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复合材料结构整体化设计概念在民机上的应用 闫国良 刘兴宇 徐东明 第一飞机设计研究院 上海 200232 摘要：本文介绍了整体化设计的概念以及主要的结构形式，并对不同的整体化结构的特点进行了分析比较，给出 了其主要的优缺点。 同时介绍了整体化技术在目前民用飞机上的应用情况。 关键字：复合材料 整体化 结构设计 1 概述 先进复合材料(advanced composites)是适应航空、航天、军工等高科技领域的需要而发展起来 的一种高性能复合材料。目前，复合材料结构设计主要采用其良好的减重效果、耐疲劳以及抗腐蚀 性能。用作受力结构件，它解决了单一材料无法解决的技术难关。目前已经广泛用于运输类飞机结 构。复合材料本身的属性以及制造工艺使得复合材料结构趋向于整体化，多学科化。 复合材料材料设计和结构设计，材料成型和构件成型是同时一次完成的，不可分开的。制得的 产品既是复合材料，也是复合材料结构件。为了充分利用复合材料本身特点以及成型工艺的优势， 复合材料件的整体化设计概念在民机上有了进一步的应用，对整体化设计的研究必要性也进一步凸 显出来。 2 整体化设计 整体化设计是将若干个零件设计成一个较大的整体件，包括实心层合板以及通过胶接形成的整 体件，这些件可能共固化形成或多个零件通过再次胶接形成。 整体化设计中，将实现纤维传力路线连续性的结构整体受力布局设计与充分利用复合材料固化 成形工艺特点和工艺方法的有机结合是提高结构整体化程度的关键。计算机辅助设计与辅助制造 （CAD/CAM）先进分析模拟技术，为整体化设计提供了技术支持，在成本/效益杠杆作用下，整体化 设计的实施还将受到模具工装复杂程度和成本、设备尺寸、容量和设备更新改造所需费用的成本考 虑等限制。 先进复合材料的设计和制造必须从结构设计、材料、工艺和模具等方面综合考虑，并由这几方 面的技术人员协调配合才能完成。 3 整体化设计的主要形式及特点 先进复合材料的整体化设计可以大大减少零件数量，减少连接件和连接过渡区附加重量、减少 装配，并且总体和局部刚度好，是减轻结构重量、降低成本的有效技术途径。 3.1 常用的类型 目前常用的复合材料整体化结构有两种：一种是整体化实心层板结构，一种是夹芯整体成型结 构。结构的整体化程度是与所采用的复合材料结构整体成形工艺技术密切相关的，目前主要整体成 型工艺有：  共固化、二次固化、二次胶接工艺；  预成形件/RTM （或RFI）等液体成形工艺；  纤维缠绕工艺等。 3.2 不同形式的主要特点 3.2.1 整体化实心层板结构 如图1 所示，以加筋壁板为例，介绍两种形式整体化壁板帽形和工字形。每种形式的整体化壁 板根据设计方法以及成型过程的不同，又自上而下列举了三种情况，这三种情况整体化的程度也是 不同的。 帽形，图1 （a）： I：长桁和蒙皮分别固化成型，然后两者通过胶膜二次胶接在一起；并且，每个长桁铺层组相互 独立。此种设计，由于长桁铺层组与蒙皮铺层组独立设计，成型工艺与设计均较易。 II：长桁铺层组先固化，然后通过胶膜与预处理的蒙皮二次固化在一起；长桁铺层组以及蒙皮 铺层组进行关联设计。 III：长桁铺层组与蒙皮铺层组以及中间的芯子 （泡沫）整体固化成型，固化后，芯子不再取出； 长桁铺层组以及蒙皮铺层组进行关联设计。此种设计具有较好的工艺性，并且无明显的铺层组界面。 工字形，图1 （b）： I：长桁和蒙皮分别固化成型，然后两者通过胶膜二次胶接在一起；并且，每个长桁铺层组相互 独立。此种设计，由于长桁铺层组与蒙皮铺层组独立设计，成型工艺与设计均较易。 II：长桁与蒙皮共固化在一起；长桁铺层组相互独立，并且与蒙皮铺层组也相互独立。 III：长桁与蒙皮共固化在一起；长桁铺层组以及蒙皮铺层组进行关联设计。此种设计具有较好 的工艺性，并且无明显的铺层组界面。但由于长桁铺层组与蒙皮铺层组关联设计，为了保持铺层组 的对称均衡，防止扭曲变形，设计难度较大。 （a） （b） 图1 整体化加筋壁板结构 表 1 整体化实