自動鋪絲，以取代新型中型商用客機上復合材料后梁的膠帶鋪放/褶皺形成工藝。

圖1. 空客A350 XWB的內部后梁演示器。翼梁在根部的高度接近2m/6.5英尺，在翼尖處逐漸變細至約0.25m/10英寸。

圖2. 吉凱恩的一臺AFP機器正在進行生產試驗。

吉凱恩（GKN）公司的航空航天部門總部位于英國伍斯特郡Redditch，在很大程度上依靠其在復合材料結構生產方面的專業知識，繼續保持強勁增長。即使是不專注于復合材料的50%的業務，也主要基于材料技術，如復雜的鈦航空發動機部件和具有真空沉積表面以增強隱身性能的座艙罩。這并不令人驚訝，因為吉凱恩首次利用材料技術獲得市場份額是在19世紀60年代，當時吉凱恩是英國第一家采用成本效益高的Bessemer工藝生產鋼鐵的公司，主導了鐵路供應業務。截至1871年，該公司每年的鋼鐵產量超過5600萬磅（25400公噸）。

隨著吉凱恩航空的業務擴張，吉凱恩航空收購了英國以外的公司。截至2008年底，吉凱恩一半以上的業務在美國開展。2009年，吉凱恩以1.36億英鎊/2.1億美元的價格收購了位于英國菲爾頓的空客制造業務，從而恢復了歐洲和美國業務之間的平衡。吉凱恩不滿足于這一大規模收購，承諾額外投資1.25億英鎊/19.2億美元，將菲爾頓發展成為復合材料機翼結構的全球卓越中心。這一決定是吉凱恩被選為空客A350 XWB項目參與者的結果。

A350后翼梁項目

吉凱恩獲得了一份合同，根據該合同，吉凱恩將為A350提供完全組裝的后梁。吉凱恩副總裁兼總工程師克里斯·吉爾（Chris Gear）解釋說，該公司的職責是成為預裝有所有后緣組件的后梁的設計師、集成商和供應商。吉凱恩全權負責交付組件，但空中客車公司已選定了許多組件的供應商。例如，通用電氣航空系統公司（GE Aviation Systems）將在其位于英國漢普郡漢布爾（Hamble）的工廠制造后緣的許多組件。

使用Advanced Composites Group（ACG，Heanor，Derbyshire，英國）的可熱固化MTM 44-1預浸料系統，將在熱壓罐外工藝中制造大量的牽引邊緣板，這是該技術首次用于主要生產應用。吉凱恩將負責將30m/97英尺長的翼梁分為三段，然后將所有框、肋柱、起落架連接接頭和其他附件連接到每段翼梁上。

圖1顯示了后梁。翼梁在根部的高度接近2m/6.5英尺，在翼尖處逐漸變細至約0.25m/10英寸。

將零件連接到翼梁各段后，完成三段分之間的連接，以創建整個后翼梁子組件。然后，為了便于運輸到位于威爾士/英格蘭邊境的布勞頓的最終機翼裝配線，該組件三段，每個段約10米/32英尺長。

設計責任沿著供應鏈向下流動。吉凱恩使用空中客車公司的方法和設計工具來計算后梁和后緣組件中的應力和應變。然后，空中客車公司負責將吉凱恩和其他制造商的組件集成到機翼中。翼梁中的主要載荷來自機翼蒙皮。這些載荷來源于空客機翼的全球有限元模型。此外，還有來自連接到翼梁的起落架附件的著陸載荷以及燃料載荷，這些載荷包括燃料本身的重量和當燃料箱部分空時的晃動載荷。GKN在設計復合材料翼梁時必須分析所有這些載荷類型。

空中客車公司要求翼梁制造方法包括使用自動纖維放置（AFP）機器。吉凱恩將使用MTorres（西班牙納瓦拉Torres de Elorz）提供的AFP設備。

吉凱恩已經開發出一種翼梁的生產方法，用于為空中客車軍用公司（西班牙馬德里）的A400M運輸機鋪設翼梁。然而，這種方法對于A350翼梁來說并不實用。簡單地說，該方法包括對平坦層壓板進行高速膠帶鋪設，然后將材料熱褶皺成形為“C形剖面”的翼梁。

乍一看，成型似乎相對簡單，但仔細檢查任何一個翼梁都會發現許多襯墊區域，其中固定了襟翼軌道梁和肋等附件。這些堆積要求層壓板在褶皺形成過程中允許復雜的層間和層內滑動。使用為A400M選擇的氰特公司（Cytec亞利桑那州坦佩市）Cytec 977-2預浸料可以實現這一點，但使用空客為A350上的所有結構部件選擇的更復雜的赫氏公司（Hexcel）M21E預浸料則不可能實現這種移動。

