Applications des structures sandwich composites en nid d'abeille dans les avions civils

Abstrait:Les structures sandwich composites en nid d'abeille sont utilisées dans un grand nombre d'applications dans le domaine des avions civils, qui se caractérisent par une résistance élevée, une rigidité spécifique élevée, une faible densité, de bonnes propriétés de compression et de flexion, etc. Les pièces d'application comprennent le fuselage, le capot moteur, le carénage, la trappe, le couvercle d'antenne, le bord d'attaque, etc. Le grand nombre d’applications de la structure sandwich en nid d’abeille réduit considérablement le poids de la structure de l’avion. Avec les progrès du processus de moulage et l'amélioration des propriétés des matériaux, la structure sandwich en nid d'abeille est progressivement appliquée au sol et aux autres structures porteuses principales. Cet article analyse tout d’abord les progrès de la recherche et le processus de développement des structures sandwich en nid d’abeille. Deuxièmement, il traite de l'application de structures sandwich en nid d'abeille sur des composants d'avion typiques. Enfin, il présente l'état actuel de l'application de la structure sandwich en nid d'abeille sur le plancher des avions civils.

001 Introduction

Avec le développement socio-économique, le domaine des transports, notamment aérien, est confronté à deux tâches : la réduction globale du poids des structures et la question des bénéfices directement liés à la réduction du poids - la réduction de la consommation de carburant. Le poids structurel et la consommation de carburant sont particulièrement importants dans le domaine aéronautique. Actuellement, les structures sandwich en nid d'abeille sont largement utilisées dans les fuselages, les écoutilles, les ailes, les empennages, les planchers, les carénages et les caches d'antennes de l'industrie aéronautique. Les structures sandwich en nid d'abeille offrent un bon rapport résistance-/-poids. Par rapport aux peaux composites, elles résistent mieux aux charges latérales et de flexion en raison de leur forme structurelle, qui consiste en un noyau épais et léger entouré de deux couches minces et rigides.

Le grand nombre d'applications des structures sandwich en nid d'abeille a permis de réduire considérablement le poids des structures d'avion, grâce à leurs bonnes propriétés en compression et en flexion, à tel point que les structures sandwich en nid d'abeille s'orientent progressivement vers des structures porteuses principales telles que les planchers. Le contenu de cet article est principalement divisé en trois parties : premièrement, il analyse les progrès de la recherche et le processus de développement de la structure sandwich en nid d'abeille ; deuxièmement, il combine l'application d'une structure sandwich en nid d'abeille sur des composants d'avion typiques avec les modèles actuellement utilisés ; enfin, il présente l'état actuel de l'application de la structure sandwich en nid d'abeille sur les planchers des avions civils.

002 Structure sandwich en nid d'abeille

La structure sandwich en nid d'abeille, issue de la bionique, se caractérise par une résistance spécifique élevée, une rigidité spécifique élevée et un poids léger par rapport au même type de matériau solide, et a donc été largement utilisée dans l'aviation, les transports et d'autres domaines. La structure sandwich composite en nid d'abeille peut améliorer efficacement la rigidité en flexion et améliorer la capacité à résister aux moments de flexion et aux pressions avec une très faible augmentation de poids, ce qui en fait une structure légère plus idéale pour l'aviation.

Les structures sandwich composites en nid d'abeilles se composent de trois composants : des panneaux, une âme en nid d'abeilles et un adhésif.

(1) Panneau. Le panneau est la principale partie porteuse-de la structure sandwich. Comparé au matériau de base, le matériau du panneau se caractérise par une densité élevée, un module élevé et une résistance élevée. Le matériau du panneau composite est généralement un alliage d'aluminium, un alliage de titane, du plastique renforcé de fibre de verre et d'autres matériaux. La plupart des rubans unidirectionnels ou des tissus composites en fibre de carbone ou en fibre de verre sont actuellement utilisés dans les structures aérospatiales.

