超级军网大飞机复合材料机翼研制技术现状
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/29 03:01:16
http://www.frponline.com.cn/news/detail_99563_1.html
复合材料因其优越的可设计性、抗疲劳、抗腐蚀以及较高的减重效率，已经成为目前各种先进飞机结构的必选材料。复合材料在国外先进飞机上的应用比例逐年提高，波音787飞机复合材料应用比例已经超过50%，空客从A310的5% 复合材料到A380的25%，最新研制的A350XWB已经超越波音787的复合材料用量，达到53%。
复合材料在飞机上的应用遵循由小到大、由简到繁、从次承力结构到主承力结构的规律，机翼作为飞机主承力构件，由于其结构尺寸大、受力复杂等原因，也是先在小型飞机和军用飞机上进行设计应用，在长期使用过程中积累了大量的设计、成型、使用和维护等工程经验后，才逐步在大飞机上展开应用。本文结合目前国内外大飞机复合材料机翼的研制现状，主要对大飞机复合材料机翼的结构形式、选材、成型工艺以及先进的成型技术进行分析汇总，以期为国内大飞机的研制提供借鉴意义。
复合材料机翼设计及结构形式
设计是复合材料的基础，先进的设计理念和思路对后续的复合材料研制至关重要，通过优化设计，可以更好地发挥复合材料的优势，发挥更好的结构效益和经济效益。
目前，国外大飞机机翼多采用全复合材料整体壁板，翼盒结构布局为双梁多肋结构型式，机翼壁板采用复合材料蒙皮加筋结构形式， 筋条采用“T”形和“工”字型等形式。空客A350XWB机翼长约35m，壁板采用是“T”形加筋形式（见图1），波音787机翼壁板采用“工”字型加筋形式。空客和波音在机翼壁板口框的设计上稍有区别，空客采用的是单排连续排列形式，波音采用的是双排分段连续排列形式。
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机翼壁板选材
复合材料材料体系的发展推动着复合材料在飞机主承力结构上的应用，同时先进的飞机设计理念及更高性能的结构要求又促进材料体系的发展改进。
第1代复合材料呈现脆性材料性能特征，层合板对横向载荷（如冲击载荷） 引起的沿厚度方向的损伤，特别是分层损伤敏感，并不适用机翼等主承力构件。为此, 波音开发了增韧环氧树脂基体和改进结构损伤容限特性的结构设计方案，并提出采用冲击后压缩强度CAI作为复合材料结构应用性能的评价指标[1]。
1982年波音公司提出了新的复合材料预浸料标准BMS82276，概述了主承力结构复合材料性能目标，根据新规范要求，波音公司提出改进碳纤维性能，要求碳纤维拉伸弹性模量提高30%、拉伸强度提高50%, 同时，开发高抗分层能力的韧性树脂基体，欲将复合材料结构设计许用应变由第1代复合材料的0.3%~0.4% 提高到0.6%~0.8%，以使新一代复合材料适合民机主承力结构应用。1989 年中模量、高强度型碳纤维T800 达到波音公司碳纤维材料标准BMS9217要求，并与同期研发的180℃固化（使用温度80~100℃） 韧性环氧树脂构成的复合材料（如T800H/ 3900-2）达到波音公司材料标准BMS82276要求。并在波音777尾翼蒙皮、桁条、翼梁和地板梁上得到了应用验证。
从标准模量碳纤维（T300 级）到现在的高强中模（T800 级），以及与之相匹配的改性高韧性环氧树脂，材料的发展极大地促进了复合材料在飞机各种结构上的广泛应用。
复合材料机翼的成型
复合材料设计是基础，成型是关键。成型技术和设备是成型复合材料的重点，随着复合材料在飞机上的广泛使用，各种相对应的先进成型技术也迅速发展，先进的预浸料制备技术、自动铺带（丝）技术及设备、激光投影、激光跟踪仪以及工装设计和加工等都为复合材料的成型提供了坚实的基础。
1 机翼壁板成型工艺
目前，大尺寸加筋壁板成型工艺常见有以下4 种：
（1）二次胶接（长桁和蒙皮分别固化，然后组装二次胶接）；
（2）共固化（蒙皮与长桁分别铺叠预成型，再组装胶接共固化）；
（3）胶接共固化（长桁先固化，再与预成型蒙皮胶接共固化）；
（4）胶接共固化（蒙皮先固化，再与预成型长桁胶接共固化）。
3 种成型工艺各有优缺点，在选择成型方式时必须结合产品的结构形式、外形尺寸和设计使用要求等确定适合的成型方式。
大尺寸机翼复合材料壁板结构的成型目前普遍选择胶接共固化工艺，相对于二次胶接，胶接共固化有较好的胶接质量，节省了一次热压罐的使用，成型效率较高。相对于共固化，胶接共固化模具结构相对简单，工装设计加工成本低。
波音787复合材料机翼长30m,其复合材料机翼壁板成型选用胶接共固化成型方式，筋条先固化，再和蒙皮定位组装后进行胶接固化。
空客在机翼壁板结构上同样采用胶接共固化成型方式，A400M（见图2）和A350XWB（见图3）复合材料机翼采用长桁先固化，再和蒙皮胶接共固化的成型方式。采用胶接共固化成型方式，可以保证长桁的成型质量和加工精度，长桁在和预成型蒙皮胶接共固化时胶接质量较易保证，长桁定位方便，工装成本低
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2 机翼自动铺带成型技术
随着复合材料在飞机上应用比例的逐步增大，复合材料构件的尺寸也随着增加，传统的手工铺叠等方法已经远远不能满足大尺寸结构件研制生产的需要。当复合材料零件的尺寸较大时，人工铺叠难度相应增大、成型效率低、产品质量也难以保证，因此，相应的自动铺带技术（Automated Tape Laying，ATL）和纤维自动铺放技术（Automated Fiber Placement，AFP）等自动化制造技术应运而生。
自动铺带效率可达20kg/h，而传统手工铺叠，即使是熟练操作工铺叠效率一般也只有1.5kg/h[2]，因此自动铺带技术从诞生后就飞速发展，目前在美国和欧洲已经非常成熟，并大规模应用于航空复合材料结构件的制造。从20 世纪80 年代至今，美国采用自动铺带技术生产B1、B2 轰炸机的机翼蒙皮，F-22 战斗机机翼蒙皮，波音777 飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮，C-17 运输机的水平安定面蒙皮，波音787 机翼蒙皮等。欧洲采用自动铺带技术生产A330 和A340 水平安定面蒙皮，A340 尾翼蒙皮，A380 的机翼蒙皮和安定面蒙皮，A350 机翼蒙皮（见图4）和中央翼盒，A400M 机翼蒙皮和机翼大梁等。
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目前较为先进的铺带机是法国Forest-Line 公司的“大力神”双头自动铺带机。该机的特点是有两个机头进行铺带, 一个用绕在线轴上的无纬带铺带, 另一个用预先切割的材料, 可快速进行复杂形状的铺叠。
3 翼梁成型
翼梁由于结构尺寸大、变截面多和铺层复杂，采用传统手工铺叠成型效率低下。鉴于此，国外开发出了成型效率较高的热隔膜成型技术（Hot Drape Forming ，HDF）。
A400M 前后梁均长19m，其中前梁由分别长7m 和12m 的内外段前梁连接而成，后梁由分别长14m和5m 的内外段后梁连接而成。用自动铺叠设备将翼梁铺成平板，大在地提高了铺叠效率，用热隔膜成型设备预成型出”C”梁，再将其放置在殷瓦钢模具中固化。材料选用Cytec公司较为适合热隔膜成型技术[2] 的977-2 环氧树脂（二代改性环氧树脂，IM7/977-2 的CAI 值260~298MPa）。
由于热隔膜成型技术对材料体系有特殊的要求，进而限制了新型材料体系在翼梁结构上的应用，因此A350 翼梁舍弃热隔膜成型技术，而采用自动铺丝技术。
A350 复合材料翼梁在筒形工装上用自动铺丝机进行铺叠，固化后切为两件C 形梁，提高了铺叠效率和精度，相对于热隔膜成型降低了翼梁R角区的缺陷率。材料选用三代增韧的M21E/IMA 预浸料，M21E/IMA 是T800/M21 的改型，CAI 值接近T800S/3900-2（T800S /3900-2 的冲击后压缩强度CAI 达到315~345MPa）。
4 热压罐智能控制技术
热压罐成型是目前大型复合材料构件主要成型手段，针对大尺寸构件固化过程中温度场不均匀、温差大等现象，国外开发出超大尺寸的热压罐系统和先进的热压罐空气循环系统，图5所示为三菱重工新型热压罐。
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该系统将热压罐分为3个区，每个区有3个独立运行的气流控制单元，所有气流控制单元由计算机系统进行控制，可根据不同区域的温度进行独立调整，能有效降低大尺寸复合材料构件成型过程中的温差，降低单位重量复合材料构件的能耗，且有利于保证复合材料构件的成型质量。
Ashida Mfg. Co. Ltd 和Hiroshima Ryoju Engineering Co. Ltd 设计研发出全球最大的先进空气循环系统热压罐，该热压罐有效内径8m，长40m，重700t，可满足30m 长复合材料机翼的成型。三菱重工用这套热压罐系统为波音787 生产复合材料机翼。
5 新型雷击防护技术
复合材料正逐渐取代铝合金成为飞机的主要结构，但它的导电性很差，因此不进行保护的话，在雷击时比一般金属结构损伤要严重得多。此外，复合材料导致大量的电流进入机载系统，不能为机内电气系统提供足够的雷电防护。
目前使用较为普遍的是表面火焰喷涂铝和复合材料固化时表面覆盖铜网或者铝网。典型的即为波音787，它机翼表面主要采用“全屏蔽”方案，即在复合材料机翼表面铺放铜网，但又使得使飞机增重，仅电防护装置就增重达1t。
鉴于此，空客A350XWB 采用多功能电网络结构，抛弃了传统的铜网屏蔽方案而代之以铜带方案，用金属条带代替一般回流用的电缆，另外在靠近机载设备、座椅滑轨、复合材料框架等处安装金属型材及条带，这样做的效果是减轻屏蔽装置的重量，提高效率。空客公司已用6063 铝合金条带做了模拟试验，取得良好效果，可保证设备电流的回流、导体的所有部位处于同一电位、雷击感生电流的引出等，保持电的连续性，实现与金属机身等同的电网络。
复合材料机翼加工、无损检测
1 复合材料高压水切削
复合材料制件成型后，需进行机械加工，复合材料属脆性各向异性材料，常规加工方法不能满足大型复杂结构复合材料加工质量要求。传统切割方式在加工纤维材料时具有切割速度慢、效率低、切割精度难以保证、易发生分层破坏等缺点；在切割高韧性材料时，刀具和钻头等磨损快、损耗大。因此要求复合材料生产需配备大型自动化高压水切割机、超声切割设备和数控自动化钻孔系统等专用设备，以满足复合材料制件经加工后无分层磨损且符合装配尺寸精度的要求。
机翼蒙皮一般采用大型高压水切割机进行切割，目前世界上最大切割机的床身为36m×6.5m，由Flow International 公司制造。这种磨粒喷水切割机可以快速切割厚的层合板而不致产生层合板过热，25mm 厚的层合板可以0.67m/min 速度切割，对6mm 薄的层合板，切割速度可以高达3m/min，厚的蒙皮可以0.39m/min速度切割[3]。
2 大尺寸复合材料构件精确加工
大尺寸复合材料构件的精确加工也是复合材料加工的难点，因为工件和机床床身之间的热膨胀系数不同，机床床身是钢制的，热膨胀系数高（12×10-6/℃），而碳纤维复合材料的热膨胀系数接近于0。
