Войти
Компонентный вид гибридного листа GLARE3-3 / 2. Три слоя алюминия чередуются с двумя слоями стекловолокна. В классе GLARE3 каждый слой стекловолокна состоит из двух слоев: один ориентирован под нулевым градусом, а другой - под углом девяноста градусов. Стеклотекстолит, армированный алюминием, эпоксидная смола (GLARE ) - это волоконно-металлический ламинат (FML), состоящий из нескольких очень тонких слоев металла (обычно алюминия ), перемежаемых слоями S-2 стекловолокна предварительно preg, склеенные вместе с матрицей, такой как эпоксидная смола. Однонаправленные слои препрега могут быть выровнены в различных направлениях, чтобы соответствовать прогнозируемым условиям напряжения.
Хотя GLARE является композитным материалом, его свойства материала и изготовление очень похожи на объемные алюминиевые металлические листы. Он имеет гораздо меньше общего с композитными конструкциями, когда речь идет о проектировании, производстве, проверке или обслуживании. Детали GLARE изготавливаются и ремонтируются с использованием в основном обычных методов обработки металла.
Его основными преимуществами перед обычным алюминием являются:
Кроме того, материал может быть адаптирован во время проектирования и производства так, чтобы количество, тип и расположение слоев соответствовали местным напряжениям и формам по всему самолету. Это позволяет производить секции с двойной кривизной, сложные интегрированные панели или очень большие листы.
Хотя простой изготовленный лист GLARE в три-десять раз дороже, чем эквивалентный лист алюминия, с помощью вышеупомянутой оптимизации можно получить значительную экономию производства. Конструкция, построенная с использованием GLARE, легче и менее сложна, чем аналогичная металлическая конструкция, требует меньшего количества проверок и обслуживания и имеет более длительный срок службы до отказа. Эти характеристики могут сделать GLARE дешевле, легче и безопаснее в долгосрочной перспективе.
GLARE - относительно успешный FML, запатентованный голландской компанией Akzo Nobel в 1987 году. Он получил широкое распространение в 2007 году, когда Airbus A380 Лайнер начал коммерческую эксплуатацию. Большая часть исследований и разработок проводилась в 1970-х и 1980-х годах на факультете аэрокосмической инженерии Делфтского технологического университета, где профессора и исследователи углубили знания FML и получили несколько патентов., например, техника сращивания для создания более широких и длинных панелей без необходимости внешних стыков.
Разработка FML отражает долгую историю исследований, которые начались в 1945 году в Fokker, где более ранний опыт склеивания в de Havilland вдохновило на исследование улучшенных свойств клееных алюминиевых ламинатов по сравнению с монолитным алюминием. Позже Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) США заинтересовалось армированием металлических деталей композитными материалами в программе Space Shuttle, что привело к введению волокон в связку. слои. Так родилась концепция FML.
Дальнейшие исследования и сотрудничество Fokker с Делфтским университетом, голландской аэрокосмической лабораторией NLR, 3M, Alcoa и другими другими компаниями и институты привели к появлению первого FML: алюминиевых ламинатов, армированных арамидом (ARALL), которые сочетали алюминий с арамидными волокнами и были запатентованы в 1981 году. Этот материал имел некоторые проблемы с затратами, производством и применением; Несмотря на то, что он имел очень высокий предел прочности на разрыв, этот материал оказался неоптимальным по прочности на сжатие, внеосевой нагрузке и циклической нагрузке. Эти проблемы привели к созданию улучшенной версии с стекловолокном вместо арамидных волокон.
В процессе разработки материала, который занял более 30 лет от начала до основного применения на Airbus A380, были задействованы многие другие партнеры по производству и разработке, в том числе Boeing, McDonnell Douglas, Bombardier и ВВС США. Со временем компании отказались от этого участия, а иногда и через пару лет. Например, Alcoa улетела в 1995 г., вернулась в 2004 г. и снова вышла в 2010 г. Утверждается, что разногласия между некоторыми из этих партнеров заставили Boeing убрать GLARE с грузового пола Boeing 777 в 1993 году (до ввода самолета в эксплуатацию в 1995 году) и заблокировал планы Bombardier по использованию GLARE в своих самолетах CSeries в 2005 году. Эти стратегические решения демонстрируют динамичный характер инновационных процессов.
