飞机油箱口盖用复合材料及其与密封件的相容性问题

1、复合材料整体油箱及其密封性分析一、研究背景和意义现代高性能飞机普遍利用飞机内部的结构空间来布置整体油箱，如机翼、机身、尾翼等部位。国外先进飞机多采用整体油箱结构形式；国内第三代作战飞机也开始采用整体油箱结构。相对于传统的软油箱结构，整体油箱具有装油量大、余油少、使用可靠性高和寿命长等特点，可以增加飞机续航时间、飞机航程，改善飞机的飞行性能。不过由于整体油箱的密封性对结构零部件以及装配过程有着更高的要求，对整体油箱密封变形进行详细的分析及优化设计，能够保证整体油箱的密封性，防止出现漏油事故，有效地保证结构的安全以及飞机的续航时间。二、复合材料的特点及其在整体油箱中的应用问题复合材料的应用特点如下

2、：1) 比强度和比刚度高：是材料性能的重要指标，决定了结构能否减重或能减重多少。如飞机上常采用的碳纤维/环氧树脂材料，具有较高的比强度和比刚度，可使飞机的结构重量大幅度减小；2) 各向异性和可设计性强：复合材料的材料和结构一体，其力学、机械及热、声、防腐、抗老化等性能都可按照构件的使用环境条件要求，通过组分材料的选择、匹配等设计手段，最大限度地达到预期目的。目前飞机复合材料结构的主要形式是由单向预浸带铺叠固化而成的层压结构。单向带呈现强烈的正交各向异性，其沿纤维方向的性能与垂直纤维方向的性能差别很大，可以在不同的方向铺设不同比例的单向带，来满足结构平面内所需方向性能的要求； 3) 良好的抗疲劳

3、特性和抗腐蚀性：一般而言，复合材料具有优良的抗疲劳性能，特别是抗拉疲劳性能，由于其纤维是多路传力结构，裂纹不易扩展。复合材料的疲劳缺口敏感性远低于金属，其疲劳缺口系数远小于静应力集中系数，并且在中长寿命情况下接近于 1，且复合材料的抗腐蚀性能也明显优于金属材料，这更有利于其与橡胶密封件的配合来保证整体油箱的密封性能； 4) 易于大面积整体成型复杂构件：复合材料结构热固化成形工艺是结构整体化设计制造的前提条件，使复合材料易于制造大型整体零件和形状复杂的零件，由于整体成型是直接固化成一个整体，省去连接件和连接过渡区的连接部件的附加重量，用于整体油箱时也可大幅度提高油箱的密封性，增加了结构的安全可靠

4、性，大大降低了制造和装配的成本，同时也避免了紧固件（铆钉、螺栓等）、连接部位的腐蚀、疲劳等问题，并有效地控制了后期维护成本。结构分段和零件、连接件数量的减少，大幅度减轻了结构的重量，是复合材料整体成型的突出优点；5) 良好的尺寸稳定性：由于在飞机结构中使用的碳纤维材料的热膨胀系数接近于零，因而设计出的结构膨胀系数为零，使得结构在一定的温度范围内不会受到温度变化的影响，一直保持良好的形状和尺寸的稳定性，对于整体油箱结构保持尺寸稳定性可以保证其安全可靠性；6) 良好的热稳定性：有大量报道对碳纤维/环氧树脂复合材料的热稳定性进行了研究，得出其起始分解温度约为300，因此，可以认为，在一般飞行环境温度

5、下，复合材料不存在化学分解的问题，复合材料主要发生的是物理老化，对于承载燃油等介质部位化学稳定性显得尤为重要，同时对于需要同橡胶密封件配合部位也可保证其两种材料接触面的性能稳定性，保证密封效果。但复合材料结构同样具有一些不利因素，复合材料整体油箱在实际应用中应注意一下几个问题：1) 层间强度低，冲击韧性差：复合材料层压结构的不同铺层之间的性能远低于其面内性能，其低层间强度使结构在低能量的冲击下也有可能会产生分层破坏，故而导致复合材料结构的承载能力降低。为了保证整体油箱结构的抗冲击性和承载能力，复合材料的结构设计和成型工艺的选择尤为重要。2) 环境影响大：复合材料易对环境变化比较敏感，尤其在高温