(2) Noyau en nid d'abeille. Les performances de la structure sandwich en nid d'abeille et la géométrie du nid d'abeille sont liées au matériau de l'âme en nid d'abeille. En général, les âmes en nid d'abeilles sont disponibles sous forme d'âme en nid d'abeilles en aluminium, en nid d'abeilles en aramide, en nid d'abeilles en fibre de verre, etc. selon le matériau. Le nid d'abeilles en aramide est divisé en nid d'abeilles en méta-aramide et en nid d'abeilles en para-aramide. Le nid d'abeilles méso-aramide est un méta-aramide obtenu par polycondensation interfaciale ou polycondensation en solution à basse température-de chlorure de m-toluène dicarbonyle (MDCL) et de m-phénylènediamine (MPA). Le plus courant sur le marché est le méta-aramide inventé et utilisé pour la première fois par DuPont dans les années 1960. Le nid d'abeilles en para-aramide est une polycondensation de p-phénylènediamine et de chlorure de p-phénylènedicarbonyle pour obtenir du para-aramide, nom commercial Kevlar. Le noyau en nid d'abeilles en aramide existant est principalement du méta-aramide, et la recherche sur le para-aramide est très peu développée. Les principaux modèles d'application sont présentés dans le tableau 1. Le nid d'abeilles en papier aramide (combinaison NOMEX) est constitué de papier aramide humidifié avec de la résine phénolique. Comparé au nid d'abeilles en aluminium, le nid d'abeilles en aramide est beaucoup plus résistant à l'instabilité locale car la cellule en nid d'abeilles du nid d'abeilles en aramide est plus épaisse que celle du nid d'abeilles en aluminium. La préparation du nid d'abeilles Nomex comprend neuf processus : collage du papier aramide, stratification, pressage, coupe, étirement, dimensionnement, trempage, durcissement et tranchage. AVIC Composites Co., Ltd. a amélioré le processus de collage par immersion du nid d'abeilles en aramide, a conclu les paramètres du processus tels que l'épaisseur des cellules et du papier et en a déduit la formule empirique pour le contrôle de la densité. Suzhou Fanglei Honeycomb Composites Co., Ltd. utilise du papier aramide domestique pour préparer le nid d'abeilles, ses propriétés de compression et de cisaillement ont pu répondre aux exigences de HB5435-89 et BMS8-124, les propriétés diélectriques et ignifuges répondent également aux exigences standard. Meishi, une filiale du groupe chinois Yantai Spandex Group Co., Ltd., a préparé différents types d'âmes en nid d'abeilles à partir de son papier méta-aramide grâce à une série de processus matures. La résistance à la compression dans le plan et la résistance au cisaillement de son noyau et de sa structure sandwich à température ambiante sont capables d'atteindre les valeurs d'indice de la norme Boeing BMS8-124 et peuvent répondre aux exigences d'utilisation des propriétés mécaniques.

Languette.1 Principaux modèles d'application de type nid d'abeille

(3) Adhésif. L'adhésif utilisé pour les structures sandwich en nid d'abeilles pour l'aviation est généralement un adhésif structurel. Les adhésifs structurels sont ceux qui peuvent résister à une force considérable pendant une période de temps prédéterminée, dans l'environnement dans lequel ils sont utilisés, et ont une résistance et une durée de vie durable qui correspondent à celles de l'objet auquel ils sont collés. Selon la matrice de résine, elle est généralement divisée en trois grandes catégories. La première résine époxy présente les avantages d'une excellente finition, d'une longue période d'application et d'une résistance à la température la plus élevée allant jusqu'à 232 degrés ; La deuxième catégorie est le bismaléimide, qui peut atteindre des températures supérieures à 232 degrés et est principalement utilisé dans les avions militaires avec des températures plus élevées ; Le troisième est le type d'ester de cyanoacide, qui présente une excellente résistance à la température, à la diélectricité et à la chaleur et à l'humidité. Il est donc principalement utilisé dans les composants ayant des exigences de performance électrique des composants. L'aviation utilise couramment un adhésif structurel à base de résine époxy, comme indiqué dans le tableau 2. Les sociétés américaines Hexcel, Cytec et d'autres sociétés ont développé diverses utilisations du système de matériaux et, ces dernières années, la société nationale AVIC Composite a également développé un système de résine à moyenne et haute température, tel que BA9913, BA9916, SY-24C-300, etc.