保证梁的长度不变的传统方法是将机床放在空调室内运转。但其设备投资大、效率低，对此GKN 与某大学合作开发了一个软件，该软件可对机床床身温度、工件的环境进行传感，然后对软件发给切削头的指令进行修正，这样可以消除两者的温差带来的影响，使机床实现工件所需的精度。由于这种方案可使切削加工不必在专门的空调环境中进行，不仅减少了部分固定资产的投资，也降低了能耗，该技术在A400M 翼梁的加工上成功应用。
3 复合材料无损检测（NDT）
由于复合材料机翼构件尺寸大，结构外形复杂，采用普通超声扫描设备很难满足其无损检测需要，因此需要配置大型超声C 扫描设备，从而提高检测效率和检测精度。
英国超声波科学有限公司（USL）为英国宇航系统公司提供的17轴全自动超声C 扫描检测系统能够在0.5m/s 的扫描速度下，检测出复合材料约4mm×4mm 的制造缺陷，并且拥有最高可达2μm 的分辨率，最高可重复性亦可达5μm，能够准确标注缺陷位置，提高了定量检测缺陷的能力以及定量分析的精度。
结束语
国外通过几十年复合材料的研制应用，复合材料在各种机型上的应用比例逐步提高，形成了相对成熟的设计理念和方法，相应地开发出各种先进的成型工艺、设备、检测方法和高效的装配工艺等，这都为国内研发复合材料机翼提供了大量可借鉴的经验。
一流的企业做标准，二流的企业做品牌，三流的企业做技术，四流的企业做产品。在注重复合材料设计、成型和设备等开发的同时，积极制定民机复合材料研制的相关标准和规范更是重中之重，只有有组织地统一制订标准和规范，才能将复合材料的设计和成型文件化、规范化，形成统一的指南，为国内复合材料研制奠定坚实的基础。http://www.frponline.com.cn/news/detail_99563_1.html
复合材料因其优越的可设计性、抗疲劳、抗腐蚀以及较高的减重效率，已经成为目前各种先进飞机结构的必选材料。复合材料在国外先进飞机上的应用比例逐年提高，波音787飞机复合材料应用比例已经超过50%，空客从A310的5% 复合材料到A380的25%，最新研制的A350XWB已经超越波音787的复合材料用量，达到53%。
复合材料在飞机上的应用遵循由小到大、由简到繁、从次承力结构到主承力结构的规律，机翼作为飞机主承力构件，由于其结构尺寸大、受力复杂等原因，也是先在小型飞机和军用飞机上进行设计应用，在长期使用过程中积累了大量的设计、成型、使用和维护等工程经验后，才逐步在大飞机上展开应用。本文结合目前国内外大飞机复合材料机翼的研制现状，主要对大飞机复合材料机翼的结构形式、选材、成型工艺以及先进的成型技术进行分析汇总，以期为国内大飞机的研制提供借鉴意义。
复合材料机翼设计及结构形式
设计是复合材料的基础，先进的设计理念和思路对后续的复合材料研制至关重要，通过优化设计，可以更好地发挥复合材料的优势，发挥更好的结构效益和经济效益。
目前，国外大飞机机翼多采用全复合材料整体壁板，翼盒结构布局为双梁多肋结构型式，机翼壁板采用复合材料蒙皮加筋结构形式， 筋条采用“T”形和“工”字型等形式。空客A350XWB机翼长约35m，壁板采用是“T”形加筋形式（见图1），波音787机翼壁板采用“工”字型加筋形式。空客和波音在机翼壁板口框的设计上稍有区别，空客采用的是单排连续排列形式，波音采用的是双排分段连续排列形式。
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机翼壁板选材
复合材料材料体系的发展推动着复合材料在飞机主承力结构上的应用，同时先进的飞机设计理念及更高性能的结构要求又促进材料体系的发展改进。
第1代复合材料呈现脆性材料性能特征，层合板对横向载荷（如冲击载荷） 引起的沿厚度方向的损伤，特别是分层损伤敏感，并不适用机翼等主承力构件。为此, 波音开发了增韧环氧树脂基体和改进结构损伤容限特性的结构设计方案，并提出采用冲击后压缩强度CAI作为复合材料结构应用性能的评价指标[1]。
1982年波音公司提出了新的复合材料预浸料标准BMS82276，概述了主承力结构复合材料性能目标，根据新规范要求，波音公司提出改进碳纤维性能，要求碳纤维拉伸弹性模量提高30%、拉伸强度提高50%, 同时，开发高抗分层能力的韧性树脂基体，欲将复合材料结构设计许用应变由第1代复合材料的0.3%~0.4% 提高到0.6%~0.8%，以使新一代复合材料适合民机主承力结构应用。1989 年中模量、高强度型碳纤维T800 达到波音公司碳纤维材料标准BMS9217要求，并与同期研发的180℃固化（使用温度80~100℃） 韧性环氧树脂构成的复合材料（如T800H/ 3900-2）达到波音公司材料标准BMS82276要求。并在波音777尾翼蒙皮、桁条、翼梁和地板梁上得到了应用验证。
从标准模量碳纤维（T300 级）到现在的高强中模（T800 级），以及与之相匹配的改性高韧性环氧树脂，材料的发展极大地促进了复合材料在飞机各种结构上的广泛应用。
复合材料机翼的成型
复合材料设计是基础，成型是关键。成型技术和设备是成型复合材料的重点，随着复合材料在飞机上的广泛使用，各种相对应的先进成型技术也迅速发展，先进的预浸料制备技术、自动铺带（丝）技术及设备、激光投影、激光跟踪仪以及工装设计和加工等都为复合材料的成型提供了坚实的基础。
1 机翼壁板成型工艺
目前，大尺寸加筋壁板成型工艺常见有以下4 种：
（1）二次胶接（长桁和蒙皮分别固化，然后组装二次胶接）；
（2）共固化（蒙皮与长桁分别铺叠预成型，再组装胶接共固化）；
（3）胶接共固化（长桁先固化，再与预成型蒙皮胶接共固化）；
（4）胶接共固化（蒙皮先固化，再与预成型长桁胶接共固化）。
3 种成型工艺各有优缺点，在选择成型方式时必须结合产品的结构形式、外形尺寸和设计使用要求等确定适合的成型方式。
大尺寸机翼复合材料壁板结构的成型目前普遍选择胶接共固化工艺，相对于二次胶接，胶接共固化有较好的胶接质量，节省了一次热压罐的使用，成型效率较高。相对于共固化，胶接共固化模具结构相对简单，工装设计加工成本低。
波音787复合材料机翼长30m,其复合材料机翼壁板成型选用胶接共固化成型方式，筋条先固化，再和蒙皮定位组装后进行胶接固化。
空客在机翼壁板结构上同样采用胶接共固化成型方式，A400M（见图2）和A350XWB（见图3）复合材料机翼采用长桁先固化，再和蒙皮胶接共固化的成型方式。采用胶接共固化成型方式，可以保证长桁的成型质量和加工精度，长桁在和预成型蒙皮胶接共固化时胶接质量较易保证，长桁定位方便，工装成本低
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2 机翼自动铺带成型技术
随着复合材料在飞机上应用比例的逐步增大，复合材料构件的尺寸也随着增加，传统的手工铺叠等方法已经远远不能满足大尺寸结构件研制生产的需要。当复合材料零件的尺寸较大时，人工铺叠难度相应增大、成型效率低、产品质量也难以保证，因此，相应的自动铺带技术（Automated Tape Laying，ATL）和纤维自动铺放技术（Automated Fiber Placement，AFP）等自动化制造技术应运而生。
自动铺带效率可达20kg/h，而传统手工铺叠，即使是熟练操作工铺叠效率一般也只有1.5kg/h[2]，因此自动铺带技术从诞生后就飞速发展，目前在美国和欧洲已经非常成熟，并大规模应用于航空复合材料结构件的制造。从20 世纪80 年代至今，美国采用自动铺带技术生产B1、B2 轰炸机的机翼蒙皮，F-22 战斗机机翼蒙皮，波音777 飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮，C-17 运输机的水平安定面蒙皮，波音787 机翼蒙皮等。欧洲采用自动铺带技术生产A330 和A340 水平安定面蒙皮，A340 尾翼蒙皮，A380 的机翼蒙皮和安定面蒙皮，A350 机翼蒙皮（见图4）和中央翼盒，A400M 机翼蒙皮和机翼大梁等。
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目前较为先进的铺带机是法国Forest-Line 公司的“大力神”双头自动铺带机。该机的特点是有两个机头进行铺带, 一个用绕在线轴上的无纬带铺带, 另一个用预先切割的材料, 可快速进行复杂形状的铺叠。
3 翼梁成型
翼梁由于结构尺寸大、变截面多和铺层复杂，采用传统手工铺叠成型效率低下。鉴于此，国外开发出了成型效率较高的热隔膜成型技术（Hot Drape Forming ，HDF）。
A400M 前后梁均长19m，其中前梁由分别长7m 和12m 的内外段前梁连接而成，后梁由分别长14m和5m 的内外段后梁连接而成。用自动铺叠设备将翼梁铺成平板，大在地提高了铺叠效率，用热隔膜成型设备预成型出”C”梁，再将其放置在殷瓦钢模具中固化。材料选用Cytec公司较为适合热隔膜成型技术[2] 的977-2 环氧树脂（二代改性环氧树脂，IM7/977-2 的CAI 值260~298MPa）。
由于热隔膜成型技术对材料体系有特殊的要求，进而限制了新型材料体系在翼梁结构上的应用，因此A350 翼梁舍弃热隔膜成型技术，而采用自动铺丝技术。
A350 复合材料翼梁在筒形工装上用自动铺丝机进行铺叠，固化后切为两件C 形梁，提高了铺叠效率和精度，相对于热隔膜成型降低了翼梁R角区的缺陷率。材料选用三代增韧的M21E/IMA 预浸料，M21E/IMA 是T800/M21 的改型，CAI 值接近T800S/3900-2（T800S /3900-2 的冲击后压缩强度CAI 达到315~345MPa）。
4 热压罐智能控制技术
热压罐成型是目前大型复合材料构件主要成型手段，针对大尺寸构件固化过程中温度场不均匀、温差大等现象，国外开发出超大尺寸的热压罐系统和先进的热压罐空气循环系统，图5所示为三菱重工新型热压罐。
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该系统将热压罐分为3个区，每个区有3个独立运行的气流控制单元，所有气流控制单元由计算机系统进行控制，可根据不同区域的温度进行独立调整，能有效降低大尺寸复合材料构件成型过程中的温差，降低单位重量复合材料构件的能耗，且有利于保证复合材料构件的成型质量。
Ashida Mfg. Co. Ltd 和Hiroshima Ryoju Engineering Co. Ltd 设计研发出全球最大的先进空气循环系统热压罐，该热压罐有效内径8m，长40m，重700t，可满足30m 长复合材料机翼的成型。三菱重工用这套热压罐系统为波音787 生产复合材料机翼。
5 新型雷击防护技术
复合材料正逐渐取代铝合金成为飞机的主要结构，但它的导电性很差，因此不进行保护的话，在雷击时比一般金属结构损伤要严重得多。此外，复合材料导致大量的电流进入机载系统，不能为机内电气系统提供足够的雷电防护。
目前使用较为普遍的是表面火焰喷涂铝和复合材料固化时表面覆盖铜网或者铝网。典型的即为波音787，它机翼表面主要采用“全屏蔽”方案，即在复合材料机翼表面铺放铜网，但又使得使飞机增重，仅电防护装置就增重达1t。