相反的兩個翼梁是在安裝在AFP機器上的CFRP心軸上一次性制成的。然后，將鋪放的產品切成兩半（用于左舷和右舷梁），并用真空設備將其轉移到凸因瓦工具上進行固化。然后，在Brötje Automation GmbH（德國Wiefelstede）提供的自動化機器人單元中對梁進行機加工。該單元鉆出所有的孔并修整翼梁邊緣。它還將翼梁凸緣的外表面加工到接近公差，因為表面的位置對于控制機翼的深度至關重要。

GKN的第一臺AFP機器在西班牙的MTorres制造了原型機器。從那時起，這臺機器和第二臺機器已經安裝在吉凱恩的專用梁工廠，該工廠目前正在距離菲爾頓約8英里的Weston Approach成形。所有的翼梁制造操作——起吊、固化、機加工、無損檢測和組裝——都將在這個位置進行。最終將安裝5臺AFP機器，以滿足每月10架份配套的需求。（圖2顯示了正在進行試驗的GKN AFP機器。）這類工作對吉凱恩和空中客車都非常重要，標志著航空結構供應鏈正在發生的革命。吉凱恩希望這份合同能提升其作為結構集成商而非零部件制造商的地位。同時，這也是空客通過將許多以前的職責委托給新一代“超一級”供應商來簡化裝配操作的努力的一部分。

原文見，《GKN A350 spar program update 》 2011.1.1

楊超凡 2024.4.9

附：

 

空客A400M翼梁設計和工藝

空客A400M飛機推出了新的翼梁設計和新的制造系統。

設計結果：

• 巨大的扭矩負載需要在發動機連接點處進行局部鋪層。
• “C型剖面”翼梁在高載荷區域具有復雜的輪廓。
• 制造系統旨在實現高速膠帶在平面上鋪設，然后形成雙隔膜的通道形梁。

無論出于何種目的，大型飛機的復合材料翼梁都是一項新技術，過去在著名但有限的飛機項目中只使用過兩次。第一個例子是霍華德·休斯的膠合板機身H-4大力神飛行艇，更為人所知的是云杉鵝（一種薄木層和塑料樹脂的復合材料），它是二戰期間為美軍制作的原型，飛行過一次，但從未投入生產。另一架是B2 Spirit隱形轟炸機，其中只有21架從1993年開始為美國空軍建造并服役。吉凱恩航空公司（英國懷特島考斯）最近加入了這一選擇小組，完成了法國飛機制造商空客公司A400M軍用運輸機18.3m/60英尺主翼梁的設計并制造了第一批復合材料組件。

A400M被認為是歐洲老舊的C-130大力神和C-160跨大西洋軍用運輸機隊的更大尺寸替代品。到目前為止，空客公司已經處理了192個空運訂單，計劃于2007年年中首航，2009年投入使用。A400M具有“軟場地”功能，設計用于在短跑道（小于1150米/3773英尺）上起飛和降落，飛機由西方世界最強大的渦輪螺旋槳發動機提供動力。每個A400M翼梁必須承受飛機的所有正常飛行載荷，以及來自兩個襟翼、副翼和四個擾流板的高度集中載荷。然而，前翼梁必須承載發動機載荷——這是翼梁開發的主要設計驅動因素。

發動機通過扭矩驅動飛機通過螺旋槳，扭矩在前翼梁上的連接點處產生反作用。每臺發動機產生超過7500千瓦或10000馬力（軸馬力）的功率，通過減速箱驅動每臺發動機的八個復合材料螺旋槳。四組八個螺旋槳中的每一個由Ratier Figeac（法國Figeac）制造，重量約為250公斤/550磅，每架飛機1公噸。螺旋槳以850轉/分的起飛功率旋轉，產生超過8700牛米（6500磅英尺）的扭矩。該扭矩通過螺栓連接到前翼梁上的配件獲得。通常，翼梁腹板的厚度在發動機附接點附近為約5毫米至6毫米（約0.2英寸），但在發動機安裝結構的附接點處，腹板和蓋的厚度都加倍至約10毫米/0.4英寸。類似的厚度增加發生在翼梁連接到翼盒的根部附近。這些局部厚度變化給A400M項目的結構和制造工程師帶來了重大的設計挑戰。

針對性能和成本進行設計

A400M計劃于2009年投入使用，將取代歐洲老化的C-130大力神和C-160跨大西洋軍用運輸機隊。GKN的復合材料翼梁將處理所有機翼的空氣載荷以及來自西方世界最強大的渦輪螺旋槳發動機的扭矩過載。

任何現代飛機項目的主要標準之一都是按照嚴格的成本目標進行設計。在這種情況下，這意味著創建一個可以通過自動化過程生產的翼梁設計，然后設計一個制造系統，該系統能夠制造出如此大、復雜的零件，達到如此重負載的主結構所需的嚴格質量標準。

吉凱恩（GKN Aerospace）的技術總監兼首席技術專家菲爾·格蘭杰（Phil Grainger）解釋說，像早期A400M翼梁那樣，手動建造如此大的零件是緩慢的，通常鋪設速度為0.75kg/hr（1.5 lb/hr）。然而，在批量生產過程中，將使用自動膠帶層（ATL）將零件鋪平，隨后熱覆蓋形成“C型剖面”。此時，可實現25公斤/小時（50磅/小時）的鋪放速度。格蘭杰強調，在實際零件上，這些是在一個轉變過程中可以實現的平均速率。

