A380结构的上进材质和技巧–以往发展的技巧平台

碳纤维增强的热固性复合材料广泛用于许多高性能军用飞机,但热塑性复合材料用作承力构件就少得多。唯一的例外是在2003年巴黎航展上的一个通用原型机的机身壁板是用热塑性复合材料制成的。该壁板是由法国宇航联合研究中心(Aerospatiale
Corporate Resarch
Center)用聚醚醚酮和聚醚酰亚胺制成,并用帽形肋通过扩散连接进行增强。此项技术尚未用于任何民航飞机。该技术在民机上的验证及取证需多年才能完成,因此目前处于研究阶段的飞机计划,今后10年还不会在生产上应用这种技术。

Advanced Materials and Technology for A380 Structure◎Jéróme
Pora/A380项目结构副主任A380超大型客机是目前仅有的采用全机身长度双层客舱的4通道客机、能容纳555名乘客。本文简要介绍了A380机体结构所采用的先进材料和制造技术。生命周期长达40到50年的有竞争力的新飞机项目,要求结合新的制造技术,引进先进和新的材料,并随着飞机系列的发展进一步优化。所以,A380-800作为A380的发起机型,为其未来的发展建立了”技术平台”。新型和先进的金属材料A380的机体结构材料中,铝的分量最大,占了重量的61%。飞机性能的改进首先需要通过寻找先进的材料来降低机体重量,即采用高强度和/或高损伤容限、稳定和抗腐蚀性的新材料。所以A380的铝合金结构需要进一步改进,特别是机翼,铝占了其结构重量的80%。A380-800铝合金的主要进展有以下几点:●引进非常宽的板材做机身壁板,减少了连接点,从而减轻了重量。●由于有了新一代合金,驾驶舱横梁应用了铝锂合金挤压件,这使铝锂合金可能在该类应用中与碳纤维增强塑料竞争。●翼梁和翼肋选择了全新的7085合金,其非常厚的板材和非常大的锻造件使其优于传统的高强度合金。钛合金由于其高强度、低密度、高的损伤容限和抗腐蚀性能,在许多应用上代替了钢。但是,钛合金高昂的价格有时是限制其应用的因素之一。A380上钛的应用从原来飞机的5%~7%增加到10%,仅吊舱和起落架就增加了2%。空客公司首次在A380吊舱的主要结构上使用了全钛设计。在A380上使用的Ti-6A1-4V合金也经过β退火处理,以便提高断裂韧性和降低裂纹扩展速率。同时,A380也将是空客首次使用通过与俄罗斯生产商合作项目开发的新钛合金VST55531的飞机,该合金提供了异乎寻常的断口韧性和高强度。选择该种合金用于机翼和吊舱之间的连接装置。进一步的应用正在研究当中。A380复合材料应用图2显示了A380结构中主要的复合材料的应用。A380将是第一个有CFRP复合材料中央翼盒的大型商业飞机,这也意味着与应用最先进的铝合金相比,其重量减轻了1吨半。A380中央翼盒重约8.8t,其中5.3t是复合材料。这些复合部件可能达到45mm厚。而且,上舱地板横梁和后压力隔框也将由CRFP制成。第一个CRFP部件是采用挤拉工艺生产的,是将连续纤维增强塑料通过一套工具挤拉出来的。第二个部件由于形状不同,试验了不同技术,例如,树脂薄膜渗透法和自动化纤维铺放,最后选择了RFI方法。在后机身未增压的部分选择了AFP法制作壁板蒙皮。因为这些面板是双曲度的,所以承受高负荷的隔框仍由高强度的铝合金制成,而使用树脂转移成形生产承载较小负荷的部件。A380采用热塑性的机翼固定前缘旨在节约重量和成本。该项技术是为A340-600开发的,采用该技术能够减轻重量、方便生产并提高损伤容限。热塑性塑料的进一步的应用,例如,在机身的辅助支架上的应用正在研究中。选择CFRP的机翼后缘可移动的操纵面被认为是一项先进技术水平。当使用传统技术很难得到部件的形状如可移动操纵面铰链和翼肋时,即可使用RTM方法制造。空客也首次在悬臂翼盒上用CFRP翼肋代替铝合金翼肋。空客在夹层结构上的主要创新是引进轻型蜂窝结构代替常规的芳族聚酰胺纸蜂窝结构。这种情况适于大型结构,如机腹整流罩和机舱地板。在A380上有尽量使用单体设计代替夹层结构的趋势,机身起落架和机翼起落架已经采用了单体概念。A380上采用的先进的制造技术,如纤维自动铺放、自动铺带、树脂薄膜渗透法和树脂转移成形等,在复合材料生产中有助于减少生产成本。这使得设计非常大的A380的复合材料部件成为可能,并且降低了装配成本,提高了生产量。A380使空客在机体复合材料的应用研究上又迈进了一步。Glare技术Glare