鉴于此，空客A350XWB 采用多功能电网络结构，抛弃了传统的铜网屏蔽方案而代之以铜带方案，用金属条带代替一般回流用的电缆，另外在靠近机载设备、座椅滑轨、复合材料框架等处安装金属型材及条带，这样做的效果是减轻屏蔽装置的重量，提高效率。空客公司已用6063 铝合金条带做了模拟试验，取得良好效果，可保证设备电流的回流、导体的所有部位处于同一电位、雷击感生电流的引出等，保持电的连续性，实现与金属机身等同的电网络。
复合材料机翼加工、无损检测
1 复合材料高压水切削
复合材料制件成型后，需进行机械加工，复合材料属脆性各向异性材料，常规加工方法不能满足大型复杂结构复合材料加工质量要求。传统切割方式在加工纤维材料时具有切割速度慢、效率低、切割精度难以保证、易发生分层破坏等缺点；在切割高韧性材料时，刀具和钻头等磨损快、损耗大。因此要求复合材料生产需配备大型自动化高压水切割机、超声切割设备和数控自动化钻孔系统等专用设备，以满足复合材料制件经加工后无分层磨损且符合装配尺寸精度的要求。
机翼蒙皮一般采用大型高压水切割机进行切割，目前世界上最大切割机的床身为36m×6.5m，由Flow International 公司制造。这种磨粒喷水切割机可以快速切割厚的层合板而不致产生层合板过热，25mm 厚的层合板可以0.67m/min 速度切割，对6mm 薄的层合板，切割速度可以高达3m/min，厚的蒙皮可以0.39m/min速度切割[3]。
2 大尺寸复合材料构件精确加工
大尺寸复合材料构件的精确加工也是复合材料加工的难点，因为工件和机床床身之间的热膨胀系数不同，机床床身是钢制的，热膨胀系数高（12×10-6/℃），而碳纤维复合材料的热膨胀系数接近于0。
保证梁的长度不变的传统方法是将机床放在空调室内运转。但其设备投资大、效率低，对此GKN 与某大学合作开发了一个软件，该软件可对机床床身温度、工件的环境进行传感，然后对软件发给切削头的指令进行修正，这样可以消除两者的温差带来的影响，使机床实现工件所需的精度。由于这种方案可使切削加工不必在专门的空调环境中进行，不仅减少了部分固定资产的投资，也降低了能耗，该技术在A400M 翼梁的加工上成功应用。
3 复合材料无损检测（NDT）
由于复合材料机翼构件尺寸大，结构外形复杂，采用普通超声扫描设备很难满足其无损检测需要，因此需要配置大型超声C 扫描设备，从而提高检测效率和检测精度。
英国超声波科学有限公司（USL）为英国宇航系统公司提供的17轴全自动超声C 扫描检测系统能够在0.5m/s 的扫描速度下，检测出复合材料约4mm×4mm 的制造缺陷，并且拥有最高可达2μm 的分辨率，最高可重复性亦可达5μm，能够准确标注缺陷位置，提高了定量检测缺陷的能力以及定量分析的精度。
结束语
国外通过几十年复合材料的研制应用，复合材料在各种机型上的应用比例逐步提高，形成了相对成熟的设计理念和方法，相应地开发出各种先进的成型工艺、设备、检测方法和高效的装配工艺等，这都为国内研发复合材料机翼提供了大量可借鉴的经验。
一流的企业做标准，二流的企业做品牌，三流的企业做技术，四流的企业做产品。在注重复合材料设计、成型和设备等开发的同时，积极制定民机复合材料研制的相关标准和规范更是重中之重，只有有组织地统一制订标准和规范，才能将复合材料的设计和成型文件化、规范化，形成统一的指南，为国内复合材料研制奠定坚实的基础。
复合材料因其优越的可设计性、抗疲劳、抗腐蚀以及较高的减重效率，已经成为目前各种先进飞机结构的必选材料。复合材料在国外先进飞机上的应用比例逐年提高，波音787飞机复合材料应用比例已经超过50%，空客从A310的5% 复合材料到A380的25%，最新研制的A350XWB已经超越波音787的复合材料用量，达到53%。
复合材料在飞机上的应用遵循由小到大、由简到繁、从次承力结构到主承力结构的规律，机翼作为飞机主承力构件，由于其结构尺寸大、受力复杂等原因，也是先在小型飞机和军用飞机上进行设计应用，在长期使用过程中积累了大量的设计、成型、使用和维护等工程经验后，才逐步在大飞机上展开应用。本文结合目前国内外大飞机复合材料机翼的研制现状，主要对大飞机复合材料机翼的结构形式、选材、成型工艺以及先进的成型技术进行分析汇总，以期为国内大飞机的研制提供借鉴意义。
复合材料机翼设计及结构形式
设计是复合材料的基础，先进的设计理念和思路对后续的复合材料研制至关重要，通过优化设计，可以更好地发挥复合材料的优势，发挥更好的结构效益和经济效益。
目前，国外大飞机机翼多采用全复合材料整体壁板，翼盒结构布局为双梁多肋结构型式，机翼壁板采用复合材料蒙皮加筋结构形式， 筋条采用“T”形和“工”字型等形式。空客A350XWB机翼长约35m，壁板采用是“T”形加筋形式（见图1），波音787机翼壁板采用“工”字型加筋形式。空客和波音在机翼壁板口框的设计上稍有区别，空客采用的是单排连续排列形式，波音采用的是双排分段连续排列形式。
机翼壁板选材
复合材料材料体系的发展推动着复合材料在飞机主承力结构上的应用，同时先进的飞机设计理念及更高性能的结构要求又促进材料体系的发展改进。
第1代复合材料呈现脆性材料性能特征，层合板对横向载荷（如冲击载荷） 引起的沿厚度方向的损伤，特别是分层损伤敏感，并不适用机翼等主承力构件。为此, 波音开发了增韧环氧树脂基体和改进结构损伤容限特性的结构设计方案，并提出采用冲击后压缩强度CAI作为复合材料结构应用性能的评价指标[1]。
1982年波音公司提出了新的复合材料预浸料标准BMS82276，概述了主承力结构复合材料性能目标，根据新规范要求，波音公司提出改进碳纤维性能，要求碳纤维拉伸弹性模量提高30%、拉伸强度提高50%, 同时，开发高抗分层能力的韧性树脂基体，欲将复合材料结构设计许用应变由第1代复合材料的0.3%~0.4% 提高到0.6%~0.8%，以使新一代复合材料适合民机主承力结构应用。1989 年中模量、高强度型碳纤维T800 达到波音公司碳纤维材料标准BMS9217要求，并与同期研发的180℃固化（使用温度80~100℃） 韧性环氧树脂构成的复合材料（如T800H/ 3900-2）达到波音公司材料标准BMS82276要求。并在波音777尾翼蒙皮、桁条、翼梁和地板梁上得到了应用验证。
从标准模量碳纤维（T300 级）到现在的高强中模（T800 级），以及与之相匹配的改性高韧性环氧树脂，材料的发展极大地促进了复合材料在飞机各种结构上的广泛应用。
复合材料机翼的成型
复合材料设计是基础，成型是关键。成型技术和设备是成型复合材料的重点，随着复合材料在飞机上的广泛使用，各种相对应的先进成型技术也迅速发展，先进的预浸料制备技术、自动铺带（丝）技术及设备、激光投影、激光跟踪仪以及工装设计和加工等都为复合材料的成型提供了坚实的基础。
1 机翼壁板成型工艺
目前，大尺寸加筋壁板成型工艺常见有以下4 种：
（1）二次胶接（长桁和蒙皮分别固化，然后组装二次胶接）；
（2）共固化（蒙皮与长桁分别铺叠预成型，再组装胶接共固化）；
（3）胶接共固化（长桁先固化，再与预成型蒙皮胶接共固化）；
（4）胶接共固化（蒙皮先固化，再与预成型长桁胶接共固化）。
3 种成型工艺各有优缺点，在选择成型方式时必须结合产品的结构形式、外形尺寸和设计使用要求等确定适合的成型方式。
大尺寸机翼复合材料壁板结构的成型目前普遍选择胶接共固化工艺，相对于二次胶接，胶接共固化有较好的胶接质量，节省了一次热压罐的使用，成型效率较高。相对于共固化，胶接共固化模具结构相对简单，工装设计加工成本低。
波音787复合材料机翼长30m,其复合材料机翼壁板成型选用胶接共固化成型方式，筋条先固化，再和蒙皮定位组装后进行胶接固化。
空客在机翼壁板结构上同样采用胶接共固化成型方式，A400M（见图2）和A350XWB（见图3）复合材料机翼采用长桁先固化，再和蒙皮胶接共固化的成型方式。采用胶接共固化成型方式，可以保证长桁的成型质量和加工精度，长桁在和预成型蒙皮胶接共固化时胶接质量较易保证，长桁定位方便，工装成本低
2 机翼自动铺带成型技术
随着复合材料在飞机上应用比例的逐步增大，复合材料构件的尺寸也随着增加，传统的手工铺叠等方法已经远远不能满足大尺寸结构件研制生产的需要。当复合材料零件的尺寸较大时，人工铺叠难度相应增大、成型效率低、产品质量也难以保证，因此，相应的自动铺带技术（Automated Tape Laying，ATL）和纤维自动铺放技术（Automated Fiber Placement，AFP）等自动化制造技术应运而生。
自动铺带效率可达20kg/h，而传统手工铺叠，即使是熟练操作工铺叠效率一般也只有1.5kg/h[2]，因此自动铺带技术从诞生后就飞速发展，目前在美国和欧洲已经非常成熟，并大规模应用于航空复合材料结构件的制造。从20 世纪80 年代至今，美国采用自动铺带技术生产B1、B2 轰炸机的机翼蒙皮，F-22 战斗机机翼蒙皮，波音777 飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮，C-17 运输机的水平安定面蒙皮，波音787 机翼蒙皮等。欧洲采用自动铺带技术生产A330 和A340 水平安定面蒙皮，A340 尾翼蒙皮，A380 的机翼蒙皮和安定面蒙皮，A350 机翼蒙皮（见图4）和中央翼盒，A400M 机翼蒙皮和机翼大梁等。
目前较为先进的铺带机是法国Forest-Line 公司的“大力神”双头自动铺带机。该机的特点是有两个机头进行铺带, 一个用绕在线轴上的无纬带铺带, 另一个用预先切割的材料, 可快速进行复杂形状的铺叠。
3 翼梁成型
翼梁由于结构尺寸大、变截面多和铺层复杂，采用传统手工铺叠成型效率低下。鉴于此，国外开发出了成型效率较高的热隔膜成型技术（Hot Drape Forming ，HDF）。
A400M 前后梁均长19m，其中前梁由分别长7m 和12m 的内外段前梁连接而成，后梁由分别长14m和5m 的内外段后梁连接而成。用自动铺叠设备将翼梁铺成平板，大在地提高了铺叠效率，用热隔膜成型设备预成型出”C”梁，再将其放置在殷瓦钢模具中固化。材料选用Cytec公司较为适合热隔膜成型技术[2] 的977-2 环氧树脂（二代改性环氧树脂，IM7/977-2 的CAI 值260~298MPa）。
由于热隔膜成型技术对材料体系有特殊的要求，进而限制了新型材料体系在翼梁结构上的应用，因此A350 翼梁舍弃热隔膜成型技术，而采用自动铺丝技术。
A350 复合材料翼梁在筒形工装上用自动铺丝机进行铺叠，固化后切为两件C 形梁，提高了铺叠效率和精度，相对于热隔膜成型降低了翼梁R角区的缺陷率。材料选用三代增韧的M21E/IMA 预浸料，M21E/IMA 是T800/M21 的改型，CAI 值接近T800S/3900-2（T800S /3900-2 的冲击后压缩强度CAI 达到315~345MPa）。
4 热压罐智能控制技术
热压罐成型是目前大型复合材料构件主要成型手段，针对大尺寸构件固化过程中温度场不均匀、温差大等现象，国外开发出超大尺寸的热压罐系统和先进的热压罐空气循环系统，图5所示为三菱重工新型热压罐。
该系统将热压罐分为3个区，每个区有3个独立运行的气流控制单元，所有气流控制单元由计算机系统进行控制，可根据不同区域的温度进行独立调整，能有效降低大尺寸复合材料构件成型过程中的温差，降低单位重量复合材料构件的能耗，且有利于保证复合材料构件的成型质量。
