目前，如何減輕重量可謂航空航天業面臨的巨大挑戰。在競爭激烈的市場中，提高性能或減少排放能夠為制造商賦予重要的優勢。復合材料的應用為所有這些領域創造了大好機會。

當涉及到界面部件時，通過采用復合材料來減輕重量是一大挑戰，原因在于平面外載荷的影響。為了避免成本增加，功能集成是必不可少的。

SKF解決方案有助于實現這些目標，這要歸功于兩項面向未來的主要技術—— SKF黑色設計和SKF軸承集成。

1、 SKF黑色設計

SKF黑色設計是指使用纖維增強材料制造高性能、承受平面外載荷部件的能力。復合材料技術一旦成功應用于界面部件中，這將開創一個集成軸承功能的復合材料技術的應用新領域。

2、 SKF軸承集成

SKF軸承集成是指將軸承有效地嵌入復合材料部件中，采用的方法是為滾動軸承外圈提供功能強大的復合材料界面，或將球面滑動軸承集成到復合材料軸承座中。

復合材料技術能夠解決多種問題：

（1）、將現有金屬部件整合成一個復合材料解決方案，從而減輕其重量

（2）、實現傳感器解決方案等新特性的功能集成

（3）、解決周期性承載部件的疲勞問題

（4）、使用不受腐蝕性環境影響的材料，以避免腐蝕

（5）、通過提高剛度、轉移重心或嵌入阻尼裝置減振，從設計上降低噪聲和振動

（6）、采用SKF黑色設計，開發復合材料結構件

一、SKF黑色設計挑戰重力

借助該技術，能夠設計和制造嵌入復合材料界面的結構件。在飛機制造業中，復合材料的用量急劇增加，然而傳統的設計技術只能帶來結構性能上的有限改進。這限制了可以使用復合材料解決方案的應用場合。SKF成功克服技術挑戰，將傳統的金屬界面結構件轉變為輕量化、高性能的復合材料部件。多年研發取得的這項成果被稱為SKF黑色設計。SKF改變了復合材料部件工程設計的范例，從而取得了這一卓越成果。

采用復合材料替代金屬（接近“黑色金屬”）的傳統部件設計只會使性能略有改善，部件仍存在易于開裂和分層的缺陷。而在SKF黑色設計中，將基體材料（樹脂）用于能發揮其最佳性能的條件下，即處于壓縮狀態下。為了實現這一點，SKF工程師開發出全新形式、特征和部件幾何形狀，旨在確保在承受平面外載荷的區域中，樹脂在整個層壓厚度上保持壓縮狀態。

這提高了抗剪切應力，消除了開裂現象。使用半球形墊圈以避免復合材料出現的任何擊穿傾向，同時在材料內部形成了壓縮狀態，這是實踐證明可以顯著提高部件強度的一個巧妙的解決方案范例。

這些設計還加入了復雜的波紋形狀，并精確平衡了增強材料散纖維和連續纖維的使用。SKF復合材料中心運用這些工程知識，為合作伙伴提供幫助。

飛機減重的目的是降低燃料消耗和對環境的影響，最新一代商用飛機中復合材料的用量增加了50%。然而，復合材料部件采用傳統設計所獲得的結構性能制約了這種材料在飛機中更廣泛的應用。SKF黑色設計將現有碳纖維增強復合材料（CFRP）與創新設計技術相結合，從而獲得了所需的結構性能。SKF黑色設計把復合材料解決方案的應用范圍拓展到了結構件，與當前的金屬解決方案相比，其重量與成本之比頗具競爭力。

航空航天業中最常用的復合材料是通過堆疊預浸漬的碳纖維層制成的。樹脂能夠傳遞纖維之間的載荷，并確保各層之間的粘合力。這項技術適用于機身、機翼、機架和桁條，因為層壓材料主要承受平面內載荷。

對于這些幾何形狀，碳纖維在纖維方向上具有較高的強度和剛度。然而，在垂直于纖維面的方向上，材料的機械性能主要由樹脂決定。樹脂是粘合劑，與碳纖維相比強度較差（約是碳纖維強度的1/50）。因此復合材料的使用僅限于承受平面外載荷的結構件，如T形結構件和角鋼等界面結構件（圖1）。采用傳統幾何形狀，金屬結構件和角鋼容易出現折疊和開裂現象。而在形狀相同的復合材料結構件中，由于樹脂中存在層間應力，相同的載荷模式會導致90?角處的碳纖維增強復合材料層分離。這種現象稱為分層，通常發生在非常低的載荷水平下，會導致部件失效。

復合材料行業已研究了3D編織材料和高性能樹脂等新技術，并結合傳統部件幾何形狀（接近“黑色金屬”），力求解決此問題。然而，這種方法在機械性能和成本競爭力方面表現出了明顯的局限性。

