復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)在飛行器中的應用

摘 要 隨著航空航天技術(shù)的不斷進步，復合材料因其優(yōu)異的力學性能和輕質(zhì)特性逐漸成為飛行器設(shè)計中的重要材料。復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)通過將復合材料與網(wǎng)格狀的加筋設(shè)計相結(jié)合，有效提升了結(jié)構(gòu)的承載能力和抗變形能力，滿足了飛行器在極端環(huán)境下的性能需求。本文探討了網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的基本概念、優(yōu)勢及其在飛行器中的應用。此外，隨著制造技術(shù)的進步，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造變得更加靈活和高效，推動了其在無人機及運載火箭等飛行器中的廣泛應用。最后，本文展望了復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展方向，旨在為未來飛行器的設(shè)計與應用提供新的思路和參考。

關(guān)鍵詞 復合材料；網(wǎng)格加筋；飛行器；制造工藝

Application of Composite Grid Stiffened Structure in Aircraft

WANG Lichao， QU Guangyan，ZHOU Xiuyan，SONG Lianglai，JING Jiaqi

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT With the continuous progress of aerospace technology， composite materials have gradually become important materials in aircraft design because of their excellent mechanical properties and light weight characteristics. In particular， the composite grid stiffened structure， by combining composite materials with grid reinforced design， effectively improves the bearing capacity and deformation resistance of the structure， and meets the performance requirements of aircraft in extreme environments. This paper discusses the basic concept， advantages and application of grid stiffened structure in aircraft. In addition， with the progress of manufacturing technology， the design and manufacture of grid stiffened structures have become more flexible and efficient， which has promoted their wide application in aircraft such as drones and launch vehicles. Finally， this paper looks forward to the future development direction of composite grid stiffened structure， aiming at providing new ideas and references for the design and application of future aircraft.

KEYWORDS composite material; grid stiffened; aircraft; manufacturing process

1 引言

隨著飛行技術(shù)的不斷進步，航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊笕找嫣岣?。傳統(tǒng)的金屬材料雖然在強度和韌性方面表現(xiàn)出色，但其存在自重較大、抗腐蝕性和疲勞性能相對較差的問題，限制了飛行器的整體性能和效率。因此，復合材料因其優(yōu)異的力學性能、輕質(zhì)特性以及良好的耐腐蝕性，逐漸成為航天領(lǐng)域的重要研究方向。特別是在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，復合材料的應用為飛行器的輕量化和高性能需求提供了新的解決方案[1-5]。其中，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)近年來憑借其優(yōu)異的力學性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，正逐步受到工程師的青睞。

復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)通過將復合材料與網(wǎng)格狀的加筋設(shè)計相結(jié)合，能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抗變形能力。這種結(jié)構(gòu)不僅能夠在減輕自重的同時，保持良好的剛度和強度，還能在極端環(huán)境下，如高溫、低溫和輻射等條件下，展現(xiàn)出優(yōu)越的性能。此外，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計靈活性使得其可以根據(jù)不同的航天任務(wù)需求進行優(yōu)化，適應多樣化的應用場景。近年來，隨著計算機輔助設(shè)計（CAD）和有限元分析（FEA）等先進技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析變得更加精確和高效，使得其在飛行器的機身、翼面及其他關(guān)鍵部件中的應用成為可能。本文將探討復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)在飛行器領(lǐng)域的應用進展，旨在為未來飛行器的輕量化和高性能設(shè)計提供新的思路和參考。

2 網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的概念及優(yōu)勢

2.1 網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的概念

網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)是一種由多個交錯的桿件或梁件組成的空間結(jié)構(gòu)，具有獨特的幾何形狀和力學特性。其設(shè)計理念基于通過網(wǎng)格形式的加筋設(shè)計來提高結(jié)構(gòu)的抗彎、抗扭和抗壓能力。這種結(jié)構(gòu)的最大特點在于其能夠有效地分散施加在其上的載荷，確保結(jié)構(gòu)在不同條件下的穩(wěn)定性和安全性。同時，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)在保證強度的基礎(chǔ)上，顯著降低自重，使其在航空航天、建筑、交通等領(lǐng)域的應用愈加廣泛。圖1是一種常見網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)。

在飛行器的設(shè)計中，重量是一個至關(guān)重要的因素。每一克的減重都可能帶來飛行成本的顯著降低，因此，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的輕量化特性使其成為理想的選擇。此外，現(xiàn)代制造工藝的不斷進步，尤其是復合材料的應用，進一步提升了網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的性能，使得其設(shè)計和制備變得更加可行。通過合理的設(shè)計，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)不僅能夠滿足飛行器高強度、高剛度的要求，還能在極端環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。

