内で相当な力に耐えることができ、被着体に見合った強度と耐久性を備えた接着剤です。 樹脂マトリックスは一般に 3 つの主要なカテゴリーに分類されます。 最初のエポキシであるエポキシ樹脂には、優れた仕上がり、長い塗布期間、および 232 度までの最高耐熱性という利点があります。 2 番目のカテゴリはビスマレイミドで、232 度以上の温度に達する可能性があり、主に高温の軍用機で使用されます。 3つ目はシアノ酸エステルの一種で、耐熱性、耐誘電性、耐熱性、耐湿性に優れているため、主に電気的性能が要求される部品に使用されます。 表 2 に示すように航空業界で一般的に使用されているエポキシ樹脂構造用接着剤。米国の Hexcel、Cytec などがこの材料システムのさまざまな用途を開発しており、近年では国内の AVIC Composite Company も中高温用の材料システムを開発しています。 BA9913、BA9916、SY-24C-300などの樹脂系。

タブ.2 国内外の航空構造用接着剤

003 典型的な航空機コンポーネントのハニカムサンドイッチ構造

大型民間航空機に関する限り、ボーイング 747 (1969 年 2 月 9 日に初飛行) はサンドイッチ構造の大部分を使用して設計されました (図 1)。 前縁と後縁を含む翼表面の約半分がグラスファイバーとノーメックスハニカムでできています。 ボーイング747では、胴体の円筒シェルは主にノーメックスハニカムで作られており、床、側板、頭上のゴミ箱、天井もハニカムで作られています。 ほとんどのフラップは同じハニカム構造で作られていますが、アルミニウム製のハニカムやスキンも使用されています。 B787 のハニカムサンドイッチ構造の用途には、舵、エレベーター、翼端、エンジンナセルが含まれます。 このうちエンジンナセルと逆推力装置はHexWebハニカムとHexPly8552/AS4プリプレグで作られています。 HexWeb ハニカムは、軽量、高剛性、吸音性の利点を備え、世界中の主要なエンジン メーカーで採用されています。 ボーイング 707 の場合、ハニカムはわずか 8% ですが、新しいボーイング 757/46 の場合、ハニカムは 46% です。

イチジク.1 B747 サンドイッチ構造アプリケーションの一部の図 (青色の領域)

大型民間航空機へのハニカムサンドイッチ構造の適用は、エアバス A310 航空機の舵で最も早く、その後 A320、A340 の舵に使用されています。 最大のハニカムサンドイッチ構造は A340 舵で、面積は 15.3 m です。²A380航空機の単一航空機の線量は最大で、そのハニカムサンドイッチ構造の量は4,000 mに達しました。²、主にベリーフェアリング、フロアリングなどの大型構造部品に使用されます。また、フロアリングは主にMC GillCorpのGillfab4909サンドイッチパネルで作られています。 ケブラーハニカム。 エアバス A380 の床構造は、多数のノーメックス ハニカム サンドイッチ複合材で作られています。これは、A380 が 20,000 時間の運用寿命に達し、航空機が確実に運航できるようにする優れた材料です。 10年以上。 それ以来、複合材料の使用が大幅に増加し、特に ATR72 はカーボン基本構造 (翼ボックス) の認定を受けた最初の民間航空機でした (図 2 を参照)。 図 3 に示すように、二次構造におけるサンドイッチ材料の割合は減少しています。 A380、ボーイング 787、またはエアバス A350 では、腹部フェアリング、ナセル、前脚ドア、一部のエルロンと舵のみが依然としてサンドイッチ構造で作られており、残りは自己強化モノリシック構造です。

図2 ATR72複合材の応用例

(a) A380のサンドイッチ構造 (b) A350とB787の複合材セットのサンドイッチ構造 構造

イチジク.3 航空機のサンドイッチ構造の図

民間航空機と比較して、一般航空機におけるハニカムサンドイッチ構造の適用は、ホーカービーチクラフ社のプレミアI、ホーカー4000および「プライム・ミ​​ニスター」IA航空機、ボンバルディア・エアロスペース社のリアジェット85航空機などの胴体の使用に主に現れている。 PremierI は、FAA 認定の初の全複合胴体ジェット ビジネス ジェットです。胴体全体はハニカム サンドイッチ構造のカーボン パネルで作られ、全体の厚さは 20.6 mm、胴体には従来のアルミニウム構造に比べてトラスやフレームがありません。重量は 25% 削減され、キャビンスペースは 13% 増加しました。 現在生産されているホーカー 4000 航空機の胴体構造は、翼で接続された 3 つのバレル構造で構成されており、バレルはハニカムサンドイッチ構造であり、外板は MAG シンシナティの Viper 自動ワイヤ敷設機を使用して敷設されています。 Nomex ハニカムサンドイッチ構造複合部品は、フラップ、エルロン、胴体壁パネル、エンジン、コックピット、貨物室、水平尾翼、翼の前縁、ヘリコプターのローターテールビーム、その他の航空機などの航空機部品のロシアで多くの用途に使用されています。コンポーネント。