二、SKF黑色設計的另一種應用

SKF黑色設計建立在多個理念的基礎之上，通過調整部件幾何形狀來解決平面外載荷的難題。

第一個理念包括部件的幾何形狀設計和鋪層設計，以使部件在應用場合中承受載荷時，保持樹脂的壓縮狀態。樹脂在壓縮狀態下可承受的應力要遠遠大于拉伸狀態，而且壓縮狀態還能改善樹脂的剪切應力性能。這種設計理念已在整個土木工程史中，被普遍用于拱門、橋梁等要求保持壓縮狀態的結構件上。

圖2顯示了樹脂在拉伸狀態下的強度減弱過程，以及壓縮狀態下對剪切應力能力的影響。

SKF通過設計出與碳纖維基體結合的半球形墊圈，在結構件上將這一理念付諸實踐。這種設計自然會將樹脂壓縮在平面外載荷區域內（圖3）。此外，部件載荷的增加越多，局部壓縮程度就越大，這有助于解決90?角處的分層問題。

在拉伸狀態下（圖4），半球形墊圈對碳纖維增強復合材料局部施加壓應力，從而使樹脂保持壓縮狀態。

在壓縮狀態下（圖5），基體呈夾緊狀，局部壓縮碳纖維增強復合材料?；w允許根據應用場合的尺寸和安裝要求來調整結構件底部的幾何形狀。

因此，半球形墊圈和結構件基體互相配合，在垂直于安裝面施加的拉應力和壓應力（即平面外載荷）下都能使樹脂保持壓縮狀態。由于結構件的失效不是由樹脂的機械性能所決定的，因此SKF黑色設計的結構件能夠在給定的幾何形狀和重量條件下實現更高的機械性能。

SKF黑色設計的第二個理念包括使用特定形狀，使結構件具備機械穩定性和剛度。圓形可以防止金屬結構件中相對尖銳的90?角。圓形使碳纖維沿適當方向排列，以延遲開裂現象的發生，為結構件賦予機械穩定性和剛度。這個理念若用于角鋼，其優勢更明顯（圖6）。

此外，以上SKF黑色設計理念可以在單一界面部件中組合使用。例如，使樹脂保持壓縮狀態的理念以及特定的加強形狀均可應用于T形結構件的設計，如圖7所示。

為了驗證這些理念，在拉伸和壓縮試驗臺上對縮小尺寸及原尺寸角鋼和結構件進行了測試，如圖8所示。

這些理念的發展引發了對不同復合材料界面結構件的研究和驗證。SKF將結果與等同的金屬結構件進行了比較。與具有相同機械性能的金屬部件相比，采用SKF黑色設計的復合材料解決方案可減重40%以上。

三、結論

SKF黑色設計能夠實現輕量化、高性能界面結構件的設計和制造，這些由碳纖維增強復合材料制成的部件為特定應用場合而設計，以承受平面外載荷。SKF正在開發力學模型和數字仿真工具，以便對航空航天業的復合材料結構件進行總體設計和分析。

1、重點之二采用SKF軸承集成

SKF的這項技術能夠將軸承直接集成到復合材料結構件中。SKF作為滾動軸承和滑動軸承設計和制造領域的全球領導者，能夠生產復合材料的界面結構件是SKF專業能力自然而然的發展。SKF正在開發界面解決方案，以在復合材料部件中創建嵌入式接合件。根據具體應用要求，這種接合件可以是球軸承、滑動軸承或球面滑動軸承。

2、兩種系列的界面解決方案正在開發中：

采用專有解決方案將滾動軸承高強度集成到復合材料結構中，以創建可靠的接合件，適用于寬溫范圍、重載和高速應用。 內圈與復合材料表面直接滑動接觸，主要用于球面滑動軸承，以及在磨損、摩擦和可靠性方面具備高性能的解決方案。

這些技術具有突破性和顛覆性：可在工作環境中大幅度減輕重量，而且還集成了接合件，由于在鑄造過程中省去了成形后的步驟，從而簡化了制造過程。

3、功能集成的優勢：

在減重方面，推廣高性能復合材料的使用經常遇到成本障礙，在零散部件層面實施這種材料的改變時尤其如此。

為了應對這種影響，系統性的整合現在成為一種公認的解決方案。由于省去了裝配步驟，而且整合了制造時間，因而可顯著降低初始成本。然而，如果不將其推向更高層面，這種方法很快還會遇到限制。

如果整合只是單純將所有部件集中在一起，各個部件仍保持相同的性能級別，往往會導致復合材料的潛在功能利用不足、材料浪費和不必要的增加成本。一種更有效的方法是綜合考慮單個部件的性能、成本、工藝和應用可能性的各個方面。

以剛度為例，若要實現各個部件所需的剛度，可能需要在某些部件中大量使用碳纖維，盡管在其他部件中，使用玻璃纖維就足夠了。這會導致更高的材料成本，甚至可能使功能集成變得不切實際。然而，如果能重新分配系統剛度功能，則可以找出與系統性能匹配但成本較低的分配型式。這種方法可將剛度、重量和阻尼等多種功能的要求合并到一個優化設計中。

這正是SKF黑色設計功能集成的優勢：基于復合材料的功能集成，實現最佳系統性能。

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