A380飛機結(jié)構(gòu)的先進材料和工藝

車?yán)遄覸 2008-11-21

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A380飛機結(jié)構(gòu)的先進材料和工藝

Posted by admin 16 September,2008

作者：任曉華

中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心航空技術(shù)所任曉華

A380的壽命要達到40-50年，因此必須選用先進且新型材料和工藝技術(shù)，為未來飛機搭建技術(shù)平臺。這些技術(shù)不僅經(jīng)過了大量全尺寸試驗驗證而且經(jīng)過了航空公司維修專家的評審（符合檢查和維修標(biāo)準(zhǔn)）。

A380結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則（見圖1）。重復(fù)的拉伸載荷加上載荷的變化將會在金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生微小的疲勞裂紋。裂紋增長速度以及殘余強度（當(dāng)裂紋產(chǎn)生時）將指導(dǎo)選擇何種材料。為了防止結(jié)構(gòu)由外物損傷，需要考慮材料的損傷容限性能。

壓力載荷需要考慮采用屈服強度和剛度好的材料，以增加穩(wěn)定性?？垢g能力是選擇材料和工藝的另一個重要準(zhǔn)則，尤其是在機身下部。選擇材料和工藝目標(biāo)的一部分是使結(jié)構(gòu)輕量化。因此，復(fù)合材料是很好的選擇，但必須了解設(shè)計準(zhǔn)則和維修需要。材料的選擇不僅僅是考慮設(shè)計準(zhǔn)則，同時還要考慮生產(chǎn)成本和采購問題。

1新型且先進的金屬材料

從A380選材的分布來看（見圖2），鋁合金占的比重最大，達機體結(jié)構(gòu)重量的61%，因此要實現(xiàn)性能改進，必須開發(fā)創(chuàng)新的鋁合金材料和工藝技術(shù)，具體是提高強度和損傷容限，加強穩(wěn)定性并提高抗腐蝕能力。尤其是在A380機翼部位（機翼的80%以上是鋁合金材料）要提高性能。

A380-800飛機在鋁合金結(jié)構(gòu)上取得的主要成就包括：

·在機身壁板上引用了很寬的鈑金材料，減少了連接件從而減輕了重量；

·在主地板橫梁上采用了先進的鋁鋰合金擠壓件，在這一部位的應(yīng)用可與碳纖維增強塑料相媲美；

·在機翼大梁和翼肋上選擇了新型7085合金，這種合金在很薄的板材和很大鍛件上性能優(yōu)于通常的高強度合金；鈦合金由于具有高強度、低密度，高損傷容限和抗腐蝕能力使其代替鋼而廣泛應(yīng)用，但是它的高價格使其應(yīng)用受到限制。在A380的結(jié)構(gòu)中，鈦合金用量較空中客車其它機型有所增加，達到10%。僅僅掛架和起落架的鈦合金用量就增加了2%。

·A380掛架的主要結(jié)構(gòu)是空中客車公司第一次采用全鈦設(shè)計。在A380飛機上采用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V，在B退火狀態(tài)下最大的斷裂韌性和最小的裂紋增長速度。

·在A380上第一次采用了新型鈦合金VST55531，這種新的鈦合金是空中客車公司與俄羅斯制造商共同開發(fā)的，能夠為設(shè)計者提供良好的斷裂韌性和高強度綜合性能。這種合金目前用于A380飛機的機翼和掛架之間的連接件，進一步的應(yīng)用還在研究當(dāng)中。

2 .A380復(fù)合材料的應(yīng)用

A380復(fù)合材料的主要應(yīng)用見下圖3。

A380是空中客車第一次大范圍在大型民用運輸機上應(yīng)用復(fù)合材料的飛機。在空中客車公司，A310是第一次在襟翼盒上應(yīng)用復(fù)合材料的飛機；A320是投產(chǎn)的第一架全復(fù)合材料尾翼飛機；A340飛機的機翼的13%重量是復(fù)合材料；而A340/500-600則采用了碳纖維增強塑料龍骨梁。而A380飛機是空中客車第一次將碳纖維增強塑料（CFRP）應(yīng)用于中央翼盒的飛機，這種結(jié)構(gòu)與鋁合金相比減重1.5噸。A380上的中央翼盒重8.8噸，其中5.3噸是復(fù)合材料。面臨的主要問題是翼根的連接和零件的厚度，復(fù)合材料零件的厚度能夠達到45mm。但是有生產(chǎn)A340/500-600則采用了碳纖維增強塑料龍骨梁（16m長，23mm厚，每根梁承載450噸）的經(jīng)驗。另外在A340-600飛機上還有襟翼翼盒、方向舵以及水平安定面和升降舵的整體復(fù)合材料設(shè)計經(jīng)驗。