6、高湿环境下，由于碳纤维复合材料的热导率只有传统铝合金热导率的十分之一左右，因此碳纤维复合材料油箱对温度更敏感，当环境温度或材料局部温度达到其玻璃化转变温度时，此时其吸湿性也会更强，从而导致其强度明显下降，其中压缩强度会降低20%30%或者更多。因此当飞机长时间在高热高湿环境中飞行时，复合材料整体油箱也会随着材料强度的下降或是材料吸湿后发生膨胀，再经过飞行时的颠簸和振荡就可能会导致油箱结构发生变形，此时如果密封件与其配合不足，就可能会引起燃油渗漏，从而引发飞机的二次事故 。因此复合材料整体油箱的密封性是影响其实际应用的主要问题。三、复合材料整体油箱结构及其密封性问题分析3.1 复合材料整体油箱的

7、主要结构形式及特点复合材料整体油箱的结构大致可分为两类：边界结构和中间结构。边界结构：即油箱的边和角。该部位的结构特点有：边界部位的连接缝可以使油箱内部和外部相通；协调关系复杂，容易造成装配间隙；受力关系复杂。连接部位需要传递总体载荷和油箱载荷，结构变形大，容易破坏密封。中间结构：与油箱密封面连接的油箱内部结构。该部位结构特点有：油箱内部只能通过紧固件与孔的配合、间隙与外部相通；结构关系简单，构件间的协调较容易；连接缝的变形一般不会受到总体载荷的影响。3.2 复合材料整体油箱的密封性要求油箱的密封性问题与油箱的安全性能是紧密相关的，其中必须考虑结构变形对密封的要求。边角部位：因为在油压作用下，

8、边角部位的变形很容易造成漏油，所以该部位一般采用混合密封和自封紧固件。由于机翼的构件比机身构件的尺寸厚，故而更适用沟槽密封。由于沟槽密封的可靠性和良好的维修性，在机翼油箱密封中得以广泛应用。它的主要优点是密封效果好，并且可以根据需要对密封件进行维护或更换。一般沟槽采安装可拆卸和维护的橡胶条。结构密封依靠橡胶条的弹性压缩量来保证。因此，对沟槽的尺寸精度、结构件间的间隙、橡胶条直径的公差以及橡胶条对接处的形状偏差都有严格要求。3.3复合材料整体油箱结构的密封件设计复合材料整体油箱结构密封件设计与金属整体油箱结构密封件设计基本相同。设计内容主要包括密封形式选择和设计、密封连接设计、密封材料选择以及整

9、体油箱的密封试验。整体油箱密封件设计的一般要求如下：a. 满足工艺性和维护性要求，b. 为了尽量与密封缝在外载荷作用下的相对变形，密封件的结构应满足密封间隙及其变形形式，c. 密封件也应考虑骨架之间的阶差及其变形，d. 整体油箱在飞机滑行、爬升、航行、着陆和由内部充压引起的重复载荷作用下，在规定的期限内不应有不合格的漏油发生。复合材料整体油箱的密封分为骨架之间密封和骨架与蒙皮之间的密封。为了密封可靠，必须根据整体油箱各部位的结构特点，合理选择与之适应的一种或多种密封件结构和密封形式。四、试验内容4.1橡胶密封材料的选择和优化根据以往经验一般选取性能优异的氟硅橡胶橡胶材料，并根据具体技术指标需要对部分性能进行优化设计以及工艺试制。4.2密封件与油箱密封部位的配合及安装方式的确定 对于不同的密封部位和结构需要相应合理配合及安装方式，配合及安装方式主要有粘贴、沟槽或装配孔安装。4.3密封件的结构设计 根据具体的配合及安装方式设计适宜的密封件结构，这需要根据密封件材料的具体压缩变形及应力-应变等试验方式对配合契合度进行验证。4.4密封性能试验 对于确定的配合及安装方式和密封件结构进行密封性能试验，选取最优。4.5环境及老化试验 根据飞机具体的飞行环境或飞行状态对密封性进行进一步验证，并通过合理