蒙皮应用在A380的上机身壁板。Glare
是一种混合材料,由铝箔和单向玻璃纤维层交叠并浸渍环氧黏合剂。将浸渍的叠层放在模具中成形,形成单曲度和双曲度Glare
蒙皮。所谓的”叠接概念”用两层铝箔交叠形成一个单一的铝层。叠片相互间隔排列,而预制的黏合层则是连续的。在两个表层之间增加另外的叠层形成”整体双层黏结”,取得局部增强的效果。这样,在一个”一次性注射固化”循环中的叠层包含不同的厚度。将制作好的GLARE
叠层放在模子中,装入袋内并抽真空,在120°C的热压罐内固化。与铝制的壁板相比,采用该制造方法可以增加机身壁板的宽度,从而可以减少飞机壁板纵向连接点的数目。推动GLARE材料在机身壁板上的应用的动力是因为它有突出的抗裂纹扩展能力。另一方面,与铝相比,玻璃纤维的弹性系数较低,这与纤维的取向有关。与标准铝合金2024相比,同样厚度的Glare
的刚性可能要低15%。这就是GLARE不适合作稳定性结构件的备选材料的原因,例如,弯曲部件。与铝合金相比,GLARE另一个重要的优点是提高了防腐蚀和防火能力。A380的准备包括大量的试验件,以及部分和部件全尺寸测试以便验证结构设计概念和新材料。同时,也开发了使用铝板作GLARE的铆接修理,并得到了航空公司专家的认可。自1999年10月起,GLARE
机身壁板已用在德国空军的A310多用途飞机上。该设计通过了认证,并发布了一个结构修理手册。A380-800大约应用了500平方米的GLARE蒙皮。GLARE进一步的应用正在研究中。例如,利用GLARE防鸟撞的优越性能,在尾翼前缘用GLARE替代铝等。激光焊接空客开发的下机身壁板技术首先应用在A318上。A380开始应用的激光束焊接将取代下机身壁板桁条的铆接工艺。LBW技术推动了可焊接的铝合金6056和6013的发展。未来进一步的应用将是蒙皮和支架接头,以及起落架舱区域的压力隔框。结论A380大部分结构和部件将采用最新的碳纤维加强塑料复合材料和先进的金属材料制造。除了比传统材料轻之外,还在运行可靠性、可维护性以及方便修理方面有明显的优势,主要的创新技术有:●纤维层压蒙皮应用于上机身壁板;●下机身壁板应用激光束焊接技术和6000系列铝合金;●中央翼盒采用碳纤维加强塑料;●使用为翼盒开发的先进铝合金,使设计标准相同;●引进铝锂合金;●引进新钛合金,并增加钛的用量以代替钢。

Advanced Structures and Materials of A380
空中客车的A380是一款前所未有的超大型民用运输机。为使其在性能水平、商业水平和环境水平上有突破性的整体改善,空客采用了大量先进的综合技术。而飞机性能水平的改善,首先要解决尽可能减轻结构重量的问题,这需要慎重地选择各种先进的新型结构材料。而且材料的选择绝不仅仅局限于满足结构性能要求的设计准则,还需要考虑成本,以及采购活动的需要等因素。先进新型金属材料仍占主导地位飞机结构的选材,主要以提高结构强度/损坏容限,增强结构稳定性和抗腐蚀性为指导准则。在A380的结构选材中,先进铝材仍占有很高的比例,大约占整个机体结构重量的61%,特别是机翼结构,铝材的用量占机翼结构重量的80%
。此外,A380大型结构部件的尺寸要求也面临极大的设计挑战。A380-800先进铝合金选材特点包括:●机身壁板选用尺寸非常宽的铝合金钣材,以尽可能减少连接部件,减轻结构重量;●飞机主舱横梁采用了铝锂合金锻压件。新一代合金材料的出现使铝锂合金可能具有与碳纤维增强塑料在这类部件上应用的竞争潜力。●翼梁和翼肋选择全新的7085型合金。与制造超厚钣材和大型锻件用的传统合金材料相比,7085型合金材料强度更高。●更多选用钛合金材料。钛合金材料由于强度高、重量轻、损伤容限高和抗腐蚀性好等特点,一直是代替飞机结构中钢材的理想金属材料。但其高昂的价格在某种程度上限制了它的大量应用。在A380上,钛合金的用量已经从原来占空客飞机结构重量的5%~7%增加到10%,仅发动机吊挂架和起落架的钛含量就增加了2%,这对未来飞机结构选材提出了独特的挑战。空客首次在A380发动机吊挂架主要结构上使用全钛合金材料。采用的普通Ti-6A1-4V合金也经过了B退火条件处理,以使之达到最大断裂韧性和最小裂纹扩展速度。A380也是空客首次采用与俄罗斯生产商合作开发的VST55531牌号新型钛合金材料的飞机。这种新型的钛合金材料具有异乎寻常的断裂韧性和高强度的组合特性,比较适用于机翼和发动机挂架之间连接装置的制造,其进一步的应用尚在研究之中。复合材料用于大型结构件的技术突破在A380结构设计中,复合材料的用量排在第二位,占飞机结构总重的22%。