A380飛機的CFRP水平尾翼與A310飛機的懸壁式機翼相近，而在中央翼盒上采用了合理的自動鋪帶技術(shù)。此外，上地板梁和后壓力隔框也采用了CFRP材料。這些零件的第一個采用了擠壓成形工藝，第二個試用了樹脂模浸漬工藝和自動纖維鋪放技術(shù)，最后由于形狀的原因，最后選擇了樹脂模浸漬工藝。在后機身非承壓部位由于是雙曲度壁板，所以采用了自動化纖維鋪放技術(shù)生產(chǎn)蒙皮壁板，高載荷承力框則采用高強鋁合金加工，而承載較小的框則采用RTM制造工藝。A380機翼固定前緣為熱塑性復(fù)合材料，能夠減重并節(jié)約成本。這項技術(shù)已經(jīng)在A340-600飛機上驗證，改善了損傷容限和可檢測性，進一步的應(yīng)用還在研究中，例如應(yīng)用于機身的次承力支架系統(tǒng)。

機翼后緣移動面采用了CFRP，并在難以用一般技術(shù)獲得的成形零件上采用了RTM技術(shù)，如移動面的鉸鏈和翼肋零件。內(nèi)側(cè)襟翼與增升裝置容易受到外來物的損傷，但考慮到減重問題，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計在這方面并不優(yōu)于復(fù)合材料設(shè)計。因此，在A380飛機的襟翼跟蹤梁的設(shè)計中采用了金屬與復(fù)合材料的混合結(jié)構(gòu)，在橫向壁板和次承力翼肋處用CFRP代替了鋁合金。另外，空中客車公司還首次將CFRP翼肋用于翼盒中代替鋁合金。最終在襟翼的中外翼部分、襟翼的整流罩以及擾流板和副翼上也采用了CFRP材料。

在夾層結(jié)構(gòu)方面，主要的創(chuàng)新是采用輕型蜂窩代替了原來使用的芳綸紙蜂窩。在A380上的典型應(yīng)用包括腹部整流罩（超過300平方米）及地面這類大尺寸結(jié)構(gòu)件。用整體設(shè)計概念代替夾層結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，有可能在A380的機身和機翼起落架艙門上得到應(yīng)用。

但是復(fù)合材料技術(shù)的應(yīng)用必須在合理的成本下提供高的性能。因此，在A380飛機上采用了自動絲束鋪放、自動鋪帶、樹脂膜浸漬以及樹脂轉(zhuǎn)移成型這些低成本生產(chǎn)技術(shù)，不僅能夠生產(chǎn)大型復(fù)合材料零件，而且降低了裝配成本。

3 .GLARE 技術(shù)（見圖4）

GLARE蒙皮用于A380飛機的上機身蒙皮。采用GLARE工藝技術(shù)可以實現(xiàn)局部增強，并且厚度變化可以通過一次固化實現(xiàn)。這種制造方法相對于鋁合金壁板來說可以增加機身寬度，從而減少了縱向壁板連接點。在機身上應(yīng)用GLARE材料主要是由于其斷裂機械性能好，能夠顯著提高抗裂紋增長能力。另一方面，玻璃纖維與鋁合金相比彈性模量低，同樣厚度下與普通鋁合金Al2024相比剛性小15%。這是為什么在穩(wěn)定性和抗彎能力要求高的結(jié)構(gòu)零件中不選用GLARE材料的原因。GLARE材料相比鋁合金的另一個優(yōu)點是抗腐蝕及防火能力強，為此空中客車公司開展了許多局部及全尺寸樣件的試驗，以驗證這種新材料的性能。自從1999年10月以為，德國空軍就在A310多用途飛機的機身上采用了GLARE材料，該設(shè)計通過了驗證并且發(fā)布了相關(guān)的結(jié)構(gòu)修理手冊。在A380-800飛機蒙皮上應(yīng)用了大約500平米的GLARE材料。GLARE材料的進一步應(yīng)用還在研究中，有望替代尾翼前緣，從而改善鳥撞性能。

4 .激光焊（見圖5）

激光焊是空中客車公司在A318飛機上開發(fā)的用于機身下壁板制造工藝。該工藝在A380飛機上代替鉚接首先應(yīng)用于下機身壁板的桁條，從而使結(jié)構(gòu)概念從組裝結(jié)構(gòu)過渡到整體結(jié)構(gòu)，減少了裂紋增長。激光焊技術(shù)的發(fā)展還促進了可焊合金Al6056和Al6013的發(fā)展。用激光焊接的壁板已經(jīng)過了壓力試驗并進行了單雙曲度壁板的驗證。結(jié)果證明該工藝不僅節(jié)約成本，而且提高抗腐蝕能力并可減重。激光焊在A380上的進一步應(yīng)用可能是蒙皮與卡箍的連接部位以及起落架艙處的壓力隔框。

5 .結(jié)論

A380飛機的大部件結(jié)構(gòu)零件采用了新一代CFRP復(fù)合材料和先進的金屬材料，除了減重效果外，還能提供更具優(yōu)勢的使用可靠性，且維護和維修更簡便。主要創(chuàng)新包括：

·上機翼蒙皮采用了GLARE材料；
·在下機身蒙皮應(yīng)用了6000系列鋁合金和激光焊接技術(shù)；
·中央翼盒為碳纖維增強塑料；
·開發(fā)了一種先進的鋁合金用于翼盒；
·采用了鋁鋰合金；
·采用了一種新型鈦合金并且提高了鈦相當(dāng)于鋼的比例。(end)