2.2 網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

2.2.1 輕量化

網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念旨在通過合理的幾何形狀和材料分布來降低自重。與傳統(tǒng)的實體結(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能夠在保持承載能力的同時，顯著減少材料的使用量。這種輕量化特性對于航空航天等對重量極為敏感的領(lǐng)域尤為重要，因為發(fā)射成本與重量成正比。通過采用輕質(zhì)復合材料，如碳纖維和玻璃纖維，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的自重得以進一步降低。這不僅提高了飛行器的運輸效率，還能夠增加有效載荷，使得航天任務(wù)的實施更加經(jīng)濟高效。

2.2.2 高強度和剛度

網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計使其在承受外部載荷時展現(xiàn)出優(yōu)異的強度和剛度。通過合理的桿件布局和材料選擇，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能夠有效地分散施加在其上的力，避免局部應力集中，從而減少材料的疲勞和損壞。復合材料的應用進一步增強了網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的承載能力，使其能夠在飛行器飛行過程中抵抗各種外部力的影響，如氣動載荷、重力和振動等。這種高強度和高剛度的特性，使得網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)在極端條件下仍能保持良好的性能，確保飛行器的安全和穩(wěn)定。

2.2.3 優(yōu)良的抗沖擊性能

飛行器的發(fā)射和飛行過程中可能會遭遇高能量的沖擊，這時的網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的分布式特性顯得尤為重要。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)通過合理設(shè)計能夠有效吸收和分散沖擊能量，保護內(nèi)部設(shè)備不受損害。與傳統(tǒng)的實心結(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的韌性更強，能夠在沖擊發(fā)生時保持形狀穩(wěn)定性，避免因局部損壞導致的整體失效。這種優(yōu)良的抗沖擊性能不僅提高了飛行器的可靠性，也為復雜環(huán)境下的安全運行提供了保障。

2.2.4 制造靈活性

目前，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)主要成型方法包括纖維纏繞成型、模壓成型、嵌鎖成型工藝。隨著增材制造技術(shù)等新興成型方法的不斷發(fā)展，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)變得更加靈活和高效。增材制造技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)復雜形狀的設(shè)計，還能減少材料浪費，提高生產(chǎn)效率。這種靈活性使得在不同任務(wù)需求下的快速響應成為可能。例如，在飛行器的設(shè)計過程中，可以根據(jù)不同的任務(wù)要求，快速調(diào)整網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，以適應特定的環(huán)境條件和載荷需求。此外，增材制造技術(shù)的應用還使得定制化生產(chǎn)成為可能，能夠根據(jù)不同客戶的需求，生產(chǎn)出多種形式的網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)。

2.2.5 熱管理能力

網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的多孔性設(shè)計有助于熱量的分散和管理，確保飛行器在極端溫度條件下的正常運行。飛行器在進入大氣層或在太空中飛行時，會經(jīng)歷劇烈的溫度變化，良好的熱管理能力對于保護內(nèi)部設(shè)備至關(guān)重要。網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計能夠有效地促進空氣流動，增強熱交換效率，從而保持結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性。此外，復合材料在高溫和低溫環(huán)境中的優(yōu)異性能，使得網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)能夠在極端溫度條件下保持良好的機械性能，防止因溫度波動導致的性能下降。

3 復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)成型方法及應用

3.1 網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)成型方法

3.1.1 纖維纏繞成型

纖維纏繞成型是網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)成型中比較常用的工藝，在該方法中，纖維材料按照預定的路徑纏繞在模具上，形成所需的網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)。通過控制纏繞的角度和層數(shù)，可以精確調(diào)節(jié)復合材料的力學性能和結(jié)構(gòu)形狀。纖維纏繞技術(shù)適用于復雜形狀的構(gòu)件，并且能夠有效提高材料的強度和剛性。

3.1.2 模壓成型

模壓成型利用加熱模具對預先鋪設(shè)的纖維增強材料施加高溫高壓，從而使材料在模具中固化成型。模壓成型能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高重復性，適合大規(guī)模生產(chǎn)。通過調(diào)整模具的溫度和壓力，可以優(yōu)化材料的流動性和成型效果，確保最終產(chǎn)品的表觀質(zhì)量和力學性能。

3.1.3 嵌鎖成型工藝

嵌鎖成型工藝采用特定的模具設(shè)計，使不同部件在成型過程中能夠相互嵌鎖，從而形成穩(wěn)定的網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)。嵌鎖成型可有效減少結(jié)構(gòu)中的應力集中，提高整體承載能力和穩(wěn)定性。

3.2 網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)在飛行器中的應用

網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)異的高比強度和輕質(zhì)特性，不僅能夠有效減輕飛行器的整體重量，還能在承受高載荷和極端環(huán)境條件下保持良好的穩(wěn)定性和強度。俄羅斯在網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)方面的研究較早，并將相關(guān)研究應用與飛行器，實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。俄羅斯在質(zhì)子-M商用飛行器發(fā)射裝置上應用的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)直徑超過4 m。隨著復合材料技術(shù)的成熟，網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)在運載火箭的燃料貯箱、級間段、整流罩以及飛機天線罩等結(jié)構(gòu)中得到了越來越多的應用[6-8]。