空客是最早将复合材料广泛用于大型商业运输飞机的飞机制造商。A310是首架采用复合材料尾翼翼盒的飞机;A320率先在商用飞机上采用了全复合材料尾翼;A340飞机机翼结构复合材料重量占结构重量的13%,以及A340-500/600成功采用了碳纤维增强塑料龙骨横梁。今天,空客凭借丰富的复合材料选材经验和日臻成熟的应用技术,在A380飞机上又开创了复合材料应用的新篇章。A380将是第一种采用CFRP复合材料中央翼盒的大型商业飞机。与采用铝合金材料相比,这种中央翼盒的重量将减轻1.5吨。A380的中央翼盒重约8.8吨,其中复合材料用量占5.3吨。采用CFRP复合材料制造中央翼盒的关键技术挑战是解决复杂的翼根结合处的制造难题和解决较大部件厚度的问题,因为该部件的最大厚度甚至达到45毫米。A380的上舱地板横梁和后压力隔框也将由CRFP制成。前者采用挤拉工艺制造,即将碳纤维增强塑料通过一套工具连续拉出。后者则因为形状原因,试验了不同的制造方法,例如树脂薄膜渗透和自动化纤维铺放方法,并最终选择了RFI方法。对A380后机身非增压部分的复合材料蒙皮,是双曲面的蒙皮面板,选用AFP方法制造。但高承力隔框则采用高强度铝合金经机加工成型。通常,复合材料的树脂转移成型法更适用于生产承力小的结构部件。A380的固定式机翼前缘采用曾经在A340-600项目中开发的热塑性玻璃纤维材料。它具有减轻结构重量、制造简单、能改善损伤容限的优点。而且与采用金属部件相比提高了可检性。其可操纵的机翼后缘选择CFRP材料,也被认为具有当代先进技术水平。该机的一些操纵面的铰接部件和翼肋,将选择RTM制造技术。在A380悬臂式机翼翼盒设计中,空客大胆进行了用CFRP翼肋代替铝合金翼肋的尝试。此外,A380的中间和外侧襟翼、襟翼滑轨整流罩,以及扰流板和副翼,也都采用了CFRP材料。在A380的夹层结构设计中,采用轻型蜂窝结构代替常规的芳族聚酰胺
纸蜂窝结构是空客的技术创新之一。这种情况适于大型结构,如机腹整流罩和客舱地板。在A380设计过程中,尽可能使用单体设计代替夹层结构,如它的机身下起落架和机翼下起落架已经采用了单体设计方案。充分利用GLARE材料的性能优势A380-800结构采用了占飞机总重约3%的
GLARE材料,大约有500平方米的蒙皮,主要是上机身壁板。GLARE
是一种混合材料,由铝箔和单向性玻璃纤维层交叠,通过浸渍环氧粘合剂叠接而成。与采用铝钣材制造壁板相比,GLARE材料适用于制造宽度更大的机身壁板,从而可以减少机身蒙皮壁板纵向连接点。GLARE机身壁板应用的动机是因为其出色的抗裂纹产生的能力。与铝合金相比,GLARE材料的另一个重要优点是显著提高了防腐蚀和防火能力。目前,空客正在准备进行大量A380的试验件,一些部件的局部和全尺寸试验,以验证他们为A380选择的结构设计方案和新材料的特性。例如,试验利用GLARE制造的机翼前缘的防鸟撞能力,对用GLARE替代铝材料后的尾翼前缘进行的性能测试等。先进制造技术对A380的贡献
先进复合材料制造技术A380上自动纤维填注,自动铺带,树脂薄膜渗透和树脂转移成形等先进复合材料制造手段的应用,有助于减小复合材料部件的生产成本,并使超大型A380飞机上超大尺寸的复合材料部件加工成为可能,从而减小了装配成本。A380使空客在机体复合材料的应用研究上又迈上了一个新的台阶。
激光焊接A380开始用激光束焊接技术取代下机身壁板桁条的铆接工艺。LBW技术的应用将使机身壁板结构从过去的”装配式结构”概念改变成”整体式结构”概念。从机械的观点来看,二者主要的差别在于蒙皮损坏后能减少裂纹的增长。空客还准备将LBW技术扩展到铝合金6056和6013的焊接领域。试验结果表明,LBW是适用于单曲度和双曲度壁板的焊接工艺,能显著降低生产成本,提高防腐性能和减轻重量。未来空客还将进一步将LBW技术用在蒙皮和支架接头,以及起落架舱区域压力隔框的制造上。

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