Области фюзеляжа самолета Airbus 380, где применяется конструкционный материал из многослойного алюминиевого армированного эпоксидной смолы (GLARE). GLARE чаще всего применяется в авиационной сфере. Он является частью фюзеляжа Airbus A380 и передней кромки поверхностей оперения. В 1995 году грузовой авиационный контейнер, изготовленный из GLARE, стал первым контейнером, сертифицированным Федеральным управлением гражданской авиации (FAA) на взрывостойкость; контейнер может поглотить и нейтрализовать взрыв и пожар от бомбы, подобной той, которая использовалась во время катастрофы Pan Am Flight 103 над Локерби, Шотландия в 1988 году. GLARE также использовался в переднем обтекателе переборке бизнес-джета Bombardier Learjet 45, который был впервые поставлен в 1998 году, поскольку решение для грузовых лайнеров для региональных самолетов и в ремнях для наиболее загруженных рам в военно-транспортном самолете Airbus A400M.
Существует шесть стандартных классов GLARE (от GLARE1 до GLARE6) с типичной плотностью от 2,38 до 2,52 грамма на кубический сантиметр (от 0,086 до 0,091 фунта / куб. Дюйм), что аналогично плотности от 2,46 до 2,49 г / см (от 0,089 до 0,090 фунта). / куб. дюйм) плотность стекловолокна С-2. Эти плотности меньше, чем плотность 2,78 г / см (0,100 фунт / куб. Дюйм) алюминиевого сплава 2024-T3, распространенного алюминиевого сплава в конструкциях самолетов, который также используется во всех но одна из этих ГЛАВНЫХ марок. (Вместо этого в GLARE1 используется сплав 7475-T761.) Поскольку прочность композита зависит от направления волокон, классы GLARE различаются количеством и сложностью слоев предварительной обработки и ориентацией внутри композитного слоя. Каждая марка GLARE имеет варианты A и B с одинаковым количеством слоев, но с другой ориентацией волокон. Стандартные марки GLARE отверждаются в автоклаве при 120 ° C (248 ° F) в течение 3,5 часов под давлением 11 бар (11 атм; 160 фунтов на кв. Дюйм; 1100 кПа), и в них используется предварительная эпоксидная смола FM94. -прег.
| Класс (ориентация слоев, в градусах) | Преимущества |
|---|---|
| 1(0 ° / 0 °) | Усталость, прочность, предел текучести |
| 2A(0 ° / 0 °) | Усталость, прочность |
| 2B(90 °/90 °) | Усталость, прочность |
| 3A(0 ° / 90 °) | Усталость, удар |
| 3B(90 ° / 0 °) | Усталость, удар |
| 4A(0 ° / 90 ° / 0 °) | Усталость, прочность в направлении 0 ° |
| 4B(90 ° / 0 ° / 90 °) | Усталость, прочность в направлении 90 ° |
| 5A(0 ° / 90 ° / 90 ° / 0 °) | Удар |
| 5B(90 ° / 0 / 0/90) | Удар |
| 6A(+45 °/-45 °) | Сдвиг, внеосевые свойства |
| 6B(-45 ° /+45 °) | Сдвиг, внеосевые свойства |
Отдельный лист GLARE может быть обозначен в соответствии с соглашением о наименованиях GLARE grade - Слои алюминия / слои стекловолокна - Толщина алюминиевого слоя. Количество слоев алюминия всегда на один больше, чем количество слоев стекловолокна, а толщина алюминиевого слоя выражается в миллиметрах, которые могут варьироваться от 0,2 до 0,5 мм (от 0,0079 до 0,0197 дюйма; от 7,9 до 19,7 мил). (Однако GLARE1 может состоять только из алюминиевых слоев толщиной от 0,3 до 0,4 мм (от 0,012 до 0,016 дюйма; от 12 до 16 мил).) Например, GLARE4B-4 / 3-0,4 - это лист GLARE с марка GLARE4 (с использованием варианта B), где есть четыре слоя алюминия и три слоя стекловолокна, а толщина каждого слоя алюминия составляет 0,4 мм (0,016 дюйма; 16 мил). (Напротив, типичный лист фотокопировальной бумаги имеет толщину 0,097 мм (0,004 дюйма; 4 мил), а типичная визитная карточка - толщина 0,234 мм (0,009 дюйма; 9 мил).)
Толщина листа Марку GLARE не нужно указывать отдельно, потому что каждый слой pre-preg имеет номинальную толщину 0,125 мм (0,0049 дюйма; 4,9 мил), а количество слоев уже определено для номера марки GLARE. GLARE марок 1, 2, 3 и 6 состоит всего из двух слоев стекловолокна, поэтому толщина отдельного слоя стекловолокна составляет 0,25 мм (0,0098 дюйма; 9,8 мил). GLARE4 состоит из трех слоев, поэтому его слои из стекловолокна имеют толщину 0,375 мм (0,0148 дюйма; 14,8 мил) каждый. GLARE5 имеет четыре слоя с отдельными слоями стекловолокна толщиной 0,5 мм (0,020 дюйма; 20 мил). Листы GLARE имеют типичную общую толщину от 0,85 до 1,95 мм (от 0,033 до 0,077 дюйма; от 33 до 77 мил).