Ashida Mfg. Co. Ltd 和Hiroshima Ryoju Engineering Co. Ltd 设计研发出全球最大的先进空气循环系统热压罐，该热压罐有效内径8m，长40m，重700t，可满足30m 长复合材料机翼的成型。三菱重工用这套热压罐系统为波音787 生产复合材料机翼。
5 新型雷击防护技术
复合材料正逐渐取代铝合金成为飞机的主要结构，但它的导电性很差，因此不进行保护的话，在雷击时比一般金属结构损伤要严重得多。此外，复合材料导致大量的电流进入机载系统，不能为机内电气系统提供足够的雷电防护。
目前使用较为普遍的是表面火焰喷涂铝和复合材料固化时表面覆盖铜网或者铝网。典型的即为波音787，它机翼表面主要采用“全屏蔽”方案，即在复合材料机翼表面铺放铜网，但又使得使飞机增重，仅电防护装置就增重达1t。
鉴于此，空客A350XWB 采用多功能电网络结构，抛弃了传统的铜网屏蔽方案而代之以铜带方案，用金属条带代替一般回流用的电缆，另外在靠近机载设备、座椅滑轨、复合材料框架等处安装金属型材及条带，这样做的效果是减轻屏蔽装置的重量，提高效率。空客公司已用6063 铝合金条带做了模拟试验，取得良好效果，可保证设备电流的回流、导体的所有部位处于同一电位、雷击感生电流的引出等，保持电的连续性，实现与金属机身等同的电网络。
复合材料机翼加工、无损检测
1 复合材料高压水切削
复合材料制件成型后，需进行机械加工，复合材料属脆性各向异性材料，常规加工方法不能满足大型复杂结构复合材料加工质量要求。传统切割方式在加工纤维材料时具有切割速度慢、效率低、切割精度难以保证、易发生分层破坏等缺点；在切割高韧性材料时，刀具和钻头等磨损快、损耗大。因此要求复合材料生产需配备大型自动化高压水切割机、超声切割设备和数控自动化钻孔系统等专用设备，以满足复合材料制件经加工后无分层磨损且符合装配尺寸精度的要求。
机翼蒙皮一般采用大型高压水切割机进行切割，目前世界上最大切割机的床身为36m×6.5m，由Flow International 公司制造。这种磨粒喷水切割机可以快速切割厚的层合板而不致产生层合板过热，25mm 厚的层合板可以0.67m/min 速度切割，对6mm 薄的层合板，切割速度可以高达3m/min，厚的蒙皮可以0.39m/min速度切割[3]。
2 大尺寸复合材料构件精确加工
大尺寸复合材料构件的精确加工也是复合材料加工的难点，因为工件和机床床身之间的热膨胀系数不同，机床床身是钢制的，热膨胀系数高（12×10-6/℃），而碳纤维复合材料的热膨胀系数接近于0。
保证梁的长度不变的传统方法是将机床放在空调室内运转。但其设备投资大、效率低，对此GKN 与某大学合作开发了一个软件，该软件可对机床床身温度、工件的环境进行传感，然后对软件发给切削头的指令进行修正，这样可以消除两者的温差带来的影响，使机床实现工件所需的精度。由于这种方案可使切削加工不必在专门的空调环境中进行，不仅减少了部分固定资产的投资，也降低了能耗，该技术在A400M 翼梁的加工上成功应用。
3 复合材料无损检测（NDT）
由于复合材料机翼构件尺寸大，结构外形复杂，采用普通超声扫描设备很难满足其无损检测需要，因此需要配置大型超声C 扫描设备，从而提高检测效率和检测精度。
英国超声波科学有限公司（USL）为英国宇航系统公司提供的17轴全自动超声C 扫描检测系统能够在0.5m/s 的扫描速度下，检测出复合材料约4mm×4mm 的制造缺陷，并且拥有最高可达2μm 的分辨率，最高可重复性亦可达5μm，能够准确标注缺陷位置，提高了定量检测缺陷的能力以及定量分析的精度。
结束语
国外通过几十年复合材料的研制应用，复合材料在各种机型上的应用比例逐步提高，形成了相对成熟的设计理念和方法，相应地开发出各种先进的成型工艺、设备、检测方法和高效的装配工艺等，这都为国内研发复合材料机翼提供了大量可借鉴的经验。
一流的企业做标准，二流的企业做品牌，三流的企业做技术，四流的企业做产品。在注重复合材料设计、成型和设备等开发的同时，积极制定民机复合材料研制的相关标准和规范更是重中之重，只有有组织地统一制订标准和规范，才能将复合材料的设计和成型文件化、规范化，形成统一的指南，为国内复合材料研制奠定坚实的基础。http://www.frponline.com.cn/news/detail_99563_1.html
复合材料因其优越的可设计性、抗疲劳、抗腐蚀以及较高的减重效率，已经成为目前各种先进飞机结构的必选材料。复合材料在国外先进飞机上的应用比例逐年提高，波音787飞机复合材料应用比例已经超过50%，空客从A310的5% 复合材料到A380的25%，最新研制的A350XWB已经超越波音787的复合材料用量，达到53%。
复合材料在飞机上的应用遵循由小到大、由简到繁、从次承力结构到主承力结构的规律，机翼作为飞机主承力构件，由于其结构尺寸大、受力复杂等原因，也是先在小型飞机和军用飞机上进行设计应用，在长期使用过程中积累了大量的设计、成型、使用和维护等工程经验后，才逐步在大飞机上展开应用。本文结合目前国内外大飞机复合材料机翼的研制现状，主要对大飞机复合材料机翼的结构形式、选材、成型工艺以及先进的成型技术进行分析汇总，以期为国内大飞机的研制提供借鉴意义。
复合材料机翼设计及结构形式
设计是复合材料的基础，先进的设计理念和思路对后续的复合材料研制至关重要，通过优化设计，可以更好地发挥复合材料的优势，发挥更好的结构效益和经济效益。
目前，国外大飞机机翼多采用全复合材料整体壁板，翼盒结构布局为双梁多肋结构型式，机翼壁板采用复合材料蒙皮加筋结构形式， 筋条采用“T”形和“工”字型等形式。空客A350XWB机翼长约35m，壁板采用是“T”形加筋形式（见图1），波音787机翼壁板采用“工”字型加筋形式。空客和波音在机翼壁板口框的设计上稍有区别，空客采用的是单排连续排列形式，波音采用的是双排分段连续排列形式。
机翼壁板选材
复合材料材料体系的发展推动着复合材料在飞机主承力结构上的应用，同时先进的飞机设计理念及更高性能的结构要求又促进材料体系的发展改进。
第1代复合材料呈现脆性材料性能特征，层合板对横向载荷（如冲击载荷） 引起的沿厚度方向的损伤，特别是分层损伤敏感，并不适用机翼等主承力构件。为此, 波音开发了增韧环氧树脂基体和改进结构损伤容限特性的结构设计方案，并提出采用冲击后压缩强度CAI作为复合材料结构应用性能的评价指标[1]。
1982年波音公司提出了新的复合材料预浸料标准BMS82276，概述了主承力结构复合材料性能目标，根据新规范要求，波音公司提出改进碳纤维性能，要求碳纤维拉伸弹性模量提高30%、拉伸强度提高50%, 同时，开发高抗分层能力的韧性树脂基体，欲将复合材料结构设计许用应变由第1代复合材料的0.3%~0.4% 提高到0.6%~0.8%，以使新一代复合材料适合民机主承力结构应用。1989 年中模量、高强度型碳纤维T800 达到波音公司碳纤维材料标准BMS9217要求，并与同期研发的180℃固化（使用温度80~100℃） 韧性环氧树脂构成的复合材料（如T800H/ 3900-2）达到波音公司材料标准BMS82276要求。并在波音777尾翼蒙皮、桁条、翼梁和地板梁上得到了应用验证。
从标准模量碳纤维（T300 级）到现在的高强中模（T800 级），以及与之相匹配的改性高韧性环氧树脂，材料的发展极大地促进了复合材料在飞机各种结构上的广泛应用。
复合材料机翼的成型
复合材料设计是基础，成型是关键。成型技术和设备是成型复合材料的重点，随着复合材料在飞机上的广泛使用，各种相对应的先进成型技术也迅速发展，先进的预浸料制备技术、自动铺带（丝）技术及设备、激光投影、激光跟踪仪以及工装设计和加工等都为复合材料的成型提供了坚实的基础。
1 机翼壁板成型工艺
目前，大尺寸加筋壁板成型工艺常见有以下4 种：
（1）二次胶接（长桁和蒙皮分别固化，然后组装二次胶接）；
（2）共固化（蒙皮与长桁分别铺叠预成型，再组装胶接共固化）；
（3）胶接共固化（长桁先固化，再与预成型蒙皮胶接共固化）；
（4）胶接共固化（蒙皮先固化，再与预成型长桁胶接共固化）。
3 种成型工艺各有优缺点，在选择成型方式时必须结合产品的结构形式、外形尺寸和设计使用要求等确定适合的成型方式。
大尺寸机翼复合材料壁板结构的成型目前普遍选择胶接共固化工艺，相对于二次胶接，胶接共固化有较好的胶接质量，节省了一次热压罐的使用，成型效率较高。相对于共固化，胶接共固化模具结构相对简单，工装设计加工成本低。
波音787复合材料机翼长30m,其复合材料机翼壁板成型选用胶接共固化成型方式，筋条先固化，再和蒙皮定位组装后进行胶接固化。
空客在机翼壁板结构上同样采用胶接共固化成型方式，A400M（见图2）和A350XWB（见图3）复合材料机翼采用长桁先固化，再和蒙皮胶接共固化的成型方式。采用胶接共固化成型方式，可以保证长桁的成型质量和加工精度，长桁在和预成型蒙皮胶接共固化时胶接质量较易保证，长桁定位方便，工装成本低
2 机翼自动铺带成型技术
随着复合材料在飞机上应用比例的逐步增大，复合材料构件的尺寸也随着增加，传统的手工铺叠等方法已经远远不能满足大尺寸结构件研制生产的需要。当复合材料零件的尺寸较大时，人工铺叠难度相应增大、成型效率低、产品质量也难以保证，因此，相应的自动铺带技术（Automated Tape Laying，ATL）和纤维自动铺放技术（Automated Fiber Placement，AFP）等自动化制造技术应运而生。
自动铺带效率可达20kg/h，而传统手工铺叠，即使是熟练操作工铺叠效率一般也只有1.5kg/h[2]，因此自动铺带技术从诞生后就飞速发展，目前在美国和欧洲已经非常成熟，并大规模应用于航空复合材料结构件的制造。从20 世纪80 年代至今，美国采用自动铺带技术生产B1、B2 轰炸机的机翼蒙皮，F-22 战斗机机翼蒙皮，波音777 飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮，C-17 运输机的水平安定面蒙皮，波音787 机翼蒙皮等。欧洲采用自动铺带技术生产A330 和A340 水平安定面蒙皮，A340 尾翼蒙皮，A380 的机翼蒙皮和安定面蒙皮，A350 机翼蒙皮（见图4）和中央翼盒，A400M 机翼蒙皮和机翼大梁等。
目前较为先进的铺带机是法国Forest-Line 公司的“大力神”双头自动铺带机。该机的特点是有两个机头进行铺带, 一个用绕在线轴上的无纬带铺带, 另一个用预先切割的材料, 可快速进行复杂形状的铺叠。
3 翼梁成型
翼梁由于结构尺寸大、变截面多和铺层复杂，采用传统手工铺叠成型效率低下。鉴于此，国外开发出了成型效率较高的热隔膜成型技术（Hot Drape Forming ，HDF）。
A400M 前后梁均长19m，其中前梁由分别长7m 和12m 的内外段前梁连接而成，后梁由分别长14m和5m 的内外段后梁连接而成。用自动铺叠设备将翼梁铺成平板，大在地提高了铺叠效率，用热隔膜成型设备预成型出”C”梁，再将其放置在殷瓦钢模具中固化。材料选用Cytec公司较为适合热隔膜成型技术[2] 的977-2 环氧树脂（二代改性环氧树脂，IM7/977-2 的CAI 值260~298MPa）。
由于热隔膜成型技术对材料体系有特殊的要求，进而限制了新型材料体系在翼梁结构上的应用，因此A350 翼梁舍弃热隔膜成型技术，而采用自动铺丝技术。
