复合材料飞机结构技术成熟度评价方法.pdf
复 合 材 料 学 报第 27 卷第 3 期6 月2010年A cta M ateriae Compositae SinicaVol?27No?3June2010文章编号:1000-3851(2010)03-0150-05收稿日期:2009-11-02;收修改稿日期:2009-12-24基金项目:国防基础科研项目(A0520060798)通讯作者:关志东,教授,博导,研究方向为飞机结构设计、复合材料力学?E-mail:zdguan 复合材料飞机结构技术成熟度评价方法蓝元沛,关志东*,孟庆春(北京航空航天大学 航空科学与工程学院,北京 100191)摘?要:?飞机设计人员在飞机总体方案论证阶段对主要结构件进行选材时,需要对复合材料飞机结构的技术成熟度进行评估,以确定是否选用复合材料。借鉴技术完备等级(TRL)标准,提出了一个复合材料飞机结构技术成熟度定量评价方法(TEMCAS)。T EMCAS 方法将复合材料飞机结构的技术成熟度分为 8 个等级,涵盖了复合材料结构技术从设计需求到结构应用的整个过程,通过对波音公司复合材料机身结构技术的技术成熟度评价实例证明了其有效性。在飞机总体方案论证阶段可以利用 TEMCAS 方法,对复合材料飞机结构技术的成熟度进行定量分析,为初步选材复合材料结构应用的决策和风险评估提供依据。关键词:?先进复合材料;飞机结构;技术成熟度;技术完备等级;评价方法中图分类号:?V257;TB33?文献标志码:AEvaluation method for technology maturity of composite aircraft structureLAN Yuanpei,GUAN Zhidong*,MENG Qingchun(School of Aeronautic Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)Abstract:?In aircraft?s overall plan design phase,designers have to evaluate the technology maturity of thecomposite aircraft structure to determine whether the composite will be applied to the given component.Aquantitative evaluation method for technology maturity of composite aircraft structure(TEMCAS)is proposedaccording to technology readiness levels(TRL)standard.This evaluation method divides the technology maturity ofthe advanced composite aircraft structure into eight scales,covering all research and development processes,i.e.fromdemand research to production application.This method was further applied to evaluate the technology maturity of advancedtechnology fuselage composite of Boeing Company.It can be applied in the overall plan design phase to reduce the risk ofaircraft-development and the impact of composite?s application on aircraft-development schedule.Keywords:?advanced composite;airframe;technology maturity;technology readiness levels;evaluation method?新材料,特别是在飞机上应用的复合材料,不仅可以带来减重效益,而且还可以带来结构和性能的改善,以及运营成本下降的综合效益 1。因此不论是新一代战斗机还是大型民机的研制,都优先选用先进复合材料以提高飞机的总体性能。尽管复合材料在飞机主承力结构件上的应用可以减轻结构质量,减少全寿命期费用,但采用新材料、新工艺或新结构技术势必会增加飞机研制的风险。