Существуют также другие, менее распространенные марки и обозначения гибридов алюминия / стекловолокна. Новый класс GLARE, называемый High Static Strength GLARE (HSS GLARE), включает сплав 7475-T761 и отверждается при 175 ° C (347 ° F) с использованием эпоксидного препрега FM906. HSS GLARE выпускается трех классов (HSS GLARE3, HSS GLARE4A и HSS GLARE4B), отражающих слои и ориентацию соответствующих стандартных марок GLARE. Россия, которая в какой-то момент собиралась включить GLARE в свой узкофюзеляжный авиалайнер Иркут МС-21, называет свою версию GLARE SIAL. Название - перевод с русского аббревиатуры «стекловолокно и алюминий / пластик» (С.И.А.Л.). Он определяет марки от СИАЛ-1 до СИАЛ-4, которые обычно содержат российский алюминиево-литиевый сплав 1441 второго поколения и имеют плотность от 2,35 до 2,55 г / см (от 0,085 до 0,092 фунта / куб. Дюйм).). СИАЛ применяется в обшивке крыла самолета-амфибии Бе-103 Бериев гидросамолет. Airbus основывает свои обозначения материалов на основном алюминиевом сплаве, используя такие префиксы, как 2024-FML, 7475-FML и 1441-FML вместо GLARE и HSS GLARE.
| Материал | Al 2024-T3 | GLARE3-4 / 3-0.4 |
|---|---|---|
| Предел прочности | 440 (64) | 620 (90) |
| Предел текучести | 325 (47,1) | 284 (41,2) |
| Прочность на сжатие | 270 (39) | 267 (38,7) |
| Несущая способность | 890 (129) | 943 (136,8) |
| Прочность на тупой надрез | 410 (59) | 431 (62,5) |
| Модуль Юнга | 72,400 (10,500) | 58,100 (8,430) |
| Модуль сдвига | 27,600 (4,000) | 17,600 (2,550) |
GLARE вносит 485 квадратных метров (5220 квадратных футов) материала на каждый самолет A380. Этот материал составляет три процента по весу конструкции А380, имеющей рабочий вес (OEW) пустого 277000 кг (610 700 фунтов; 277,0 т; 305,4 коротких тонны). Из-за более низкой плотности на десять процентов GLARE по сравнению с обычным автономным алюминиевым сплавом, использование GLARE на A380 приводит к предполагаемая прямая экономия (на основе объема) 794 кг (1750 фунтов); 0,794 т; 0,875 коротких тонн), что не включает последующую экономию веса всей конструкции самолета за счет меньшего веса материала. Например, внутреннее исследование Airbus 1996 года подсчитало, что снижение веса GLARE в верхней части фюзеляжа составит 700 кг (1500 фунтов; 0,70 т; 0,77 коротких тонны) только за счет более легкого материала, но в целом это составит 1200 кг (2600 фунтов; 1,2 т; 1,3 коротких тонны) из-за «эффекта снежного кома» меньших двигателей, меньшего шасси и других положительных изменений. (Однако это намного меньше, чем раннее заявление вице-президента Airbus о том, что GLARE приведет к экономии от 15 000 до 20 000 кг (от 33 000 до 44 000 фунтов; от 15 до 20 т; от 17 до 22 коротких тонн), предположительно, если бы он использовался в большинстве случаев.
Чтобы воспользоваться преимуществом более высокой прочности GLARE на растяжение, верхняя часть фюзеляжа передней и задней частей была использована на 469 м (5 050 квадратных футов). GLARE был удален из центральной верхней части фюзеляжа в 2000 году в качестве меры предосторожности для прочности на сдвиг (хотя поставщик GLARE чувствовал, что мог бы справиться с этой областью), а нижняя часть фюзеляжа сделана из других материалов с более высоким модулем Юнга. Значения (жесткости) для сопротивления короблению.
В фюзеляже, GLARE2A применяется к стрингерам, GLARE2B к стыковым ремням, а GLARE3 и GLARE4B к обшивке фюзеляжа. В конце процесса разработки A380 было обнаружено, что самолет тяжелее оригинальных спецификаций, поэтому Airbus заменил обычный алюминий на GLARE5 в качестве меры по снижению веса передних кромок горизонтального стабилизатора и вертикальный стабилизатор, хотя и за большие деньги. Панели обшивки фюзеляжа A380 GLARE имеют минимальную толщину 1,6 мм (0,063 дюйма; 63 мил), но могут быть намного толще, поскольку для некоторых участков оболочек может потребоваться до 30 слоев алюминия и 29 слоев стекловолокна.