A350 复合材料翼梁在筒形工装上用自动铺丝机进行铺叠，固化后切为两件C 形梁，提高了铺叠效率和精度，相对于热隔膜成型降低了翼梁R角区的缺陷率。材料选用三代增韧的M21E/IMA 预浸料，M21E/IMA 是T800/M21 的改型，CAI 值接近T800S/3900-2（T800S /3900-2 的冲击后压缩强度CAI 达到315~345MPa）。
4 热压罐智能控制技术
热压罐成型是目前大型复合材料构件主要成型手段，针对大尺寸构件固化过程中温度场不均匀、温差大等现象，国外开发出超大尺寸的热压罐系统和先进的热压罐空气循环系统，图5所示为三菱重工新型热压罐。
该系统将热压罐分为3个区，每个区有3个独立运行的气流控制单元，所有气流控制单元由计算机系统进行控制，可根据不同区域的温度进行独立调整，能有效降低大尺寸复合材料构件成型过程中的温差，降低单位重量复合材料构件的能耗，且有利于保证复合材料构件的成型质量。
Ashida Mfg. Co. Ltd 和Hiroshima Ryoju Engineering Co. Ltd 设计研发出全球最大的先进空气循环系统热压罐，该热压罐有效内径8m，长40m，重700t，可满足30m 长复合材料机翼的成型。三菱重工用这套热压罐系统为波音787 生产复合材料机翼。
5 新型雷击防护技术
复合材料正逐渐取代铝合金成为飞机的主要结构，但它的导电性很差，因此不进行保护的话，在雷击时比一般金属结构损伤要严重得多。此外，复合材料导致大量的电流进入机载系统，不能为机内电气系统提供足够的雷电防护。
目前使用较为普遍的是表面火焰喷涂铝和复合材料固化时表面覆盖铜网或者铝网。典型的即为波音787，它机翼表面主要采用“全屏蔽”方案，即在复合材料机翼表面铺放铜网，但又使得使飞机增重，仅电防护装置就增重达1t。
鉴于此，空客A350XWB 采用多功能电网络结构，抛弃了传统的铜网屏蔽方案而代之以铜带方案，用金属条带代替一般回流用的电缆，另外在靠近机载设备、座椅滑轨、复合材料框架等处安装金属型材及条带，这样做的效果是减轻屏蔽装置的重量，提高效率。空客公司已用6063 铝合金条带做了模拟试验，取得良好效果，可保证设备电流的回流、导体的所有部位处于同一电位、雷击感生电流的引出等，保持电的连续性，实现与金属机身等同的电网络。
复合材料机翼加工、无损检测
1 复合材料高压水切削
复合材料制件成型后，需进行机械加工，复合材料属脆性各向异性材料，常规加工方法不能满足大型复杂结构复合材料加工质量要求。传统切割方式在加工纤维材料时具有切割速度慢、效率低、切割精度难以保证、易发生分层破坏等缺点；在切割高韧性材料时，刀具和钻头等磨损快、损耗大。因此要求复合材料生产需配备大型自动化高压水切割机、超声切割设备和数控自动化钻孔系统等专用设备，以满足复合材料制件经加工后无分层磨损且符合装配尺寸精度的要求。
机翼蒙皮一般采用大型高压水切割机进行切割，目前世界上最大切割机的床身为36m×6.5m，由Flow International 公司制造。这种磨粒喷水切割机可以快速切割厚的层合板而不致产生层合板过热，25mm 厚的层合板可以0.67m/min 速度切割，对6mm 薄的层合板，切割速度可以高达3m/min，厚的蒙皮可以0.39m/min速度切割[3]。
2 大尺寸复合材料构件精确加工
大尺寸复合材料构件的精确加工也是复合材料加工的难点，因为工件和机床床身之间的热膨胀系数不同，机床床身是钢制的，热膨胀系数高（12×10-6/℃），而碳纤维复合材料的热膨胀系数接近于0。
保证梁的长度不变的传统方法是将机床放在空调室内运转。但其设备投资大、效率低，对此GKN 与某大学合作开发了一个软件，该软件可对机床床身温度、工件的环境进行传感，然后对软件发给切削头的指令进行修正，这样可以消除两者的温差带来的影响，使机床实现工件所需的精度。由于这种方案可使切削加工不必在专门的空调环境中进行，不仅减少了部分固定资产的投资，也降低了能耗，该技术在A400M 翼梁的加工上成功应用。
3 复合材料无损检测（NDT）
由于复合材料机翼构件尺寸大，结构外形复杂，采用普通超声扫描设备很难满足其无损检测需要，因此需要配置大型超声C 扫描设备，从而提高检测效率和检测精度。
英国超声波科学有限公司（USL）为英国宇航系统公司提供的17轴全自动超声C 扫描检测系统能够在0.5m/s 的扫描速度下，检测出复合材料约4mm×4mm 的制造缺陷，并且拥有最高可达2μm 的分辨率，最高可重复性亦可达5μm，能够准确标注缺陷位置，提高了定量检测缺陷的能力以及定量分析的精度。
结束语
国外通过几十年复合材料的研制应用，复合材料在各种机型上的应用比例逐步提高，形成了相对成熟的设计理念和方法，相应地开发出各种先进的成型工艺、设备、检测方法和高效的装配工艺等，这都为国内研发复合材料机翼提供了大量可借鉴的经验。
一流的企业做标准，二流的企业做品牌，三流的企业做技术，四流的企业做产品。在注重复合材料设计、成型和设备等开发的同时，积极制定民机复合材料研制的相关标准和规范更是重中之重，只有有组织地统一制订标准和规范，才能将复合材料的设计和成型文件化、规范化，形成统一的指南，为国内复合材料研制奠定坚实的基础。
国外的全复合材料部件已经做得很大了。
土鳖现在就该预研攻关7米直径机身、30米长机翼啥的；
对了，不知“全球鹰”那个贼长的机翼是否一次成型的。
国外的全复合材料部件已经做得很大了。
土鳖现在就该预研攻关7米直径机身、30米长机翼啥的；
对了，不知“全球鹰”那个贼长的机翼是否一次成型的。
又是三菱；
这个怕是现在世界上最大的热压罐了。
这个怕是现在世界上最大的热压罐了。
绿林奸汉 发表于 2013-6-3 06:46 ![]()
国外的全复合材料部件已经做得很大了。
土鳖现在就该预研攻关⒎米直径机身、30米长机翼啥的；
某单位现在已建成号称亚洲最大热压罐
国外的全复合材料部件已经做得很大了。
土鳖现在就该预研攻关⒎米直径机身、30米长机翼啥的；
某单位现在已建成号称亚洲最大热压罐
国内不是有空客生产线么，应该深入交流
大口九 发表于 2013-6-5 12:17 ![]()
国内不是有空客生产线么，应该深入交流
国产空客的机翼就是西飞加工生产的，但那个也是常规材料。再说即使是复合材料也不会将技术随便转让的。记得空客和哈飞有一个复合材料的项目不知后来怎么样了。
国内不是有空客生产线么，应该深入交流
国产空客的机翼就是西飞加工生产的，但那个也是常规材料。再说即使是复合材料也不会将技术随便转让的。记得空客和哈飞有一个复合材料的项目不知后来怎么样了。
fighter16 发表于 2013-6-3 12:54 ![]()
某单位现在已建成号称亚洲最大热压罐
亚洲最大基本就是全球最大了吧？
某单位现在已建成号称亚洲最大热压罐
亚洲最大基本就是全球最大了吧？
某单位现在已建成号称亚洲最大热压罐
日本企业？
日本企业？
清晖 发表于 2013-6-6 00:28 ![]()
亚洲最大基本就是全球最大了吧？
不知道意大利阿莱尼亚干787机身筒段那个罐子是不是更大
亚洲最大基本就是全球最大了吧？
不知道意大利阿莱尼亚干787机身筒段那个罐子是不是更大
不错；
新资料助个兴（点击，清晰大图）。
新资料助个兴（点击，清晰大图）。
这个只能慢慢来
航空复材还是以T300为主 T800由于成本和产量原因没有大规模使用
材料是弱项啊
复合材料也不全是好处，维修性就比较差
不像金属可以直接打补丁，疲劳检测也是大麻烦，远不如金属的准确
不像金属可以直接打补丁，疲劳检测也是大麻烦，远不如金属的准确MAG自动铺带机助力C919复合材料零部件制造
http://www.frponline.com.cn 2012-06-15 复材在线 [收藏该文章]
最近，MAG正在拓展中在中国航空工业市场上的业务，首台美国制造的复合材料加工设备，新型CHARGER™龙门低轨复合材料自动铺带机将要在上海工厂安装调试，用于加工中国商用飞机公司的C919以及C929喷气式商务飞机的机翼、水平尾翼以及中央翼盒等零部件。该型飞机按计划将于2016年投入使用。
MAG公司在中国持续增长的航空工业市场的成功，为其首次出售美国制造的自动铺带机打下了良好的基础。上飞公司已经购买了数十台MAG公司的加工设备投入了生产，此次的购买进一步巩固了MAG作为中国商用飞机先进制造技术设备的首要供应商的地位。
上飞（上海飞机制造厂）是中国商用飞机公司旗下的主要制造厂，CHARGER™龙门式低轨复合材料自动铺带机将安装在商飞新建成的浦东复合材料工厂。
在中国航空工业发展势头一片蓬勃的市场环境下，这种合作不论是对于美国机械出口还是对于MAG公司自身而言都是突破性的。与此同时，无化是对于中国航空工业还是MAG高端产品来说，都是极具魅力与前景的。在中国越发地融入全球市场的同时，这对于MAG全球化企业来说将进一步实现其作为全球复合材料和金属切削方案的集成供应商的目标，因为随着产品的引入，后续的服务也将陆续建立。通过的上海技术中心，MAG将为客户提供先进的工程及本地化的服务支持，全球顶尖产品与越发的本地化服务将带来设备供应商与本地航空市场的良性循环与发展。
MAG公司的CHARGER™铺带机可在复杂曲面外形上实现业内一流的高速、航空航天级精密铺贴。CHARGER™系列自动铺带机能够在任意方向上铺设任意层数的75、150或300毫米（3、6或12英寸）宽碳纤维树脂预浸料带，确保质量一致的部件形状、厚度和强度。通过具有专利设计的铺带头，将复合材料铺设到具有平面的，曲面的或是具有几何过渡曲面的不同形状零件上。MAG设计的控制软件使得CHARGER™通过编程控制轻松实现多轴运动。强大的ACES®先进复合材料环境套件将CAD 或CATIA数模以及铺层和铺贴路径设定数据转化成多轴加工指令。MAG已经在全世界范围内出售了90多台这样的软件。
龙门式低轨平台采用高结构刚性设计，使得铺设准确，快捷可靠。全新的五轴铺设头采用更快捷，更简单的预浸料卷侧端上料方式，可使用的复材滚卷宽度可达 300毫米（12英寸），直径可达650毫米（25.6英寸）。该铺带头的先进设计中，还集成了复材超声切割头，并配备刀具深度辅助控制，还集成了分立的喷墨标记终端，从而实现了系统灵活性能和性能最大化。
MAG复合材料加工系统在航空业内拥有世界上最广泛使用的设备，已经共计出售并安装超过了130套设备，被广泛的应用于全世界范围内的各个航空工厂和飞机制造项目中。除了上飞的飞机项目，MAG铺带机以及丝束铺放系统还被成功和广泛的用于包括空客A350-XWB以及波音787 梦想飞机在内的很多飞机项目的复合材料零部件制造。
责编：弗蓝 Email：news@frponline.com.cn 电话：010-84907349
复材在线原创文章，转载请注明出处！
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最近，MAG正在拓展中在中国航空工业市场上的业务，首台美国制造的复合材料加工设备，新型CHARGER™龙门低轨复合材料自动铺带机将要在上海工厂安装调试，用于加工中国商用飞机公司的C919以及C929喷气式商务飞机的机翼、水平尾翼以及中央翼盒等零部件。该型飞机按计划将于2016年投入使用。