波音 787 机身采用复合材料整体机身段新技术,尽管可以减少零件和连接件的数量,显著减轻结构质量,但由于该机身段整体件关键技术问题影响了飞机适航认证和交付用户的进度 2,5 次推迟交付,给波音公司带来了巨大的负面影响。文献 3 引用空客公司批评波音公司波音 787 选材方案认为,复合材料技术现在还不成熟,波音采用 2 倍于空客 A380 上复合材料用量的做法在技术上是冒进的,在引进新材料和新工艺的过程中应采取循序渐进的方式。设计人员在飞机总体方案论证阶段对主要部件进行选材时,不仅要从减轻结构质量、降低飞机全寿命期费用的角度考虑,选用当时条件下比较先进的材料(特别是先进复合材料);而且要从降低研制风险、减少研制成本的角度考虑,尽量选用成熟的材料应用技术。因此,需要对复合材料飞机结构的技术成熟度进行评估,以确定是否选用复合材料,以及复合材料的应用部位和比例,并确定初步选材方案。复合材料以其性能可设计性、结构成型与材料形成的同时性及其对环境因素(温度、湿度、冲击等)的敏感性和破坏模式的多样性 4,决定了复合材料技术在飞机结构上的应用需要有一个逐步成熟的过程。美国国家航空航天局(NASA)和美国国防部提出了技术完备等级(T echnology Readiness Levels,TRL)标准,把先进材料的技术成熟度划分为 9 级,级别越高,成熟度越高。一般先进材料完成预研后,技术成熟度大约达到 3 4 级的水平,达到 6 级成熟度以上的新材料可供型号选用 5-6。文献 7-8分别提出了材料技术成熟度的评价等级,但他们关心的重点是如何提高材料预研成果向工程应用的转化率问题。本文中重点关注复合材料结构应用的技术成熟度问题,可供飞机总体方案论证阶段选材使用。借鉴 TRL 标准,提出复合材料飞机结构技术成熟度的评价方 法(Evaluation Method for TechnologyMaturity of Composite Aircraft Structure,TEM-CAS 方法),对复合材料飞机结构应用的技术成熟度进行定量分析,为初步选材复合材料结构应用的决策和风险评估提供依据。1TRL 标准介绍8-13TRL 标准由美国 NASA 于 20 世纪 90 年代初提出,并被美国空军研究实验室(Air Force Re-search Laboratory)作为武器系统技术成熟度的评价方法。1999 年,美国国防部开始执行 T RL 标准,并颁发 TRL 军标指南草案。自美军颁发 T RL军标指南草案后,美国政府其它部门和许多国际技术组织开始在项目管理的适用性评价工作中推广应用 TRL 标准。此外,欧盟和空客公司也已分别使用T RL 来评价航空技术的成熟度。而我国 2009 年6月 1日实施的国家标准 GB/T 22900?2009?科学技术研究项目评价通则?,也参照了 NASA 的TRL 标准。TRL 标准按技术的发展过程将技术成熟度划分为 9 级:T RL 1 T RL 9,具体描述见表 1 13。TRL 1 TRL 9 这 9 个等级涵盖了一项新技术从基础研究到工程应用的整个过程。其中,TRL 1TRL 3 主要处于基础研究阶段;T RL 4 TRL 6 主要处于技术开发试验研究阶段;T RL 7 TRL 9 主要处于工程研制应用开发阶段;T RL 9 表明这项技术可以转入生产部署阶段。美国 NASA 新技术研究工作主要是 T RL 1 TRL 6的工作内容,待新技术达到 T RL 6 后,这些技术会转移到航空航天制造企业应用于工程研制和生产。表 1?TRL等级特征描述 13Table 1?Definition of technology readiness levels 13T RL特征描述主要成果形式1观察到基本原理并形成正式报告报告2形成了技术概念或开发方案方案3关键功能分析和实验结论成立验证结论4研究室环境中的部件仿真验证仿真结论5相关环境中的部件仿真验证部件6相关环境中的系统样机演示模型样机7在实际环境中的系统样机试验结论成立样机8实际系统完成并通过实际验证中试产品9实际通过任务运行的成功考验,可销售产品、标准、专利2复合材料飞机结构技术成熟度评价的TEMCAS方法在大型民机机体主承力结构使用复合材料,需要确定主要结构件的尺寸和机体中工艺分离面的设置,按照主承力结构设计对材料性能的要求选择或研发合适的原材料(包括增强体和基体树脂)、相应的成型工艺技术和质量监控、检测手段 4。复合材料在飞机结构上的应用,其技术成熟度的高低主要是由原材料、结构形式和成型工艺的不同带来的问题。值得注意的是,对于同一复合材料结构技术,拟定的应用目标不同,其技术成熟度也不同。