Languette.2 Adhésifs structurels pour l'aviation nationale et étrangère

003 Structures sandwich en nid d'abeille sur des composants typiques d'avions

En ce qui concerne les gros avions civils, le Boeing 747 (dont le premier vol a eu lieu le 9 février 1969) a été conçu avec un pourcentage important de construction en sandwich (Figure 1). Il a environ la moitié de la surface de l'aile, y compris les bords d'attaque et de fuite, en fibre de verre et en nid d'abeille Nomex. Dans le Boeing 747, la coque cylindrique du fuselage est principalement en nid d'abeille Nomex, et le plancher, les panneaux latéraux, les poubelles aériennes et le plafond sont également en nid d'abeille. La plupart des rabats sont constitués de la même structure en nid d'abeille, mais du nid d'abeille et une peau en aluminium sont également utilisés. Les applications de structure sandwich en nid d'abeille sur le B787 incluent le gouvernail de direction, la gouverne de profondeur, les bouts d'ailes et les nacelles du moteur. Parmi eux, les nacelles moteur et les inverseurs de poussée sont constitués de nid d'abeille HexWeb et de préimprégné HexPly8552/AS4. Avec les avantages d'une légèreté et d'une rigidité élevée, ainsi que d'une absorption acoustique, le nid d'abeille HexWeb a été utilisé par tous les principaux constructeurs de moteurs dans le monde. Pour le Boeing 707, seulement 8 % sont en nid d'abeille, et pour le Boeing 757/46 plus récent, 46 % sont en nid d'abeille.

figue.1 Illustration d'une partie de l'application structure sandwich du B747 (zone bleue)

La structure sandwich en nid d'abeille utilisée dans les grands avions civils est la plus ancienne du gouvernail de l'Airbus A310, puis utilisée dans le gouvernail de l'A320 et de l'A340. La plus grande structure sandwich en nid d'abeille est le gouvernail de l'A340, d'une superficie de 15,3 m.²de structure sandwich en nid d'abeilles. La plus grande dose d'avion-pour l'avion A380, la quantité de sa structure sandwich en nid d'abeilles s'élevait à 4 000 m², principalement utilisé pour les composants structurels de grande-taille, notamment le carénage ventral, le revêtement de sol, etc. Et le revêtement de sol est principalement constitué de panneaux sandwich Gillfab4909 de MC GillCorp. Nid d'abeille en Kevlar. La structure du plancher de l'Airbus A380 est constituée d'un grand nombre de composites sandwich en nid d'abeille Nomex, qui sont d'excellents matériaux qui permettent à l'A380 d'atteindre une durée de vie opérationnelle de 20 000 heures, garantissant que l'avion peut être en service pendant plus de 10 ans. Depuis, l'utilisation des composites s'est considérablement développée, notamment avec l'ATR72, qui fut le premier avion civil à être certifié avec une structure de base en carbone (caisson d'aile) (voir Figure 2). Comme le montre la figure 3, la proportion de matériaux sandwich dans les structures secondaires a diminué. Pour l'A380, le Boeing 787 ou l'Airbus A350, seuls le carénage ventral, les nacelles et les portes de train avant, certains ailerons et gouvernes de direction sont encore en construction sandwich, le reste étant des structures monolithiques autorenforcées.

