A380飞机结构的先进材料和工艺

A380 飞机结构的先进材料和工艺 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 压力载荷需要考虑采用屈服强度和刚度好的材料 以增加稳定性 抗腐蚀能力是选择材料和工艺的另一个 重要准则 尤其是在机身下部 选择材料和工艺目标的一部分是使结构轻量化 因此 复合材料是很好的 选择 但必须了解设计准则和维修需要 材料的选择不仅仅是考虑设计准则 同时还要考虑生产成本和采 购问题 1 新型且先进的金属材料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 A380 800 飞机在铝合金结构上取得的主要成就包括 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 复合材料的应用复合材料的应用 A380 复合材料的主要应用见下图 3 A380 是空中客车第一次大范围在大型民用运输机上应用复合材料的飞机 在空中客车公司 A310 是第 一次在襟翼盒上应用复合材料的飞机 A320 是投产的第一架全复合材料尾翼飞机 A340 飞机的机翼的 13 重量是复合材料 而 A340 500 600 则采用了碳纤维增强塑料龙骨梁 而 A380 飞机是空中客车第一 次将碳纤维增强塑料 CFRP 应用于中央翼盒的飞机 这种结构与铝合金相比减重 1 5 吨 A380 上的 中央翼盒重 8 8 吨 其中 5 3 吨是复合材料 面临的主要问题是翼根的连接和零件的厚度 复合材料零件 的厚度能够达到 45mm 但是有生产 A340 500 600 则采用了碳纤维增强塑料龙骨梁 16m 长 23mm 厚 每根梁承载 450 吨 的经验 另外在 A340 600 飞机上还有襟翼翼盒 方向舵以及水平安定面和升降舵的 整体复合材料设计经验 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 见图技术 见图 4 GLARE 蒙皮用于 A380 飞机的上机身蒙皮 采用 GLARE 工艺技术可以实现局部增强 并且厚度变化可 以通过一次固化实现 这种制造方法相对于铝合金壁板来说可以增加机身宽度 从而减少了纵向壁板连接 点 在机身上应用 GLARE 材料主要是由于其断裂机械性能好 能够显著提高抗裂纹增长能力 另一方面 玻璃纤维与铝合金相比弹性模量低 同样厚度下与普通铝合金 Al2024 相比刚性小 15 这是为什么在稳 定性和抗弯能力要求高的结构零件中不选用 GLARE 材料的原因 GLARE 材料相比铝合金的另一个优点 是抗腐蚀及防火能力强 为此空中客车公司开展了许多局部及全尺寸样件的试验 以验证这种新材料的性 能 自从 1999 年 10 月以为 德国空军就在 A310 多用途飞机的机身上采用了 GLARE 材料 该设计通过 了验证并且发布了相关的结构修理手册 在 A380 800 飞机蒙皮上应用了大约 500 平米的 GLARE 材料 GLARE 材料的进一步应用还在研究中 有望替代尾翼前缘 从而改善鸟撞性能 4 激光激光焊 见图焊 见图 5 激光焊是空中客车公司在 A318 飞机上开发的用于机身下壁板制造工艺 该工艺在 A380 飞机上代替铆接 首先应用于下机身壁板的桁条 从而使结构概念从组装结构过渡到整体结构 减少了裂纹增长 激光焊技 术的发展还促进了可焊合金 Al6056 和 Al6013 的发展 用激光焊接的壁板已经过了压力试验并进行了单 双曲度壁板的验证 结果证明该工艺不仅节约成本 而且提高抗腐蚀能力并可减重 激光焊在 A380 上的 进一步应用可能是蒙皮与卡箍的连接部位以及起落架舱处的压力隔框 5 结论结论 A380 飞机的大部件结构零件采用了新一代 CFRP 复合材