AVICハルビン航空機工業集団有限公司をはじめとする多数の樹脂マトリックス複合材料（ドローグ、パドル、フラットテール、ローター等）やNomexハニカムサンドイッチ構造複合材料（胴体）の国内生産これにより、機体全体の重量が大幅に軽減され、コンポーネントの疲労強度が向上し、空力特性が向上してヘリコプターの飛行品質が向上します。 エンジンとドライブトレインに加えて、約 300 の航空機部品が Nomex ハニカムサンドイッチ複合材で作られていると推定されています。 すべての部品には、3 つの密度と 12 の仕様の Nomex ハニカム コア素材が使用されています。 機体全体の Nomex ハニカムコア材料の量は 200 平方メートル以上で、その適用面積は機体全体の約 80% を占め、現在中国で Nomex ハニカムサンドイッチ構造複合材を最も多く使用している航空機タイプの 1 つです。 。

004 民間航空機床材へのハニカムサンドイッチ構造の適用

4.1 航空機の客室および貨物室の床材の研究状況

従来の航空機の乗客および貨物の床は金属で構成されています。 各フロアには何百ものリベットとネジがありますが、弾性パッドや胴体構造の隔離も使用する必要があるため、コストがかかります。 また、複合材料の使用により、床構造の強度、剛性、疲労耐性、耐食性が大幅に向上し、コネクタを一桁減らすことができ、床構造の重量を大幅に軽減できます。

航空機床の複合サンドイッチ構造のパネルは通常、ガラス繊維プリプレグ、炭素繊維、ケブラープリプレグで作られ、マトリックスはエポキシ樹脂またはフェノール樹脂から選択されます。 ハニカムコアは通常、Nomex ハニカムで使用されます。

イチジク.4 航空機の乗客および貨物室の床材

4.2 サンドイッチ構造の床への適用

ボーイング社のモデル 234 民間チヌーク ヘリコプターのメイン キャビン フロアは、それぞれ 2.5m×2.2m の大きさで、4 枚のパネルで構成されています。 パネルはノーメックス ハニカム コアを備えたグラスファイバー/ケブラー 49 複合材で、サンドイッチ フロアには上部と下部のパネル レイアップがそれぞれ 4 層あり、中央のハニカム コアと対称になっています。 第 1 層と第 2 層は、0 度方向のガラス繊維プリプレグであり、第 3 層と第 4 層は、0 度方向の Kevlar49 繊維プリプレグです。 Nomex コアの高さは 38 mm、セルの長さは 2 mm、密度は 48 kg/m3 です。 パネルとコアは EA9 接着フィルムで接着されています。 複合サンドイッチ構造は、ボーイング 777、ボーイング 787 ドリームライナー、その他の航空機モデルの客室床にも選択されています。

MCギルコーポレーション Gillfab4223 サンドイッチ構造パネルの製造 グラスファイバー生地の選択、フェノール樹脂のマトリックス、GillcoreHD メタアラミド ハニカムのコア、エポキシ システムの接着フィルムの選択。 サンドイッチ構造全体の厚さは12.6mm、上部パネルの厚さは1.27mm、下部パネルの厚さは0.508mmです。 Gillfab4223サンドイッチ構造はエアバスA318/A319/A320/A321/A330/A340/A300/A310/A300-600に使用されています。 MCギルコーポレーション Gillfab4505サンドイッチ構造パネルの製造 炭素繊維一方向ベルトの選択（ガラス繊維プリプレグの表面層）、フェノール樹脂のマトリックス、GillcoreHDメタアラミドハニカムのコア、エポキシ系の接着フィルムの選択。 サンドイッチ構造全体の厚さは9.5mm、上下パネルの厚さは0.5mmです。 Gillfab4505サンドイッチ構造はエアバスA318/A319/A320/A321/A330/A340に採用されています。

フォッカー 100 のカーゴフロアは比較的単純な構造で、高性能熱可塑性複合材料のシートの外皮とノーメックス ハニカムのコアを備えた複合サンドイッチ構造です。 スキンとコアはエポキシフィルムで接着されています。

Nomex ハニカムサンドイッチ構造の特定のモデルの貨物倉床は、Niu Fangxu らによってパネルの原材料として自作のガラス繊維強化フェノール樹脂プリプレグを使用してホットプレス成形によって作成されました。 床の機械的特性と難燃性が体系的に評価され、プリプレグの種類、硬化温度、成形プロセスがハニカムパネルの機械的特性に及ぼす影響が分析され、影響因子が分析されました。ハニカムパネルの難燃特性を研究しました。 結果は、自社製プリプレグで準備された貨物室フロアの機械的特性が優れていることを示しています。長いビームの曲げの極限荷重は最大4348N、荷重445Nでたわみはわずか6.79mm、衝撃性能は最大4348Nです。 17.1J、ローラー剥離強度最大66.4N・mm/mmを実現し、同時に厳しい難燃性要求を満たし、航空機のバルク貨物エリアの床材の局所代替を実現します。

005 結論

高強度、高比剛性、低密度を備えたハニカムサンドイッチ構造は、その優れた圧縮特性と曲げ特性の恩恵を受け、民間航空機の分野で多数の用途に使用されています。 この論文は、ハニカムサンドイッチ構造の研究の進歩と開発状況を分析し、典型的な航空機構造への適用をさらに詳しく検討し、国産航空機C919/C929の開発と生産により、航空機床用複合サンドイッチ構造は幅広い適用範囲を持つと結論付けています。 (出典: ファイバーコンポジット)