圖1，圖片來源：GKN Aerospace

為了實現這一過程的自動化，吉凱恩（GKN Aerospace）投資了一個由MTorres（西班牙納瓦拉）制造的帶有20m/63英尺床的大型自動鋪帶機(ATL,圖1）。自動鋪帶機能夠使用氰特公司（Cytec）提供的977-2碳纖維/增韌環氧樹脂單膠帶，將復雜的預成型件從單向預浸料中鋪設成其開發的形狀。為了形成“C型剖面”預成型件將從膠帶層移動到設備制造商Aeroform有限公司（Poole，Dorset，英國）提供的熱褶皺成型器。

圖片來源：GKN Aerospace

為了便于抽真空，疊層將夾在由杜邦電子技術公司（俄亥俄州Circleville）提供的Kapton聚酰亞胺薄膜制成的兩個隔膜之間。薄膜之間的空間將被排空，然后從零件上方進行紅外加熱，在一小時內將溫度提高到60°C/140°F。這確保了即使在根部最厚部分的中心處的材料也被均勻地加熱到相同的溫度。然后，將輕輕施加壓力以形成層壓板，由兩個隔板約束在一個輕型工具上，該工具準確地表示翼梁的內表面。這種C形過程在20分鐘的時間內非常緩慢地實現。（成型后，丟棄Kapton薄膜。）

設計該工藝的挑戰在于，在發動機連接加強件處添加的額外材料中，帽中縱向纖維的路徑長度（見圖，右圖）大于翼梁的其余部分。在大多數工藝中，這會導致起皺，導致翼梁最關鍵部分的性能出現不可接受的退化。然而，格蘭杰報告稱，在該過程中獲得的溫和的加工力允許層內滑動，這使得具有較短路徑長度的材料能夠從翼梁的端部擠出。

在蓋布成型器完成在工具上形成翼梁后，疊層將轉移到由因瓦鋼制成的第二個凸模中。當翼梁就位時，將在幾個關鍵區域手工鋪設編織材料的工藝層，其目的如下所述。然后，將在熱壓罐中常規地固化翼梁。

每個機翼的翼梁分為兩段。前翼梁分為12米/39英尺和7米/23英尺兩段，后翼梁分別為14米/45英尺和5米/16英尺。每個翼梁兩段之間使用的連接板也是復合“C形通道”，放置在接頭的內側和外側，并用緊固件固定。因為翼梁和連接板之間的配合必須精確到0.25mm/0.01英寸以內，所以翼梁是在放置工藝層的區域中局部加工的。在通常的實踐中，這種接頭將使用金屬連接板制成，但GKN認為，使用復合材料不僅可以節省重量，還可以降低熱應力和腐蝕的可能性。

由于零件和由鋼制成的床身之間的熱膨脹系數（CTE）不同，因此加工14m/45英尺長的翼梁，這給設計帶來了額外的挑戰。鋼的熱膨脹系數（CTE）高（12 x 10-6/°C或6.6 x10-6/°F）；碳復合材料翼梁的熱膨脹系數（CTE）接近于零。無論環境溫度如何，確保翼梁長度相同的傳統解決方案是在空調外殼中操作機床。吉凱恩航空有一個更聰明的想法。吉凱恩與哈德斯菲爾德大學（英國哈德斯菲爾德昆斯蓋特）合作開發了一種軟件，可以感應機床的溫度、周圍的車間環境和部件周圍的空氣。然后，它計算軟件發送給切割頭的指令的修正值，使機器能夠在不考慮溫差的情況下實現零件的尺寸精度。由于該解決方案允許在不使用特殊空調設備的情況下進行機加工，因此預計該方法不僅可以消除一部分資本投資，還可以降低項目壽命內的能源成本。

吉凱恩表示，自動化工藝將能夠在24小時內生產出14米/45英尺的翼梁，而不是傳統手工上籃所需的六到八天。

預浸料與樹脂膜灌注

航空航天行業的許多人對空客公司和吉凱恩航空航天公司決定用傳統預浸料制造這種翼梁感到驚訝。吉凱恩以其在ALCAS（歐盟復合材料開發計劃）方面的開創性工作而聞名，在此期間，它通過樹脂膜注入（RFI-resin film infusion ）工藝使用無卷曲織物（NCF）建造了翼梁。格蘭杰解釋說，對于A400M，客戶需要一個可以在短時間內完成的低風險計劃。然而，他并不排除在未來的翼梁中使用RFI和紡織技術，特別是在成本是主要驅動因素的情況下。

原文見，《Composite wing spars carry the enormous turboprop engines 》

更新日期：2023.12.14發布日期：2006.7.6

楊超凡 2024.4.8