MAG公司在中国持续增长的航空工业市场的成功，为其首次出售美国制造的自动铺带机打下了良好的基础。上飞公司已经购买了数十台MAG公司的加工设备投入了生产，此次的购买进一步巩固了MAG作为中国商用飞机先进制造技术设备的首要供应商的地位。
上飞（上海飞机制造厂）是中国商用飞机公司旗下的主要制造厂，CHARGER™龙门式低轨复合材料自动铺带机将安装在商飞新建成的浦东复合材料工厂。
在中国航空工业发展势头一片蓬勃的市场环境下，这种合作不论是对于美国机械出口还是对于MAG公司自身而言都是突破性的。与此同时，无化是对于中国航空工业还是MAG高端产品来说，都是极具魅力与前景的。在中国越发地融入全球市场的同时，这对于MAG全球化企业来说将进一步实现其作为全球复合材料和金属切削方案的集成供应商的目标，因为随着产品的引入，后续的服务也将陆续建立。通过的上海技术中心，MAG将为客户提供先进的工程及本地化的服务支持，全球顶尖产品与越发的本地化服务将带来设备供应商与本地航空市场的良性循环与发展。
MAG公司的CHARGER™铺带机可在复杂曲面外形上实现业内一流的高速、航空航天级精密铺贴。CHARGER™系列自动铺带机能够在任意方向上铺设任意层数的75、150或300毫米（3、6或12英寸）宽碳纤维树脂预浸料带，确保质量一致的部件形状、厚度和强度。通过具有专利设计的铺带头，将复合材料铺设到具有平面的，曲面的或是具有几何过渡曲面的不同形状零件上。MAG设计的控制软件使得CHARGER™通过编程控制轻松实现多轴运动。强大的ACES®先进复合材料环境套件将CAD 或CATIA数模以及铺层和铺贴路径设定数据转化成多轴加工指令。MAG已经在全世界范围内出售了90多台这样的软件。
龙门式低轨平台采用高结构刚性设计，使得铺设准确，快捷可靠。全新的五轴铺设头采用更快捷，更简单的预浸料卷侧端上料方式，可使用的复材滚卷宽度可达 300毫米（12英寸），直径可达650毫米（25.6英寸）。该铺带头的先进设计中，还集成了复材超声切割头，并配备刀具深度辅助控制，还集成了分立的喷墨标记终端，从而实现了系统灵活性能和性能最大化。
MAG复合材料加工系统在航空业内拥有世界上最广泛使用的设备，已经共计出售并安装超过了130套设备，被广泛的应用于全世界范围内的各个航空工厂和飞机制造项目中。除了上飞的飞机项目，MAG铺带机以及丝束铺放系统还被成功和广泛的用于包括空客A350-XWB以及波音787 梦想飞机在内的很多飞机项目的复合材料零部件制造。
责编：弗蓝 Email：news@frponline.com.cn 电话：010-84907349
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貌似Tg前年不是收购奥地利的欧洲著名的复合材料工厂吗，不知吸收了多少
绿林奸汉 发表于 2013-6-3 06:46
国外的全复合材料部件已经做得很大了。
土鳖现在就该预研攻关7米直径机身、30米长机翼啥的；
没记错的话全球鹰那个机翼就是一体的，八成是一次成型
国外的全复合材料部件已经做得很大了。
土鳖现在就该预研攻关7米直径机身、30米长机翼啥的；
没记错的话全球鹰那个机翼就是一体的，八成是一次成型
如果成功那还真是一大突破
风不悲 发表于 2013-9-29 21:29
没记错的话全球鹰那个机翼就是一体的，八成是一次成型
好象是分三段吧? 全球鹰那个机翼的难度并非想象那么高.
当初,国人主要是每天受翔龙无人机那段解说词影响(洗脑)才以为全球鹰25米長机翼乃高不可攀的东西. 70年代MD的无人机复合材料机翼就己是50米長,是全球鹰机翼長度的两倍. 这70年代50米長的复合材料机翼已经躺在博物馆,倍面切开,随便看(抄). 故翔龙无人机那段解说词就是瞎扯.(翔龙乃是鸡血无人机,骗人的)
大飞机复合材料机翼研制技术并非什么高科枝. 难得是如何精工,整合,形成一流程. (没有自动铺带,人工铺叠也行嘛). 外包给我, 全球鹰那三段机翼就是小儿科,照抄70年代MD在博物馆那块即可.(开玩笑)
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没记错的话全球鹰那个机翼就是一体的，八成是一次成型
好象是分三段吧? 全球鹰那个机翼的难度并非想象那么高.
当初,国人主要是每天受翔龙无人机那段解说词影响(洗脑)才以为全球鹰25米長机翼乃高不可攀的东西. 70年代MD的无人机复合材料机翼就己是50米長,是全球鹰机翼長度的两倍. 这70年代50米長的复合材料机翼已经躺在博物馆,倍面切开,随便看(抄). 故翔龙无人机那段解说词就是瞎扯.(翔龙乃是鸡血无人机,骗人的)
大飞机复合材料机翼研制技术并非什么高科枝. 难得是如何精工,整合,形成一流程. (没有自动铺带,人工铺叠也行嘛). 外包给我, 全球鹰那三段机翼就是小儿科,照抄70年代MD在博物馆那块即可.(开玩笑)
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复合材料，任重道远。
cofg 发表于 2013-9-30 01:15
好象是分三段吧? 全球鹰那个机翼的难度并非想象那么高.
当初,国人主要是每天受翔龙无人机那段解说词影 ...
光说铺料什么的话风电风车叶片也是人工铺的，一次铺三四十米……国内好几家民企吧……
好象是分三段吧? 全球鹰那个机翼的难度并非想象那么高.
当初,国人主要是每天受翔龙无人机那段解说词影 ...
光说铺料什么的话风电风车叶片也是人工铺的，一次铺三四十米……国内好几家民企吧……
大口九 发表于 2013-6-5 12:17
国内不是有空客生产线么，应该深入交流
那个只是总装线
国内不是有空客生产线么，应该深入交流
那个只是总装线
超大口水贴太多，俺们现在多贴点具体技术资料吧。
复合材料也需要低成本：
这一篇与复合材料无关，是时髦的3D打印：
或者叫“增材（堆积）制造”技术（相对的，切削等等方式叫减材制造）：
这一篇与复合材料无关，是时髦的3D打印：
或者叫“增材（堆积）制造”技术（相对的，切削等等方式叫减材制造）：
迎接青奥 发表于 2013-9-29 21:25
貌似Tg前年不是收购奥地利的欧洲著名的复合材料工厂吗，不知吸收了多少
国外许多中小公司很有活力，不断开发新技术；
土鳖也不能老是指望仅仅吸收呀，自己的创新体系呢？
这是国外公司在华机构的类广告文章：
貌似Tg前年不是收购奥地利的欧洲著名的复合材料工厂吗，不知吸收了多少
国外许多中小公司很有活力，不断开发新技术；
土鳖也不能老是指望仅仅吸收呀，自己的创新体系呢？
这是国外公司在华机构的类广告文章：
接上面，另一家：
今天最后一张“复合材料”主题的图：
http://www.frp.cn/CN/news/news8753.shtml
我国攻克干喷湿纺碳纤维
9月23日，中国纺织工业联合会在江苏省连云港市组织召开了由中复神鹰碳纤维有限责任公司、连云港鹰游纺机有限责任公司、中国复合材料集团有限公司以及江苏奥神集团有限责任公司承担的“干喷湿纺GQ45高性能碳纤维工程化关键技术及设备研发”项目技术成果鉴定会。
由中国工程院院士孙晋良、蒋士成任鉴定委员会正副主任的专家组形成的鉴定意见认为：“干喷湿纺GQ45高性能碳纤维工程化关键技术及设备研发”项目在国内率先突破了国际先进的干喷湿纺碳纤维制造技术，开发出了适用于干喷湿纺的均质化聚合系统、低扰度空气层纤维成型系统以及高速高倍蒸汽牵伸系统。项目在装备方面自主开发设计了快速换热的全混式60立方米聚合釜、干喷湿纺纤维成型装备、蒸汽牵伸装备、全套碳化关键装备以及高效溶剂回收和废气处理系统。基于以上关键技术和装备基础，制备出了各项指标均达到国标GQ4522标准的碳纤维产品，并应用于多家复合材料制造企业，反映良好。鉴定委员会一致认定SYT45产品达到了国内领先、国际同类产品先进水平。
据了解，中复神鹰碳纤维有限公司拥有全套自主研发的国际主流工艺干喷湿纺SYT45相当于T700级的高性能碳纤维原丝生产线和碳化生产线，中复神鹰成为我国惟一、也是世界上第三个攻克干喷湿纺工艺难题的企业。
公司经过4年研发，率先在国内打破了聚丙烯腈基高性能碳纤维的生产干喷湿法工艺，目前已经实现规模化生产并批量供应市场。
SYT45高性能碳纤维抗拉强度达到4.5GPa以上，模量达240GPa。广泛应用于工业、土木工程、医疗器械、体育用品、军事和航空航天等领域。开发高性能碳纤维SYT45不仅是现代化国防之急需，也是国家社会经济发展的需要。
干湿法纺丝又称干喷湿纺法。与湿法纺丝相比，干湿法纺丝可以进行高倍的喷丝头拉伸，纺丝速度高；干湿法纺丝可在空气层中形成一层致密的薄层，阻止大孔洞的形成，从而优于湿法纺丝。用干湿法纺丝得到的纤维，结构比较均匀，皮芯层差异小，强度和弹性均有提高，截面结构近似圆形，纤维表面光滑，纤维内部缺陷少。纺出的纤维致密性好，体密度较高，可制得高性能碳纤维，在碳纤维复合材料使用领域优于湿法纺丝碳纤维性能。
信息来源：中国玻璃纤维专业情报信息网
我国攻克干喷湿纺碳纤维
9月23日，中国纺织工业联合会在江苏省连云港市组织召开了由中复神鹰碳纤维有限责任公司、连云港鹰游纺机有限责任公司、中国复合材料集团有限公司以及江苏奥神集团有限责任公司承担的“干喷湿纺GQ45高性能碳纤维工程化关键技术及设备研发”项目技术成果鉴定会。
由中国工程院院士孙晋良、蒋士成任鉴定委员会正副主任的专家组形成的鉴定意见认为：“干喷湿纺GQ45高性能碳纤维工程化关键技术及设备研发”项目在国内率先突破了国际先进的干喷湿纺碳纤维制造技术，开发出了适用于干喷湿纺的均质化聚合系统、低扰度空气层纤维成型系统以及高速高倍蒸汽牵伸系统。项目在装备方面自主开发设计了快速换热的全混式60立方米聚合釜、干喷湿纺纤维成型装备、蒸汽牵伸装备、全套碳化关键装备以及高效溶剂回收和废气处理系统。基于以上关键技术和装备基础，制备出了各项指标均达到国标GQ4522标准的碳纤维产品，并应用于多家复合材料制造企业，反映良好。鉴定委员会一致认定SYT45产品达到了国内领先、国际同类产品先进水平。
据了解，中复神鹰碳纤维有限公司拥有全套自主研发的国际主流工艺干喷湿纺SYT45相当于T700级的高性能碳纤维原丝生产线和碳化生产线，中复神鹰成为我国惟一、也是世界上第三个攻克干喷湿纺工艺难题的企业。
公司经过4年研发，率先在国内打破了聚丙烯腈基高性能碳纤维的生产干喷湿法工艺，目前已经实现规模化生产并批量供应市场。
SYT45高性能碳纤维抗拉强度达到4.5GPa以上，模量达240GPa。广泛应用于工业、土木工程、医疗器械、体育用品、军事和航空航天等领域。开发高性能碳纤维SYT45不仅是现代化国防之急需，也是国家社会经济发展的需要。
干湿法纺丝又称干喷湿纺法。与湿法纺丝相比，干湿法纺丝可以进行高倍的喷丝头拉伸，纺丝速度高；干湿法纺丝可在空气层中形成一层致密的薄层，阻止大孔洞的形成，从而优于湿法纺丝。用干湿法纺丝得到的纤维，结构比较均匀，皮芯层差异小，强度和弹性均有提高，截面结构近似圆形，纤维表面光滑，纤维内部缺陷少。纺出的纤维致密性好，体密度较高，可制得高性能碳纤维，在碳纤维复合材料使用领域优于湿法纺丝碳纤维性能。
信息来源：中国玻璃纤维专业情报信息网
真是好贴。
为什么这么好的贴，人气却这么低，穿越贴却人气旺。
为什么这么好的贴，人气却这么低，穿越贴却人气旺。
cofg 发表于 2013-9-30 01:15
好象是分三段吧? 全球鹰那个机翼的难度并非想象那么高.