借鉴 T RL 标准的思想,依据复合材料飞机结构从型号需求到型号应用的整个过程,提出了T EMCAS 方法,将复合材料在飞机结构上应用的技术成熟度分为 8 个等级。等级 1:完成应用需求分析。明确飞机用复合材料结构设计与工艺特征,提出科学合理的应用技术指标。等级 2:完成支撑技术分析。确定可选择的成熟材料与工艺,以及应用技术基础,或完成试样、元件及组件的试验验证。等级 3:完成结构设计与工艺分析工作。主要以等级 2 获得的性能数据为支撑,确定设计值,采用计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术进行结?151?蓝元沛,等:复合材料飞机结构技术成熟度评价方法构设计和工艺分析。等级 4:完成样件试制。等级5:样件通过全尺寸验证试验。等级 6:技术状态冻结,以及相应规范、标准的建立与完善。等级 7:完成使用考核。通过飞行考核来验证复合材料部件。等级 8:技术推广应用和规模化生产。在 TEMCAS 方法描述的复合材料飞机结构的8个等级中,等级越高说明复合材料在飞机该结构部件应用技术的成熟度越高。其中,等级 1 至等级3往往处于该类复合材料结构应用技术的基础研究阶段,是复合材料结构应用的关键,研究的应用技术需要由成熟的材料和工艺技术来支撑;等级 6 仍属于预研阶段,等级达到 7 级时就可转入工程应用阶段,等级达到 8 级时就可转入规模化生产阶段。对于这 8 个等级,复合材料在飞机结构上的应用不一定要经历所有等级,但跨等级发展将增加型号研制的风险。3实例分析波音公司自 20 世纪 80 年代以来,先后通过美国 NASA ACT(Advanced Composite T echnology)计划资助的 ATCAS(Advanced Technology Com-posite Aircraft Structure)项目 14-15,与日本研究机构联合开展的 SMSS(R&R Smart Material/Struc-ture System)项目 16-17,逐步掌握了复合材料在大型民机机身应用的关键技术,形成了复合材料壁板组合机身结构和复合材料整体筒壳机身结构两种设计方案。其中,复合材料壁板组合机身结构设计方案按照机身上部壁板、左/右侧壁板和地板/龙骨结构三大区域的载荷和结构特点,将机身筒体分成 4块壁板分别设计制造,然后组装连接在一起形成机身筒体 1;而复合材料整体筒壳机身结构设计方案利用复合材料纤维铺放/缠绕成形工艺,将机身段设计成整体筒壳 1,18。波音公司首次在波音 787 大型民机上选择采用复合材料作为机身结构用材料,并以此作为该飞机的一大亮点 1,18。其中,波音 787 飞机机身结构总体布局分为前机身、中机身、后机身三部分、6 个筒体结构段,这 6 个机身结构段均采用复合材料整体筒壳机身设计方案 1,3。采用 TEMCAS 方法,对波音公司复合材料机身结构技术的技术成熟度进行分析。等级 1:应用需求分析。波音公司为了实现波音 787 飞机在经济性、舒适性和环保性上的突破,提高飞机的市场竞争力,需要在机身采用复合材料。等级2:完成大量支撑技术分析(含总体方案的初步确定)。波音公司通过 ATCAS 项目 14-15,完成了对机身复合材料整体壁板成本估算、结构设计、制造以及维护方面的初步研究,并发现了壁板组合机身结构方案在损伤监控和检测、低成本制造技术等方面的问题。波音公司通过 SMSS 项目 16-17,与日本研究机构完成了对复合材料机身组合壁板结构方案的深入研究,掌握了复合材料结构健康监控及检测技术、复合材料机身结构损伤控制及修补技术,基本解决了复合材料在大型民机机身上应用的技术难题。但是,综合 ATCAS 和 SMSS 项目对壁板组合机身结构设计方案的验证结果,波音公司认为该方案存在以下不足:(1)组装工作量大,连接件数量多,带来结构增重,减重效果不显著;(2)组装设备投资大造成成本的增加;(3)不利于实现座舱的气密性。为此,波音 787 大型客机大胆采用了整体筒壳机身结构设计方案。该方案优点在于:(1)整体筒壳机身大量减少了连接件,以达到明显减重、减少装配、降低成本的预期目的。同时,还可提高组装精度,减少公差,垫片用量也显著减少;(2)机身的气密性以及疲劳和耐腐蚀性能大大提高,允许机身座舱增加压力、增加湿度和加大窗户尺寸,提高客机的乘员舒适性;(3)生产效率可以大幅度提高,有利于降低成本。等级 3:完成结构设计与工艺分析工作。波音787飞机机身筒壳壁板设计选用碳纤维增韧环氧复合材料,采用 IML 模具(Inner Module Line T oo-ling),帽型材纵向桁/梁加筋条预先放置在模具凹槽内,蒙皮由纤维铺放/缠绕全自动铺放在模具上,然后在热压罐内共固化成形带桁/梁筋条的筒壳蒙皮壁板。