A380飞机结构的先进材料和工艺+++
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A380飞机结构的先进材料和工艺
Posted by admin 16 September,2008 (0)Comment作者:任晓华 中国航空工业发展研究中心航空技术所 任晓华
A380的寿命要达到40-50年,因此必须选用先进且新型材料和工艺技术,为未来飞机搭建技术平台。这些技术不仅经过了大量全尺寸试验验证而且经过了航空公司维修专家的评审(符合检查和维修标准)。
A380结构设计准则(见图1)。重复的拉伸载荷加上载荷的变化将会在金属结构内产生微小的疲劳裂纹。裂纹增长速度以及残余强度(当裂纹产生时)将指导选择何种材料。为了防止结构由外物损伤,需要考虑材料的损伤容限性能。
1新型且先进的金属材料
从A380选材的分布来看(见图2),铝合金占的比重最大,达机体结构重量的61%,因此要实现性能改进,必须开发创新的铝合金材料和工艺技术,具体是提高强度和损伤容限,加强稳定性并提高抗腐蚀能力。尤其是在A380机翼部位(机翼的80%以上是铝合金材料)要提高性能。
·在机身壁板上引用了很宽的钣金材料,减少了连接件从而减轻了重量;
·在主地板横梁上采用了先进的铝锂合金挤压件,在这一部位的应用可与碳纤维增强塑料相媲美;
·在机翼大梁和翼肋上选择了新型7085合金,这种合金在很薄的板材和很大锻件上性能优于通常的高强度合金;钛合金由于具有高强度、低密度,高损伤容限和抗腐蚀能力使其代替钢而广泛应用,但是它的高价格使其应用受到限制。在A380的结构中,钛合金用量较空中客车其它机型有所增加,达到10%。仅仅挂架和起落架的钛合金用量就增加了2%。
·A380挂架的主要结构是空中客车公司第一次采用全钛设计。在A380飞机上采用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V,在B退火状态下最大的断裂韧性和最小的裂纹增长速度。
·在A380上第一次采用了新型钛合金VST55531,这种新的钛合金是空中客车公司与俄罗斯制造商共同开发的,能够为设计者提供良好的断裂韧性和高强度综合性能。这种合金目前用于A380飞机的机翼和挂架之间的连接件,进一步的应用还在研究当中。
2 .A380复合材料的应用
A380复合材料的主要应用见下图3。
A380飞机的CFRP水平尾翼与A310飞机的悬壁式机翼相近,而在中央翼盒上采用了合理的自动铺带技术。此外,上地板梁和后压力隔框也采用了CFRP材料。这些零件的第一个采用了挤压成形工艺,第二个试用了树脂模浸渍工艺和自动纤维铺放技术,最后由于形状的原因,最后选择了树脂模浸渍工艺。在后机身非承压部位由于是双曲度壁板,所以采用了自动化纤维铺放技术生产蒙皮壁板,高载荷承力框则采用高强铝合金加工,而承载较小的框则采用RTM制造工艺。A380机翼固定前缘为热塑性复合材料,能够减重并节约成本。这项技术已经在A340-600飞机上验证,改善了损伤容限和可检测性,进一步的应用还在研究中,例如应用于机身的次承力支架系统。
机翼后缘移动面采用了CFRP,并在难以用一般技术获得的成形零件上采用了RTM技术,如移动面的铰链和翼肋零件。内侧襟翼与增升装置容易受到外来物的损伤,但考虑到减重问题,金属结构设计在这方面并不优于复合材料设计。因此,在A380飞机的襟翼跟踪梁的设计中采用了金属与复合材料的混合结构,在横向壁板和次承力翼肋处用CFRP代替了铝合金。另外,空中客车公司还首次将CFRP翼肋用于翼盒中代替铝合金。最终在襟翼的中外翼部分、襟翼的整流罩以及扰流板和副翼上也采用了CFRP材料。
在夹层结构方面,主要的创新是采用轻型蜂窝代替了原来使用的芳纶纸蜂窝。在A380上的典型应用包括腹部整流罩(超过300平方米)及地面这类大尺寸结构件。用整体设计概念代替夹层结构的发展趋势,有可能在A380的机身和机翼起落架舱门上得到应用。
但是复合材料技术的应用必须在合理的成本下提供高的性能。因此,在A380飞机上采用了自动丝束铺放、自动铺带、树脂膜浸渍以及树脂转移成型这些低成本生产技术,不仅能够生产大型复合材料零件,而且降低了装配成本。
3 .GLARE 技术(见图4)
4 .激光焊(见图5)
5 .结论
A380飞机的大部件结构零件采用了新一代CFRP复合材料和先进的金属材料,除了减重效果外,还能提供更具优势的使用可靠性,且维护和维修更简便。主要创新包括:
·上机翼蒙皮采用了GLARE材料;
·在下机身蒙皮应用了6000系列铝合金和激光焊接技术;
·中央翼盒为碳纤维增强塑料;
·开发了一种先进的铝合金用于翼盒;
·采用了铝锂合金;
·采用了一种新型钛合金并且提高了钛相当于钢的比例。(end)