Fig. 2 Application des composites ATR72

(a) Structure sandwich de l'A380 (b) Structure sandwich de l'A350 et du B787 ensemble de composites structure

figue.3 Schéma de la structure sandwich d'un avion

Par rapport aux avions civils, l'application de la structure sandwich en nid d'abeille dans les avions généraux se manifeste principalement dans l'utilisation du fuselage, comme les avions PremierI de HawkerBeechcraf, Hawker 4000 et IA « Premier Ministre », l'avion Bombardier Aéronautique Learjet 85, etc. PremierI est le premier avion d'affaires à fuselage entièrement composite certifié par la FAA-, l'ensemble du fuselage est constitué de panneaux de carbone à structure sandwich en nid d'abeille, d'une épaisseur totale de 20,6 mm, le fuselage est exempt de fermes et de cadres, par rapport à la structure en aluminium traditionnelle pour réduire le poids de 25 % et augmenter de 13 % l'espace de la cabine. La structure du fuselage de l'avion Hawker 4000 actuellement en production se compose de trois structures de barillet reliées au niveau des ailes, les barillets sont des structures sandwich en nid d'abeille et la peau est posée à l'aide de la machine de pose de fils automatisée Viper de MAG Cincinnati. Les composants composites à structure sandwich en nid d'abeille Nomex sont utilisés dans un grand nombre d'applications en Russie pour les composants d'avions tels que les volets, les ailerons, les panneaux muraux du fuselage, les moteurs, les cockpits, les compartiments de fret, les empennages horizontaux, les bords d'attaque des ailes, les poutres de queue de rotor d'hélicoptère et d'autres composants d'avion.

La production nationale par AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd. et d'autres unités d'un grand nombre de matériaux composites à matrice de résine (tels que la drogue, la palette, la queue plate et le rotor, etc.) et de matériaux composites à structure sandwich en nid d'abeille Nomex (panneaux de fuselage, planchers, poutres de queue, etc.), ce qui réduit considérablement le poids de l'ensemble du fuselage, améliore la résistance à la fatigue des composants et améliore les caractéristiques aérodynamiques afin d'améliorer la qualité de vol de l'hélicoptère. On estime qu’outre le moteur et la transmission, près de 300 pièces d’avion sont fabriquées à partir de composites sandwich en nid d’abeille Nomex. Toutes les pièces utilisent des matériaux à âme en nid d'abeille Nomex de 3 densités et 12 spécifications. La quantité de matériaux d'âme en nid d'abeille Nomex dans l'ensemble du fuselage est supérieure à 200 m2 et sa zone de couverture représente environ 80 % de l'ensemble du fuselage, qui est l'un des types d'avions qui utilisent le plus les composites structurels sandwich en nid d'abeille Nomex en Chine à l'heure actuelle.

004 Application de structure sandwich en nid d'abeille sur plancher d'avion civil

4.1 État de la recherche sur les revêtements de sol pour les passagers et les compartiments de fret des avions

Les planchers d'avions conventionnels, les planchers de passagers et de fret sont construits en métal. Chaque étage comporte des centaines de rivets et de vis, mais nécessite également l'utilisation de patins élastiques et d'isolation de la structure du fuselage, ce qui est donc coûteux. Et l'utilisation de matériaux composites peut considérablement améliorer la structure du sol en termes de résistance, de rigidité, de fatigue et de résistance à la corrosion, peut réduire les connecteurs d'un ordre de grandeur et peut réduire considérablement le poids de la structure du sol.

Le panneau de la structure sandwich composite du plancher de l'avion est généralement constitué de préimprégné de fibre de verre, de fibre de carbone et de préimprégné de Kevlar, et la matrice est choisie parmi une résine époxy ou une résine phénolique. Les âmes en nid d'abeilles sont couramment utilisées avec le nid d'abeilles Nomex.

figue.4 Plancher des compartiments passagers et cargo de l'avion

4.2 Application des structures sandwich aux planchers

Le plancher de la cabine principale de l'hélicoptère civil Chinook modèle 234 de Boeing mesure 2,5 mx 2,2 m chacun et se compose de quatre panneaux. Les panneaux sont des composites fibre de verre/Kevlar49 avec des âmes en nid d'abeilles Nomex, et le plancher sandwich comporte quatre couches de panneaux supérieur et inférieur chacune, symétriques à l'âme en nid d'abeilles au milieu. Les première et deuxième couches sont un préimprégné de fibre de verre à 0 degré, et les troisième et quatrième couches sont un préimprégné de fibre Kevlar49 à 0 degré. Le noyau Nomex a une hauteur de 38 mm, une longueur de cellule de 2 mm et une densité de 48 kg/m3. Les panneaux et l'âme sont collés ensemble avec le film adhésif EA9. La structure sandwich composite est également choisie pour le plancher de la cabine des Boeing 777, Boeing 787 Dreamliner et d'autres modèles d'avions.

