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复合材料点阵与智能结构
林晔  审核人:   (点击: )

1、意义

复合材料点阵结构可望减少40%的结构重量;智能结构与气动外形耦合,大幅度提高飞行器适应各种飞行状态的能力;两者均为国际研究热点。

2、对未来飞行器的提升作用

轻质和多功能结构可用于大型客机的设计,提高飞行器的经济性;

三维点阵材料和点阵材料异形件设计与制备方法的突破,将满足大型飞机、载人航天与探月工程等国家级重大专项对于轻质材料与结构的需求;

对于未来飞行的高超音速飞行器,通过智能复合材料可以保持良好的空气动力学性能,而且在推进性和减轻机身自重方面将有很大的改进;

通过智能复合材料的适应与智能控制,实现未来六代机结构与气动外形耦合,大幅度提高飞行器适应各种飞行状态、极端隐身、变体等能力。

3、国内外研究发展现状与趋势

轻金属泡沫材料和蜂窝层板近年来已应用于航空/航天结构,而格栅型结构和点阵夹层结构是当前国际上认为最有前景的新一代先进轻质超强韧材料。轻质点阵材料具有极强的抗屈曲的能力,如在抵抗大屈曲载荷条件下,只需铝块材重量的40%,或碳纤维复合材料重量的75%。由点阵材料制成的构件还具有承载各向同性的特点,文献中也称其为“等承载桁架结构(Isotruss)”,特别适宜于机翼、机身这类会遭遇不定向突发载荷的结构。除上述重量轻、价格便宜、高抗屈曲与剪应力这些优点外,点阵材料还具有如下的优点:单一几何构型、高刚度杆系网架结构、强点阵节点连接、柔性设计、易于大尺寸与大直径构件制备。

 

金属丝编织的三维点阵结构

新型点阵材料夹层结构是当前国际上最有前景的先进轻质超强韧材料,已经开始应用于航空和航天结构,如飞机和卫星主体结构。美国波音公司已经和生产点阵材料的PYRAmatrix公司合作,将具有周期点阵的静不定杆网架作为机身的层芯材料,大大地降低了机身的重量。为进一步结构减重,美国/英国已经将点阵材料作为大型机翼的主干层芯,利用点阵材料结构的大量孔隙空间来存储燃料。为减轻结构重量,需要对不同材质以及同材质的各种连接形式、点阵多孔材料结构、夹芯层材结构等进行优化设计和强度分析研究。

智能复合材料是一类基于仿生学概念发展起来的高新技术材料,集成了传感器、信息处理器和功能驱动器等装置,可以实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自我保护等多种特殊功能,是实现飞行器结构与气动外形耦合,大幅度提高飞行器适应各种飞行状态能力的重要保障。美国国防部1997年颁布的“基础研究计划”,把先进智能材料与结构研究列为6项战略任务之一,包括美国弹道导弹防御局的“自适应结构计划”、陆军研究局的“智能材料与结构计划”,空、海军共同实施的“智能金属结构计划”,空军航天实验室的“智能结构/蒙皮计划”等。欧洲多国合作的高速飞行轻质先进材料的气动与热载荷相互作用计划(ATLLAS)包括来自企业、研究机构和高校在内的13家单位,目标是评估用于高速运输机持续超声速和高超声速飞行的机身材料,通过力学行为分析、数字和试验等关键技术研究,为长期(15-20年)轻质先进高速运输机提供可靠的技术基础。

 

智能复合材料的潜在应用——变形翼飞机

目前有多种智能复合材料已应用于航空航天领域,例如纤维增强形状记忆复合材料、压电陶瓷智能复合材料、整体增韧纤维抗氧化复合防热结构等。通过智能控制可以实现复合材料结构基本承载功能的同时,实现结构的隔热、降噪、减振、结构健康监控、智能检测等多功能,从而实现未来飞行器的多功能结构,达到结构使用高效和飞行高效。

 

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