此外,飞机还首次采用了结构健康监控技术。这些先进的结构设计和制造技术在 AT CAS 和SMSS 项目得到了验证。等级 4:2005 2007 年波音公司(及其供应商)相继完成波音 787 飞机机身 41 舱段(Spirit 公司)、43 舱段(KHI 公司)、44 和 46 舱段(Alenia 公司)、47 和 48舱段(Vought 公司)的试制 19-20。等级 5:2007 2008 年波音公司完成波音 787?152?复 合 材 料 学 报飞机机身舱段的验证试验 21。等级 6:冻结技术状态,完善相应规范、标准。复合材料在波音 787 机身上的应用,有一个显著的特点是复合材料首次应用在大型民机机体结构外壳上。因此,波音公司不仅需要很好地解决复合材料损伤容限问题,而且还需要对相应的规范、标准进行补充和完善 1。等级 7:飞行考核(未达到)。波音 787 第 1、第2架飞机已分别于 2009 年 12 月 15 日和 22 日完成首飞,开始飞机的飞行考核验证 22-23。等级 8:批生产(未达到)。波音公司将于 2010年第四季度开始交付波音 787 飞机,并开始进行批量生产 22。综上所述,波音公司复合材料机身结构技术的技术成熟度已到达 TEMCAS 方法的第 6 级水平,待波音 787 飞机试飞完成后可达第 7 级,待该飞机开始批生产并交付用户后可达第 8 级。4应用算例下面通过对某 150 座级单通道客机方案阶段机翼选材方案的选择,说明 TEMCAS 方法在飞机研制方案阶段中的应用。该型飞机的主要性能要求 24,布局形式:下单翼、低平尾、前三点式可收放起落架、翼吊两台高涵道比涡扇发动机;最大起飞质量:72 t 左右;航程:2500 4500 km;巡航速度:0.79 M;巡航高度:11000 m。在确定该型飞机机翼选材方案时,初步确定以下 3 个备选方案 21。A1:机翼襟翼、副翼采用复合材料,其余结构件(以铝合金为主),质量估算为7200 kg;A2:机翼上、下蒙皮及前梁腹板采用复合材料,其余结构件采用金属材料(以铝合金为主),质量估算 6400 kg;A3:除接头采用高强度钢外,其余部位采用复合材料,质量估算 4250 kg。假设有 4 名专家采用 TEMCAS 方法,分别对这 3 个方案的技术成熟度进行打分评估,按每级 1分的方式给出,即等级 6 为 6 分。每位专家打分后取均值,并根据均值大小的顺序进行优选排序,评估结果及优选排序见表 2。从表 2 可以看出:(1)A1 采用的技术最成熟;尽管 A3 的质量最轻,但它的技术成熟度最低(研制成本和风险大);A2 为 A1 和 A3 的折中方案。(2)通过专家的评估,得到 A1 的技术成熟度为 7.50,表 2?专家对备选方案技术成熟度的评估Table 2?Experts?evaluations on technologymaturity for different candidates方案专家 1专家 2专家 3专家 4均值优选排序A187877.501A254454.502A312111.253这说明该方案基本属于成熟方案,可以进行批量应用;A2 的技术成熟度为 4.50,这说明该方案所采用的复合材料结构技术还处于试验验证阶段,还需要通过工程化应用研究方可达到规模化应用的水平;A3 的技术成熟度为 1.25,这说明该方案还处于可行性研究阶段,尚未达到工程化应用的水平。由表 2 还可知,A1 为最佳方案,A3 为最差方案。5结?论(1)飞机设计人员在飞机方案研制阶段对主承力结构进行选材时,需要对备选材料(特别是复合材料)结构应用的技术成熟度进行评估,以保证型号研制的顺利完成,降低研制风险。(2)提出了对复合材料飞机结构技术成熟度进行定量评价的 TEMCAS 方法,将技术成熟度这一比较抽象的指标定量化,使其更易理解、度量和评估判断。(3)在飞机的方案研制阶段,可以组织在技术和管理各专业上具有丰富知识的专家,利用 T EM-CAS 方法,由专家组打分,对复合材料飞机结构技术的成熟度进行定量分析,以期为初步选材方案复合材料结构应用的决策和风险评估提供依据。致谢:感谢北京航空航天大学杨乃宾教授提供的宝贵建议和参考资料。参考文献:1?杨乃宾.新一代大型客机复合材料结构 J.航空学报,2008,29(3):596-604.Yang Naibin.Composite structures for new generation largecommercial jet 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