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SKF黑色设计——航空航天领域的“瘦身”秘诀

2023/1/12 15:11:45      点击:

目前,如何减轻重量可谓航空航天业面临的巨大挑战。在竞争激烈的市场中,提高性能或减少排放能够为制造商赋予重要的优势。复合材料的应用为所有这些领域创造了大好机会。

当涉及到界面部件时,通过采用复合材料来减轻重量是一大挑战,原因在于平面外载荷的影响。为了避免成本增加,功能集成是必不可少的。

SKF解决方案有助于实现这些目标,这要归功于两项面向未来的主要技术—— SKF黑色设计和SKF轴承集成。

1、 SKF黑色设计

SKF黑色设计是指使用纤维增强材料制造高性能、承受平面外载荷部件的能力。复合材料技术一旦成功应用于界面部件中,这将开创一个集成轴承功能的复合材料技术的应用新领域。

2、 SKF轴承集成

SKF轴承集成是指将轴承有效地嵌入复合材料部件中,采用的方法是为滚动轴承外圈提供功能强大的复合材料界面,或将球面滑动轴承集成到复合材料轴承座中。

复合材料技术能够解决多种问题:

(1)、将现有金属部件整合成一个复合材料解决方案,从而减轻其重量

(2)、实现传感器解决方案等新特性的功能集成

(3)、解决周期性承载部件的疲劳问题

(4)、使用不受腐蚀性环境影响的材料,以避免腐蚀

(5)、通过提高刚度、转移重心或嵌入阻尼装置减振,从设计上降低噪声和振动

(6)、采用SKF黑色设计,开发复合材料结构件

一、SKF黑色设计挑战重力

借助该技术,能够设计和制造嵌入复合材料界面的结构件。在飞机制造业中,复合材料的用量急剧增加,然而传统的设计技术只能带来结构性能上的有限改进。这限制了可以使用复合材料解决方案的应用场合。SKF成功克服技术挑战,将传统的金属界面结构件转变为轻量化、高性能的复合材料部件。多年研发取得的这项成果被称为SKF黑色设计。SKF改变了复合材料部件工程设计的范例,从而取得了这一卓越成果。

采用复合材料替代金属(接近“黑色金属”)的传统部件设计只会使性能略有改善,部件仍存在易于开裂和分层的缺陷。而在SKF黑色设计中,将基体材料(树脂)用于能发挥其最佳性能的条件下,即处于压缩状态下。为了实现这一点,SKF工程师开发出全新形式、特征和部件几何形状,旨在确保在承受平面外载荷的区域中,树脂在整个层压厚度上保持压缩状态。

这提高了抗剪切应力,消除了开裂现象。使用半球形垫圈以避免复合材料出现的任何击穿倾向,同时在材料内部形成了压缩状态,这是实践证明可以显著提高部件强度的一个巧妙的解决方案范例。

这些设计还加入了复杂的波纹形状,并精确平衡了增强材料散纤维和连续纤维的使用。SKF复合材料中心运用这些工程知识,为合作伙伴提供帮助。

飞机减重的目的是降低燃料消耗和对环境的影响,最新一代商用飞机中复合材料的用量增加了50%。然而,复合材料部件采用传统设计所获得的结构性能制约了这种材料在飞机中更广泛的应用。SKF黑色设计将现有碳纤维增强复合材料(CFRP)与创新设计技术相结合,从而获得了所需的结构性能。SKF黑色设计把复合材料解决方案的应用范围拓展到了结构件,与当前的金属解决方案相比,其重量与成本之比颇具竞争力。

航空航天业中最常用的复合材料是通过堆叠预浸渍的碳纤维层制成的。树脂能够传递纤维之间的载荷,并确保各层之间的粘合力。这项技术适用于机身、机翼、机架和桁条,因为层压材料主要承受平面内载荷。

对于这些几何形状,碳纤维在纤维方向上具有较高的强度和刚度。然而,在垂直于纤维面的方向上,材料的机械性能主要由树脂决定。树脂是粘合剂,与碳纤维相比强度较差(约是碳纤维强度的1/50)。因此复合材料的使用仅限于承受平面外载荷的结构件,如T形结构件和角钢等界面结构件(图1)。采用传统几何形状,金属结构件和角钢容易出现折叠和开裂现象。而在形状相同的复合材料结构件中,由于树脂中存在层间应力,相同的载荷模式会导致90˚角处的碳纤维增强复合材料层分离。这种现象称为分层,通常发生在非常低的载荷水平下,会导致部件失效。

复合材料行业已研究了3D编织材料和高性能树脂等新技术,并结合传统部件几何形状(接近“黑色金属”),力求解决此问题。然而,这种方法在机械性能和成本竞争力方面表现出了明显的局限性。