在無人機領(lǐng)域，以X-45A、RQ-4等型號無人機為例，復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)同樣具有較多的應用[9]，相關(guān)的應用案例如表1所示[10]。

哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司是我國最早開展復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)研究的單位之一，獨創(chuàng)了正置正交網(wǎng)格筋、矩形網(wǎng)格筋、六邊形網(wǎng)格筋以及高加強網(wǎng)格筋和密加強筋等。采用加強/蒙皮一次共固化成型，實現(xiàn)了高結(jié)構(gòu)效率，與鋁合金相比減重達30%以上，哈玻院生產(chǎn)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)產(chǎn)品如圖2所示。

4 網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)技術(shù)未來發(fā)展方向

（1）輕量化設(shè)計

輕量化設(shè)計是飛行器工程中最為核心的目標之一，直接影響到飛行器的燃油效率、載荷能力和飛行性能。網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)在飛行器中應用的初衷是減重的同時，滿足其他方面性能要求。因此未來輕量化仍是復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。未來，隨著碳納米管、石墨烯增強復合材料等新型復合材料的不斷研發(fā)，將進一步推動輕量化設(shè)計的實現(xiàn)。此外，利用拓撲優(yōu)化和參數(shù)化設(shè)計等先進設(shè)計方法，可以在設(shè)計階段通過計算機模擬找到最優(yōu)的材料分布和結(jié)構(gòu)形式，以達到最佳的輕量化效果。

（2）多功能集成

未來的飛行器需要具備多種功能，如監(jiān)測、通信、能量收集等。復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)可以通過嵌入傳感器、光伏電池、加熱元件等實現(xiàn)多功能集成。例如，結(jié)構(gòu)內(nèi)部可以集成健康監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測材料的應力、溫度和濕度等狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障。此外，利用智能材料（如形狀記憶合金）和自愈合材料的結(jié)合，復合材料結(jié)構(gòu)不僅可以承載負載，還可以在受到損傷時自動修復，提升結(jié)構(gòu)的整體可靠性和使用壽命。

（3）先進制造技術(shù)

目前復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)主要成型方法包括纖維纏繞成型、模壓成型盒嵌鎖成型等。隨著3D打印、自動化鋪層和機器人制造等技術(shù)的快速發(fā)展，復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的制造過程將變得更加高效和精確。3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)復雜幾何形狀的快速制造，減少材料浪費，并能在設(shè)計過程中進行靈活調(diào)整。自動化鋪層技術(shù)則可以提高復合材料的鋪設(shè)精度，確保材料性能的一致性。此外，數(shù)字化制造和智能化生產(chǎn)線的引入，將使得整個制造過程實現(xiàn)實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)反饋，進一步提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）耐久性與可靠性提升

復合材料的耐久性和可靠性是飛行器設(shè)計中的重要考量。未來的研究將集中在提高復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的耐久性上，包括耐疲勞、耐腐蝕和耐高溫等性能的提升。通過改進材料配方，例如添加抗氧化劑和抗紫外線劑，可以增強復合材料在惡劣環(huán)境下的性能。此外，利用先進的無損檢測技術(shù)（如超聲波檢測、紅外熱成像等），可以實現(xiàn)對材料狀態(tài)的實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷和損傷，確保飛行器的安全性和可靠性。

（5）環(huán)境友好型材料的應用

隨著全球?qū)Νh(huán)保的重視，未來的復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)將更加注重使用環(huán)境友好型材料。生物基復合材料和可回收材料的應用，將使得飛行器的制造和使用更加可持續(xù)。例如，利用植物纖維增強的復合材料，不僅能夠降低碳足跡，還能在性能上滿足飛行器的要求。此外，研發(fā)新型的可回收復合材料可以在飛行器退役后進行有效的回收和再利用，減少資源浪費和環(huán)境污染。

（6）復合材料的優(yōu)化設(shè)計與仿真技術(shù)

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，復合材料的優(yōu)化設(shè)計與仿真技術(shù)將得到廣泛應用。通過先進的有限元分析和多學科優(yōu)化設(shè)計，可以在設(shè)計初期就對復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)進行全面的性能評估和優(yōu)化。這種方法不僅提高了設(shè)計的效率，還能夠在設(shè)計階段預測和規(guī)避潛在的問題，降低后期的修改成本。此外，基于機器學習和人工智能的優(yōu)化算法，將使得設(shè)計過程更加智能化、自適應，能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行動態(tài)調(diào)整，提升設(shè)計的靈活性和適應性。

（7）應用領(lǐng)域的拓展

復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的應用不僅限于傳統(tǒng)的民用和軍用飛行器，未來還將拓展到太空飛行器、垂直起降飛行器等眾多新興領(lǐng)域，未來將面向更多應用領(lǐng)域進行技術(shù)轉(zhuǎn)化。隨著材料科學和工程技術(shù)的不斷進步，復合材料網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的應用范圍將進一步擴大，成為未來飛行器設(shè)計的重要組成部分。

參 考 文 獻

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