GLARE в настоящее время производится GKN -Fokker и Premium AEROTEC. GKN-Fokker производит 22 из 27 корпусов фюзеляжа A380 GLARE на своем предприятии площадью 12 000 м (130 000 кв. Футов) в Папендрехте, Нидерланды, где используется автоклав с длиной 23 метра (75 футов) и диаметром 5,5 м (18 футов). Компания производит листы размером 3 на 12 м (9,8 на 39,4 фута), включая фрезерование вырезов дверей и окон на 5-осевом фрезерном станке. Premium AEROTEC производит оставшиеся пять корпусов в Норденхам, Германия в автоклаве полезной длиной 15 м (49 футов) и внутренним диаметром 4,5 м (15 футов). Компания также производит прикладные ремни GLARE2A для программы A400. Его объем производства составлял 200 м (2200 кв. Футов) в месяц по состоянию на 2016 год.
Когда Airbus завершит производство A380 в 2021 году, GLARE выйдет из массового производства, если он не будет выбран для другой программы производства самолетов.
Примерно с 2014 года Airbus, два его нынешних поставщика GLARE и Stelia Aerospace сотрудничают для производства GLARE в высоком - объемная автоматизированная производственная установка, которая будет поставлять панели фюзеляжа большего размера для алюминиевых самолетов. Автоматизированное производство с использованием роботов для укладки ленты и других задач будет включать в себя однократный процесс склеивания, при котором алюминий, пре-прег, стрингер и дублеры одновременно отверждаются в автоклаве с последующим циклом неразрушающего контроля (NDT) вместо одного цикла неразрушающего контроля. стрингеры и дублеры, требующие второго цикла склеивания и неразрушающего контроля в существующем процессе. Считается, что этот материал снизит вес фюзеляжа на 15-25% по сравнению с алюминиевыми секциями, которые они заменят на узкофюзеляжных самолетах, таких как Boeing 737 <85.>и Airbus 320. (До объявления о прекращении производства A380 программа автоматизации также была предназначена для снижения веса секций A380 GLARE на 350 кг (770 фунтов; 0,35 метрической тонны; 0,39 короткой тонны) при себестоимости производства 75% от существующего A380 Панели GLARE.)
Для поддержки этих целей по производству узкофюзеляжных самолетов GKN-Fokker планировала в 2018 году открыть на своей площадке автоматизированную производственную линию с целью производства панелей размером до 8 на 15 м ( 26 на 49 футов) и увеличивая производительность в десять раз. Стремясь увеличить производственную мощность GLARE в 50 раз до 10 000 м² (110 000 кв. Футов) в месяц, Premium AEROTEC планировала модернизировать свою автоматизированную испытательную камеру летом 2018 г., чтобы произвести демонстрационные панели размером 4 на 12 м (13 на 39 футов). Этот размер будет соответствовать самым большим панелям GLARE, которые Airbus потенциально может использовать в самолетах малой и средней дальности. Процесс автоматизации GLARE для прототипов размером 2 на 6 м (6,6 на 19,7 футов) достиг уровня технологической готовности (TRL) 4 в конце 2016 года, превысил TRL 5 по состоянию на 2018 год и имеет конечную цель TRL 6.
В 2014 году Embraer построил и протестировал демонстратор технологий диаметром 2,2 м (7,2 фута; 2200 мм; 87 дюймов) и длиной 3 м (9,8 фута), частично изготовленный из FML и базировался на центральном фюзеляже самолета ERJ-145. Позже Embraer работал с Arconic (ранее Alcoa ) над созданием демонстратора для нижней обшивки крыла, состоящей из слоистых материалов из волокнистого металла, который содержал листы из алюминиевого сплава 2524-T3 и однонаправленные слои. из стекловолокна. Компания Embraer построила и протестировала демонстратор крыла, чтобы увеличить TRL производственного процесса FML, чтобы его можно было применять в будущих конструкционных приложениях. Обшивка нижней части крыла на узкофюзеляжных самолетах толще, чем обшивка фюзеляжа, общая толщина составляет не менее 8 мм (0,31 дюйма; 310 мил) и от 10 до 15 мм (0,39-0,59 дюйма; от 390 до 590 мил) между фюзеляжем и крепление двигателя.