当初,国人主要是每天受翔龙无人机那段解说词影 ...
不仅仅是长度问题；
美帝“全球鹰”（30米翼展版本），在翼梢端压一个胖子地勤，机翼没有明显下垂；
这么长的单点支撑悬垂结构，这个结构强度就很难了。
好象是分三段吧? 全球鹰那个机翼的难度并非想象那么高.
当初,国人主要是每天受翔龙无人机那段解说词影 ...
不仅仅是长度问题；
美帝“全球鹰”（30米翼展版本），在翼梢端压一个胖子地勤，机翼没有明显下垂；
这么长的单点支撑悬垂结构，这个结构强度就很难了。
以下这篇文章是24楼文章的续集：
虽然不懂材料和成型这行，我也认真的看了2遍，感觉很好。
自己现在帮不上忙，只有顶这样的贴让更多的国人看到。
自己现在帮不上忙，只有顶这样的贴让更多的国人看到。
风不悲 发表于 2013-10-1 09:49
光说铺料什么的话风电风车叶片也是人工铺的，一次铺三四十米……国内好几家民企吧……
风电风车叶片一般采用真空辅助灌注成型，先预成型纤维，然后灌注树脂。航空一般采用的是热压罐工艺，用的是预浸料。这两者的铺料不太一样的。我没做过热压罐，不太了解。但目前国内叶片水平，离航空级很多吧，虽然号称设计寿命20年，只能呵呵了。
任何技术都不是不可实现的，有钱，有实干的、有能力的人，有永远不满足自己的态度，仅仅是时间问题。
光说铺料什么的话风电风车叶片也是人工铺的，一次铺三四十米……国内好几家民企吧……
风电风车叶片一般采用真空辅助灌注成型，先预成型纤维，然后灌注树脂。航空一般采用的是热压罐工艺，用的是预浸料。这两者的铺料不太一样的。我没做过热压罐，不太了解。但目前国内叶片水平，离航空级很多吧，虽然号称设计寿命20年，只能呵呵了。
任何技术都不是不可实现的，有钱，有实干的、有能力的人，有永远不满足自己的态度，仅仅是时间问题。
差距还是很大，我隔壁实验室的课题组就专接919的课题。
再来一篇，航空预研领域的泰斗，NASA出场！
http://www.frponline.com.cn/news/detail_103604.html
自动铺带技术在航空复合材料制造领域的应用
目前，复合材料已经成为航空航天领域的重要材料，航空工业的复合材料时代已经来临。以波音和空客为代表的大型客机波音787和空客A350，复合材料应用比例分别已达到和超过了50%，整个机身、机翼结构几乎全部采用了碳纤维复合材料（图1），取得了显著的经济效益。这些大尺寸复合材料构件，均采用了自动化制造技术，机身采用自动铺丝技术，机翼采用自动铺带技术。自动铺带技术在加工翼面类小曲率复合材料构件和某些梁、长桁等复合材料构件方面具有很强优势。
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自动铺带技术
自动铺带技术是将一定宽度的预浸带，通过铺带机的送进、裁剪、辊压功能，将材料铺叠在模具上，完成复合材料铺层的自动化铺叠。该技术易于实现自动化生产，可以有效地提高生产效率，降低劳动强度。铺带程序一旦固定，将重复操作，有利于提高制件的质量一致性，是一种低成本的复合材料自动化制造技术。自动铺带技术集成了自动铺带设备、自动铺带材料、自动铺带工艺等多项内容，是一项综合的复合材料自动化制造技术。
自动铺带设备
自动铺带设备是计算机控制技术、软件技术、机械设计与制造技术的结合。与金属加工机床类似，将金属切削功能变换为铺带功能。其核心是多系统协调控制的自动铺带头。在铺带头上集成了多个系统，包括材料的放卷和收卷系统、送进系统、缺陷检测系统、超声切割系统、加热系统、辊压系统等。材料的放卷和收卷实现预浸料的收放和背衬纸的回收。通常采用力矩电机执行，系统根据卷轴的半径和速度大小，实时输出变化扭矩，保持材料张力的恒定。送进系统主要包括材料的压紧、送进，同时要与铺叠进给速度匹配，实现预浸料带的送进与铺叠的同步控制。检测系统实现预浸料的缺陷检测，通常采用红外摄像装置，通过设定图像的对比度，检测衬纸撕裂等缺陷。超声切割系统，由超声发生器和超声刀组成，超声刀安装在旋转轴上实现不同角度的切割。切割过程刚好切断预浸料而不切断衬纸，因此要有精密的切深调节装置。切身调节时将刀尖抵住测量平台，测量装置将切刀的深度测量值实时显示，通过调节机械旋钮，实现切割深度的调节，调节精度为微米级。加热系统对于自动铺带机并不是必须的，取决于材料的粘性和工艺的实施方案，在某些特定的场合可以对材料加热，可以采用热风系统或红外加热装置。辊压系统将预浸料压实在模具上，为了保证压实的均匀性，在压辊的控制上要具有一定的柔性。首先压辊的选择通常是具有一定压缩特性的橡胶或者硅胶材料制成，压辊的支撑结构可采用浮动气缸结构，实现压辊上下运动的自适应性。并在压辊的两端加装压力传感器，实时检测压辊两端的压力，调节摆角机构，实现压力的均匀性。正是由于以上多系统的协调控制，增加了自动铺带设备的研制难度，因此国内在自动铺带设备的研制方面起步较晚，且一直处于跟踪模仿阶段。
目前，工程化应用的自动铺带设备有卧式结构和立式结构。卧式结构适合铺叠回转体零件，在航空复合材料制造领域应用较少，在航天领域有所报道，例如火箭筒段的铺带，该类设备与缠绕类似，可被缠绕和铺丝技术取代。目前，广泛应用于航空复合材料制造领域的是立式结构的铺带设备（图2），此类设备适合铺叠开敞式复合材料壁板的自动化铺叠。
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波音和空客是航空复合材料制造的佼佼者，在其大型客机的制造过程中大量采用立式自动铺带设备制造大型机翼、尾翼等蒙皮结构。设备主要来自欧美国家，如西班牙mtorres、美国mag集团辛辛那提、美国MAG集团Forest-Line。前两家生产的铺带机多为单工位自动铺带机。单工位自动铺带机在铺带头上有1~2把超声切割刀，切刀沿直线运动，同时可以进行旋转，与材料的送进合成角度的切割、材料的切割与铺叠交替进行。而美国MAG集团Forest-Line开发了离线切割与自动铺带相结合的双工位自动铺带机（图3）。自动铺带头带有两个工位，一个工位带有1把超声切割刀，进行大面积铺叠与切割；另外一个工位将预浸料在access下料机上进行预切割，通过软件和光学检测设备，对形状各异的料带进行在线检测，合格的料带通过精确的制孔定位技术按照铺放序列覆膜收卷，然后将卷盘装在双工位铺带头上，进行复杂轮廓料带铺叠，可以减少铺叠过程中废料去除时间，提高了生产效率。
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自动铺带材料
自动铺带机采用的材料是单向预浸带，宽度有75mm、150mm和300mm 3种，单面背衬纸。采用何种带宽的材料，涉及到制件的曲率大小、铺叠效率等因素。自动铺带机主要是利用压辊的变形量来适应曲面的曲率，保证材料铺叠过程的压实度。按照不产生架桥的规则采用的估算公式如下：→（1）
其中，R为零件曲率半径，L为压辊长度，△为压辊变形量。
目前，用于自动铺带工艺的单项窄带主要采用宽幅预浸料精密分切工艺。一般要求材料的宽度精度达到0.5mm，纤维连续，这样才能更好地控制铺叠间隙，同时要保证纤维的准直度。预浸料的分切要采用专用的分切设备，采用零背向处理工艺，保证预浸料和衬纸的有效贴合。分切设备要带有高精度纠偏机构，保证纤维的准制度，尽量避免纤维丝的切断，全过程进行张力控制，保证分切流畅和收卷整齐、松紧度合适，制备符合自动铺带要求的预浸带料卷，如图4所示。
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自动铺带工艺的实施
自动铺带工艺的实施过程主要分2个阶段，首先根据数模准备铺带程序，也就是铺带编程（图5）；然后在铺带机上执行程序进行铺叠。铺带编程通常是利用铺带设备配套的编程软件进行NC程序的编制，主要有以下几个步骤：铺带设计、料带展平、路径的规划与优化、计算和仿真模拟。将得到的APT文件进行后置处理，得到最终的NC程序。
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铺叠过程是将合适带宽的材料在数控系统的指令下，将材料按照铺层的顺序，铺叠在模具上。影响自动铺带工艺的参数主要有铺放压力、铺放速度、卷轴张力、铺放温度等。铺放压力影响铺叠的压实度和表面质量，需要针对不同的材料宽度设定不同的铺放压力。铺放速度是生产效率的关键因素，除了受到机床极限速度的限制，预浸料的性能和制件的曲率变化程度都会对铺放速度产生影响。通常，机床的极限速度一般能达到60m/min，但是实际生产过程中，很少能使用到这个速度，可根据具体需要综合考虑确定。卷轴张力包括预浸带卷轴张力和回收背衬纸的卷轴张力。铺放过程中，如果卷轴张力过小，预浸带会松弛，影响切割和铺带的尺寸稳定性；若卷轴张力过大，容易出现背衬纸剥离甚至撕裂现象，影响铺带机正常工作，可根据具体情况作适当调整。铺放温度，目前铺带机可以带有加热系统，加热装置可以是热风系统或者红外系统，对于粘性较差的预浸带，适当的铺放温度是必要的，过高的温度会对材料产生损伤，是绝对禁止的。对于粘性比较好的材料，尽量不采用加热装置，这对材料的性能提出了更高的要求。除了有效地控制铺叠工艺参数，压辊要时时与铺叠表面贴合，通常需要进行高度补偿和角度补偿。补偿的方法可以采用机械结构，比如弹簧结构或者气缸结构，也可以通过压力传感器等进行电气补偿，实时控制铺带头的姿态，使得铺叠流畅、压实均匀。
国外应用
国外大量采用自动铺带技术用于航空复合材料结构件的自动化制造。翼面类复合材料结构件可以直接在模具上进行铺叠，完成铺层的铺叠后，采用热压罐工艺进行固化，最终得到翼面类小曲率结构件。例如波音787的机翼蒙皮、空客A350的机翼蒙皮（图6）、中央翼蒙皮、A400M机翼蒙皮等；也可以通过平面铺带结合热成型工艺进行梁类大型复合材料构件的自动化制造，如A400M机翼大梁、A350的机翼长桁筋条。