二、SKF黑色设计的另一种应用

SKF黑色设计建立在多个理念的基础之上,通过调整部件几何形状来解决平面外载荷的难题。

第一个理念包括部件的几何形状设计和铺层设计,以使部件在应用场合中承受载荷时,保持树脂的压缩状态。树脂在压缩状态下可承受的应力要远远大于拉伸状态,而且压缩状态还能改善树脂的剪切应力性能。这种设计理念已在整个土木工程史中,被普遍用于拱门、桥梁等要求保持压缩状态的结构件上。

图2显示了树脂在拉伸状态下的强度减弱过程,以及压缩状态下对剪切应力能力的影响。

SKF通过设计出与碳纤维基体结合的半球形垫圈,在结构件上将这一理念付诸实践。这种设计自然会将树脂压缩在平面外载荷区域内(图3)。此外,部件载荷的增加越多,局部压缩程度就越大,这有助于解决90˚角处的分层问题。

在拉伸状态下(图4),半球形垫圈对碳纤维增强复合材料局部施加压应力,从而使树脂保持压缩状态。

在压缩状态下(图5),基体呈夹紧状,局部压缩碳纤维增强复合材料。基体允许根据应用场合的尺寸和安装要求来调整结构件底部的几何形状。

因此,半球形垫圈和结构件基体互相配合,在垂直于安装面施加的拉应力和压应力(即平面外载荷)下都能使树脂保持压缩状态。由于结构件的失效不是由树脂的机械性能所决定的,因此SKF黑色设计的结构件能够在给定的几何形状和重量条件下实现更高的机械性能。

SKF黑色设计的第二个理念包括使用特定形状,使结构件具备机械稳定性和刚度。圆形可以防止金属结构件中相对尖锐的90˚角。圆形使碳纤维沿适当方向排列,以延迟开裂现象的发生,为结构件赋予机械稳定性和刚度。这个理念若用于角钢,其优势更明显(图6)。

此外,以上SKF黑色设计理念可以在单一界面部件中组合使用。例如,使树脂保持压缩状态的理念以及特定的加强形状均可应用于T形结构件的设计,如图7所示。

为了验证这些理念,在拉伸和压缩试验台上对缩小尺寸及原尺寸角钢和结构件进行了测试,如图8所示。

这些理念的发展引发了对不同复合材料界面结构件的研究和验证。SKF将结果与等同的金属结构件进行了比较。与具有相同机械性能的金属部件相比,采用SKF黑色设计的复合材料解决方案可减重40%以上。

三、结论

SKF黑色设计能够实现轻量化、高性能界面结构件的设计和制造,这些由碳纤维增强复合材料制成的部件为特定应用场合而设计,以承受平面外载荷。SKF正在开发力学模型和数字仿真工具,以便对航空航天业的复合材料结构件进行总体设计和分析。

1、重点之二采用SKF轴承集成

SKF的这项技术能够将轴承直接集成到复合材料结构件中。SKF作为滚动轴承和滑动轴承设计和制造领域的全球领导者,能够生产复合材料的界面结构件是SKF专业能力自然而然的发展。SKF正在开发界面解决方案,以在复合材料部件中创建嵌入式接合件。根据具体应用要求,这种接合件可以是球轴承、滑动轴承或球面滑动轴承。

2、两种系列的界面解决方案正在开发中:

采用专有解决方案将滚动轴承高强度集成到复合材料结构中,以创建可靠的接合件,适用于宽温范围、重载和高速应用。 内圈与复合材料表面直接滑动接触,主要用于球面滑动轴承,以及在磨损、摩擦和可靠性方面具备高性能的解决方案。

这些技术具有突破性和颠覆性:可在工作环境中大幅度减轻重量,而且还集成了接合件,由于在铸造过程中省去了成形后的步骤,从而简化了制造过程。

3、功能集成的优势:

在减重方面,推广高性能复合材料的使用经常遇到成本障碍,在零散部件层面实施这种材料的改变时尤其如此。

为了应对这种影响,系统性的整合现在成为一种公认的解决方案。由于省去了装配步骤,而且整合了制造时间,因而可显著降低初始成本。然而,如果不将其推向更高层面,这种方法很快还会遇到限制。

如果整合只是单纯将所有部件集中在一起,各个部件仍保持相同的性能级别,往往会导致复合材料的潜在功能利用不足、材料浪费和不必要的增加成本。一种更有效的方法是综合考虑单个部件的性能、成本、工艺和应用可能性的各个方面。

以刚度为例,若要实现各个部件所需的刚度,可能需要在某些部件中大量使用碳纤维,尽管在其他部件中,使用玻璃纤维就足够了。这会导致更高的材料成本,甚至可能使功能集成变得不切实际。然而,如果能重新分配系统刚度功能,则可以找出与系统性能匹配但成本较低的分配型式。这种方法可将刚度、重量和阻尼等多种功能的要求合并到一个优化设计中。

这正是SKF黑色设计功能集成的优势:基于复合材料的功能集成,实现最佳系统性能。

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