MC GillCorp. production du panneau de structure sandwich Gillfab4223, sélection de tissu en fibre de verre, matrice pour la résine phénolique, noyau pour le nid d'abeilles méta-aramide GillcoreHD, sélection de film adhésif du système époxy. L'épaisseur de l'ensemble de la structure sandwich est de 12,6 mm, l'épaisseur du panneau supérieur est de 1,27 mm et l'épaisseur du panneau inférieur est de 0,508 mm. La structure sandwich Gillfab4223 est utilisée dans les Airbus A318/ A319/ A320/ A321/ A330/ A340/ A300/ A310/ A300-600. MC GillCorp. production du panneau de structure sandwich Gillfab4505, sélection de la ceinture unidirectionnelle en fibre de carbone (la couche de surface pour le préimprégné de fibre de verre), de la matrice pour la résine phénolique, du noyau pour le nid d'abeille méta-aramide GillcoreHD, sélection du film adhésif du système époxy. L'épaisseur de l'ensemble de la structure sandwich est de 9,5 mm et l'épaisseur des panneaux supérieur et inférieur est de 0,5 mm. La structure sandwich Gillfab4505 est utilisée dans les Airbus A318/A319/A320/A321/A330/A340.

Le plancher de chargement du Fokker 100 est une structure relativement simple, qui est une structure sandwich composite avec une peau externe de feuilles de composites thermoplastiques hautes-performances et un noyau en nid d'abeilles Nomex. La peau et l'âme sont collées ensemble avec un film époxy.

Le plancher de la soute d'un certain modèle de structure sandwich en nid d'abeilles Nomex a été préparé par moulage par presse à chaud en utilisant un préimprégné de résine phénolique renforcée par de la fibre de verre comme matière première du panneau par Niu Fangxu et al. de Beijing Glass Steel Institute Composites Ltd. Les propriétés mécaniques et les propriétés ignifuges du sol ont été systématiquement évaluées, et les effets du type de préimprégné, de la température de durcissement et du processus de moulage sur les propriétés mécaniques des panneaux en nid d'abeille ont été analysés, et les facteurs d'influence des propriétés ignifuges des panneaux en nid d'abeille ont été étudiés. Les résultats montrent que les propriétés mécaniques du plancher du compartiment à bagages préparé avec du préimprégné -fabriqué maison sont excellentes, avec une charge ultime de flexion des poutres longues jusqu'à 4348N, une déflexion de seulement 6,79 mm sous une charge de 445N, des performances d'impact jusqu'à 17,1J et une résistance au pelage des rouleaux jusqu'à 66,4N-mm/mm, et en même temps, répondant aux exigences strictes en matière d'ignifugation, ce qui peut réaliser la substitution localisée des matériaux de revêtement de sol pour la zone de fret en vrac de l'avion.

005Conclusion

La structure sandwich en nid d'abeille à haute résistance, haute rigidité spécifique et faible densité, bénéficiant de ses bonnes propriétés de compression et de flexion, a été utilisée dans un grand nombre d'applications dans le domaine des avions civils. Cet article analyse les progrès de la recherche et l'état de développement de la structure sandwich en nid d'abeille, examine plus en détail son application sur les structures d'avion typiques et conclut qu'avec le développement et la production des avions nationaux C919/C929, la structure sandwich composite pour planchers d'avion a un large éventail de perspectives d'application. (Source : Fiber Composites)