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复合材料梁结构外形狭长、结构复杂，很难应用自动铺放技术，为了使这些大尺寸梁构件的生产也能享受自动化带来的好处，工程师把铺叠过程分成两个阶段：首先通过平面铺带铺叠出平板叠层，然后进行切割，得到正确的展平形状。平板的厚度一般在1~5mm范围之间，然后将平板叠层转移到热成型机上，使其整体贴合模具，然后再封装固化。热成型技术（Hot-Diaphragm Forming）已经应用A400M的机翼梁生产，如图7所示。A400M的每个机翼的翼梁分成两段制造，前翼梁分成12m和7m两段，后翼梁分成14m和5m两段，构件的尺寸比较大，如果仍然采用手工铺叠，效率太低，铺叠率一般只有0.75kg/h，因此在批生产中用铺带机进行铺叠，随后用热隔膜成型出“C”形截面梁，铺叠效率能达到25kg/h[1]。该工艺的成功不仅要归功于自动铺带技术和热隔膜成型工艺，还与材料性能有关，材料本身适合这种工艺，得到的制件就会满足质量的要求。A350采用的材料不适合这种工艺，所以采用了自动铺丝工艺，直接铺叠固化成型。可见，工艺方法的选择关系到各种因素，只有综合考虑，才能得到最佳的效益。
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结束语
随着我国大型客机的立项和复合材料制造技术的提升，自动铺带技术作为复合材料自动化制造技术的典型代表，将迎来难得的发展机遇。目前，国内航空企业已经开始引进大型铺带机，材料的制备工艺也取得了突破性的进展，但是工艺研究方面与国外先进技术还有差距，特别是向自动化、数字化、标准化方向发展，还需要借鉴国外先进的经验和技术。特别是要从最初的复合材料结构设计开始，考虑自动化带来的效益，实施面向材料与制造的结构设计理念，才能加快复合材料自动化制造技术应用，造出更轻、更快、更安全、更节能的大飞机。
自动铺带技术在航空复合材料制造领域的应用
目前，复合材料已经成为航空航天领域的重要材料，航空工业的复合材料时代已经来临。以波音和空客为代表的大型客机波音787和空客A350，复合材料应用比例分别已达到和超过了50%，整个机身、机翼结构几乎全部采用了碳纤维复合材料（图1），取得了显著的经济效益。这些大尺寸复合材料构件，均采用了自动化制造技术，机身采用自动铺丝技术，机翼采用自动铺带技术。自动铺带技术在加工翼面类小曲率复合材料构件和某些梁、长桁等复合材料构件方面具有很强优势。
自动铺带技术
自动铺带技术是将一定宽度的预浸带，通过铺带机的送进、裁剪、辊压功能，将材料铺叠在模具上，完成复合材料铺层的自动化铺叠。该技术易于实现自动化生产，可以有效地提高生产效率，降低劳动强度。铺带程序一旦固定，将重复操作，有利于提高制件的质量一致性，是一种低成本的复合材料自动化制造技术。自动铺带技术集成了自动铺带设备、自动铺带材料、自动铺带工艺等多项内容，是一项综合的复合材料自动化制造技术。
自动铺带设备
自动铺带设备是计算机控制技术、软件技术、机械设计与制造技术的结合。与金属加工机床类似，将金属切削功能变换为铺带功能。其核心是多系统协调控制的自动铺带头。在铺带头上集成了多个系统，包括材料的放卷和收卷系统、送进系统、缺陷检测系统、超声切割系统、加热系统、辊压系统等。材料的放卷和收卷实现预浸料的收放和背衬纸的回收。通常采用力矩电机执行，系统根据卷轴的半径和速度大小，实时输出变化扭矩，保持材料张力的恒定。送进系统主要包括材料的压紧、送进，同时要与铺叠进给速度匹配，实现预浸料带的送进与铺叠的同步控制。检测系统实现预浸料的缺陷检测，通常采用红外摄像装置，通过设定图像的对比度，检测衬纸撕裂等缺陷。超声切割系统，由超声发生器和超声刀组成，超声刀安装在旋转轴上实现不同角度的切割。切割过程刚好切断预浸料而不切断衬纸，因此要有精密的切深调节装置。切身调节时将刀尖抵住测量平台，测量装置将切刀的深度测量值实时显示，通过调节机械旋钮，实现切割深度的调节，调节精度为微米级。加热系统对于自动铺带机并不是必须的，取决于材料的粘性和工艺的实施方案，在某些特定的场合可以对材料加热，可以采用热风系统或红外加热装置。辊压系统将预浸料压实在模具上，为了保证压实的均匀性，在压辊的控制上要具有一定的柔性。首先压辊的选择通常是具有一定压缩特性的橡胶或者硅胶材料制成，压辊的支撑结构可采用浮动气缸结构，实现压辊上下运动的自适应性。并在压辊的两端加装压力传感器，实时检测压辊两端的压力，调节摆角机构，实现压力的均匀性。正是由于以上多系统的协调控制，增加了自动铺带设备的研制难度，因此国内在自动铺带设备的研制方面起步较晚，且一直处于跟踪模仿阶段。
目前，工程化应用的自动铺带设备有卧式结构和立式结构。卧式结构适合铺叠回转体零件，在航空复合材料制造领域应用较少，在航天领域有所报道，例如火箭筒段的铺带，该类设备与缠绕类似，可被缠绕和铺丝技术取代。目前，广泛应用于航空复合材料制造领域的是立式结构的铺带设备（图2），此类设备适合铺叠开敞式复合材料壁板的自动化铺叠。
波音和空客是航空复合材料制造的佼佼者，在其大型客机的制造过程中大量采用立式自动铺带设备制造大型机翼、尾翼等蒙皮结构。设备主要来自欧美国家，如西班牙mtorres、美国mag集团辛辛那提、美国MAG集团Forest-Line。前两家生产的铺带机多为单工位自动铺带机。单工位自动铺带机在铺带头上有1~2把超声切割刀，切刀沿直线运动，同时可以进行旋转，与材料的送进合成角度的切割、材料的切割与铺叠交替进行。而美国MAG集团Forest-Line开发了离线切割与自动铺带相结合的双工位自动铺带机（图3）。自动铺带头带有两个工位，一个工位带有1把超声切割刀，进行大面积铺叠与切割；另外一个工位将预浸料在access下料机上进行预切割，通过软件和光学检测设备，对形状各异的料带进行在线检测，合格的料带通过精确的制孔定位技术按照铺放序列覆膜收卷，然后将卷盘装在双工位铺带头上，进行复杂轮廓料带铺叠，可以减少铺叠过程中废料去除时间，提高了生产效率。
自动铺带材料
自动铺带机采用的材料是单向预浸带，宽度有75mm、150mm和300mm 3种，单面背衬纸。采用何种带宽的材料，涉及到制件的曲率大小、铺叠效率等因素。自动铺带机主要是利用压辊的变形量来适应曲面的曲率，保证材料铺叠过程的压实度。按照不产生架桥的规则采用的估算公式如下：→（1）
其中，R为零件曲率半径，L为压辊长度，△为压辊变形量。
目前，用于自动铺带工艺的单项窄带主要采用宽幅预浸料精密分切工艺。一般要求材料的宽度精度达到0.5mm，纤维连续，这样才能更好地控制铺叠间隙，同时要保证纤维的准直度。预浸料的分切要采用专用的分切设备，采用零背向处理工艺，保证预浸料和衬纸的有效贴合。分切设备要带有高精度纠偏机构，保证纤维的准制度，尽量避免纤维丝的切断，全过程进行张力控制，保证分切流畅和收卷整齐、松紧度合适，制备符合自动铺带要求的预浸带料卷，如图4所示。
自动铺带工艺的实施
自动铺带工艺的实施过程主要分2个阶段，首先根据数模准备铺带程序，也就是铺带编程（图5）；然后在铺带机上执行程序进行铺叠。铺带编程通常是利用铺带设备配套的编程软件进行NC程序的编制，主要有以下几个步骤：铺带设计、料带展平、路径的规划与优化、计算和仿真模拟。将得到的APT文件进行后置处理，得到最终的NC程序。
铺叠过程是将合适带宽的材料在数控系统的指令下，将材料按照铺层的顺序，铺叠在模具上。影响自动铺带工艺的参数主要有铺放压力、铺放速度、卷轴张力、铺放温度等。铺放压力影响铺叠的压实度和表面质量，需要针对不同的材料宽度设定不同的铺放压力。铺放速度是生产效率的关键因素，除了受到机床极限速度的限制，预浸料的性能和制件的曲率变化程度都会对铺放速度产生影响。通常，机床的极限速度一般能达到60m/min，但是实际生产过程中，很少能使用到这个速度，可根据具体需要综合考虑确定。卷轴张力包括预浸带卷轴张力和回收背衬纸的卷轴张力。铺放过程中，如果卷轴张力过小，预浸带会松弛，影响切割和铺带的尺寸稳定性；若卷轴张力过大，容易出现背衬纸剥离甚至撕裂现象，影响铺带机正常工作，可根据具体情况作适当调整。铺放温度，目前铺带机可以带有加热系统，加热装置可以是热风系统或者红外系统，对于粘性较差的预浸带，适当的铺放温度是必要的，过高的温度会对材料产生损伤，是绝对禁止的。对于粘性比较好的材料，尽量不采用加热装置，这对材料的性能提出了更高的要求。除了有效地控制铺叠工艺参数，压辊要时时与铺叠表面贴合，通常需要进行高度补偿和角度补偿。补偿的方法可以采用机械结构，比如弹簧结构或者气缸结构，也可以通过压力传感器等进行电气补偿，实时控制铺带头的姿态，使得铺叠流畅、压实均匀。
国外应用
国外大量采用自动铺带技术用于航空复合材料结构件的自动化制造。翼面类复合材料结构件可以直接在模具上进行铺叠，完成铺层的铺叠后，采用热压罐工艺进行固化，最终得到翼面类小曲率结构件。例如波音787的机翼蒙皮、空客A350的机翼蒙皮（图6）、中央翼蒙皮、A400M机翼蒙皮等；也可以通过平面铺带结合热成型工艺进行梁类大型复合材料构件的自动化制造，如A400M机翼大梁、A350的机翼长桁筋条。
复合材料梁结构外形狭长、结构复杂，很难应用自动铺放技术，为了使这些大尺寸梁构件的生产也能享受自动化带来的好处，工程师把铺叠过程分成两个阶段：首先通过平面铺带铺叠出平板叠层，然后进行切割，得到正确的展平形状。平板的厚度一般在1~5mm范围之间，然后将平板叠层转移到热成型机上，使其整体贴合模具，然后再封装固化。热成型技术（Hot-Diaphragm Forming）已经应用A400M的机翼梁生产，如图7所示。A400M的每个机翼的翼梁分成两段制造，前翼梁分成12m和7m两段，后翼梁分成14m和5m两段，构件的尺寸比较大，如果仍然采用手工铺叠，效率太低，铺叠率一般只有0.75kg/h，因此在批生产中用铺带机进行铺叠，随后用热隔膜成型出“C”形截面梁，铺叠效率能达到25kg/h[1]。该工艺的成功不仅要归功于自动铺带技术和热隔膜成型工艺，还与材料性能有关，材料本身适合这种工艺，得到的制件就会满足质量的要求。A350采用的材料不适合这种工艺，所以采用了自动铺丝工艺，直接铺叠固化成型。可见，工艺方法的选择关系到各种因素，只有综合考虑，才能得到最佳的效益。
结束语
随着我国大型客机的立项和复合材料制造技术的提升，自动铺带技术作为复合材料自动化制造技术的典型代表，将迎来难得的发展机遇。目前，国内航空企业已经开始引进大型铺带机，材料的制备工艺也取得了突破性的进展，但是工艺研究方面与国外先进技术还有差距，特别是向自动化、数字化、标准化方向发展，还需要借鉴国外先进的经验和技术。特别是要从最初的复合材料结构设计开始，考虑自动化带来的效益，实施面向材料与制造的结构设计理念，才能加快复合材料自动化制造技术应用，造出更轻、更快、更安全、更节能的大飞机。
就算中国工资较低也要考虑劳动生产率
应该说选材实际上是一个博物学的问题-_-