航空工程材料 案例2机翼用材料的选择

（1）工作条件案例二：机翼所用材料的选择机翼是飞机的重要部件，其主要功用是产生升力，并使飞机获得横向稳定性和操作性，还可用于安装起落架、发动机和储存燃油等。机翼的基本受力构件包括纵向（沿翼展方向）骨架、横向（沿气流方向或垂直于翼梁方向）骨架、蒙皮和接头等，如图1为典型的机现代飞机的机翼，特别是民航运输机的机翼一般都采用金属机翼。机翼结构件多采用铝合金材料：由L12-CZ、LY12-M、LC4-CS、LD5、LD10等制成，少量重要承力接头采用30CrMnSiA钢材料，油箱舱和密封舱用非金属材料。为了减轻重量，机翼的前后缘常采用玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）或铝蜂窝夹层（芯）结构。有时歼击机选用硼或碳纤维环氧复合材料，以减轻尾部重量，提高作战性能。1.机翼蒙皮的材料选择机翼蒙皮主要功用是承受局部气动载荷，形成和维持机翼的气动外形，同时参与承受机翼的剪力、弯矩和扭矩。（2）材料选择机翼蒙皮因上下翼面的受力情况不同，分别采用抗压性能好的超硬铝及抗拉和疲劳性能好的硬铝。上翼面结构以受压为主，因此在选材时应侧重于考虑其强度，波音707和737采用了7178高强度铝合金，波音747采用断裂韧性更好的7075-T651合金，波音777采用了强度更高，且同时具备可接受的断裂韧性和抗腐蚀能力的7055-T77铝合金。美国洛克希德L-1011型飞机机翼蒙皮也采用了高强度的包铝7075-T76厚板机加而成，这种材料比机身蒙皮用到的2024-T3强度更高，由于有包覆层，不仅抗蚀性能提高，而且能减轻重量，适用于制造负载大的结构。下翼面结构则多采用2324-T39铝合金，其断裂韧度、抗疲劳性能、抗腐蚀性能相当于目前广泛应用于各类飞机损伤临界区的韧性、抗疲劳性良好的2024-T351厚板，强度特别是屈服强度提高了28%，具备强度、韧性的优良结合，可大幅度减轻飞机构件重量，提高结构强度，是非常理想的机翼下翼面用材。波音747中央翼下蒙皮及其连接板、波音767中央翼下蒙皮、机翼中间梁下蒙皮、外翼中间梁下蒙皮、波音777超大型宽体客机下翼蒙皮均采用了2324-T39铝合金。2.纵向骨架的材料选择纵向骨架有翼梁和桁条等。翼梁是最强有力的纵向构件，它承受大部分弯矩和剪力，在机翼根部与机身用固定连接接头连接。现代飞机机翼，一般都采用腹板式金属翼梁。这种翼梁由缘条和腹板铆接而成。材料选择：缘条用铝合金或合金钢的厚壁型材制成，腹板用铝合金板制成。某些飞机上还采用铝合金或高强度合金钢整体锻造成的整体翼梁结构。而随着复合材料的发展应用，多种机型机翼采用复合材料制造，如波音787-8型飞机复合材料机翼，前大梁为C剖面槽型整体层合板CFRP（碳纤维增强树脂基复合材料）大梁，空客A350机翼前后梁、蒙皮等均采用CFRP复合材料，可以实现翼面气动弹性剪裁，改善飞机气动性能，并可以带来结构减重，降低使用成本、减少油耗有利环境保护，还可以免除疲劳和腐蚀问题的出现，大大节省维修成本，如图3所示。桁条主要用于支撑蒙皮，提高蒙皮的承载能力，将蒙皮的气动力传递给翼肋。桁条多采用铝合金板材弯制或用挤压型材。如2026-T3511挤压型材具有高耐损伤性能及良好的疲劳伉俪，并且具有良好的加工成形性能，用于制作机翼下壁板桁条等能增加检修间隔和提高剩余强度，目前已成为飞机机翼下壁板桁条用先进铝合金首选材3.横向骨架的材料选择横向骨架有普通翼肋和加强翼肋，如图4所示，用来支撑蒙皮，维持机翼的剖面形状。在有集中载荷的地方（如安装发动机、起落架等普通翼肋得到加强而称为加强翼肋。（1）工作状况：普通翼肋的功用是构成并保持机翼的截面形状，把蒙皮和桁条传给它的局部空气动力传给翼梁腹板，以及支持蒙皮、桁条和翼梁腹板，提高它们的稳定性。（2）材料选择：低载区（如机翼翼稍附近、操纵面翼肋等）的普通翼肋可考虑采用复合材料翼肋，如A380机翼的操纵面翼肋采用了RTM制造技术的复合材料，但机翼其余部分多采用7085铝合金，不仅具有高强高韧高抗腐蚀性，而且还有较好的淬透性。加强翼肋除具有普通翼肋的功用外，还要承受和传递较大的集中载荷，在开口边缘处还要把扭矩集中起来传给翼梁，因此，一般也采用超硬铝合金，7050是一种高