2011-10-18 來(lái)源:中國(guó)聚合物網(wǎng)
關(guān)鍵詞：A380飛機(jī) CFRP復(fù)合材料 新型材料 工藝技術(shù)
空中客車公司A380飛機(jī)樹立了創(chuàng)新和技術(shù)的新標(biāo)準(zhǔn)。這種555座的飛機(jī)將于2006年投入運(yùn)營(yíng)。
與之前的飛機(jī)相比，A380在更大范圍內(nèi)采用了復(fù)合材料，改進(jìn)了氣動(dòng)性能、飛行系統(tǒng)和航空電子設(shè)備，使之不僅成為迄今為止建造的最寬敞的民用飛機(jī)，而且還是最先進(jìn)的民用飛機(jī)，為二十一世紀(jì)的第一個(gè)10年樹立了標(biāo)準(zhǔn)。
A380的壽命要達(dá)到40-50年，因此必須選用先進(jìn)且新型材料和工藝技術(shù)，為未來(lái)飛機(jī)搭建技術(shù)平臺(tái)。這些技術(shù)不僅經(jīng)過了大量全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證而且經(jīng)過了航空公司維修專家的評(píng)審（符合檢查和維修標(biāo)準(zhǔn)）。
A380結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（見圖1）。重復(fù)的拉伸載荷加上載荷的變化將會(huì)在金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生微小的疲勞裂紋。裂紋增長(zhǎng)速度以及殘余強(qiáng)度（當(dāng)裂紋產(chǎn)生時(shí)）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。
A380結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
壓力載荷需要考慮采用屈服強(qiáng)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(gè)重要準(zhǔn)則，尤其是在機(jī)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(jì)準(zhǔn)則和維修需要。材料的選擇不僅僅是考慮設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時(shí)還要考慮生產(chǎn)成本和采購(gòu)問題。
1.新型且先進(jìn)的金屬材料
從A380選材的分布來(lái)看（見圖2），鋁合金占的比重最大，達(dá)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的61%，因此要實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)，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(qiáng)度和損傷容限，加強(qiáng)穩(wěn)定性并提高抗腐蝕能力。尤其是在A380機(jī)翼部位（機(jī)翼的80%以上是鋁合金材料）要提高性能。
A380選材的分布
A380-800飛機(jī)在鋁合金結(jié)構(gòu)上取得的主要成就包括：
·在機(jī)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(jìn)的鋁鋰合金擠壓件，在這一部位的應(yīng)用可與碳纖維增強(qiáng)塑料相媲美；
·在機(jī)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(qiáng)度合金；鈦合金由于具有高強(qiáng)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(jià)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(jī)型有所增加，達(dá)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(jì)。在A380飛機(jī)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(zhǎng)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?yàn)樵O(shè)計(jì)者提供良好的斷裂韌性和高強(qiáng)度綜合性能。這種合金目前用于A380飛機(jī)的機(jī)翼和掛架之間的連接件，進(jìn)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復(fù)合材料的主要應(yīng)用
A380是空中客車第一次大范圍在大型民用運(yùn)輸機(jī)上應(yīng)用復(fù)合材料的飛機(jī)。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(jī)；A320是投產(chǎn)的第一架全復(fù)合材料尾翼飛機(jī)；A340飛機(jī)的機(jī)翼的13%重量是復(fù)合材料；而A340/500-600則采用了碳纖維增強(qiáng)塑料龍骨梁。而A380飛機(jī)是空中客車第一次將碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）應(yīng)用于中央翼盒的飛機(jī)，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(dá)到45mm。但是有生產(chǎn)A340/500-600則采用了碳纖維增強(qiáng)塑料龍骨梁（16m長(zhǎng)，23mm厚，每根梁承載450噸）的經(jīng)驗(yàn)。另外在A340-600飛機(jī)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(jì)經(jīng)驗(yàn)。
A380飛機(jī)的CFRP水平尾翼與A310飛機(jī)的懸壁式機(jī)翼相近，而在中央翼盒上采用了合理的自動(dòng)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(gè)采用了擠壓成形工藝，第二個(gè)試用了樹脂模浸漬工藝和自動(dòng)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(jī)身非承壓部位由于是雙曲度壁板，所以采用了自動(dòng)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(qiáng)鋁合金加工，而承載較小的框則采用RTM制造工藝。A380機(jī)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(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在A340-600飛機(jī)上驗(yàn)證，改善了損傷容限和可檢測(cè)性，進(jìn)一步的應(yīng)用還在研究中，例如應(yīng)用于機(jī)身的次承力支架系統(tǒng)。
機(jī)翼后緣移動(dòng)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(dòng)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(lái)物的損傷，但考慮到減重問題，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在這方面并不優(yōu)于復(fù)合材料設(shè)計(jì)。因此，在A380飛機(jī)的襟翼跟蹤梁的設(shè)計(jì)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(lái)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(jì)概念代替夾層結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，有可能在A380的機(jī)身和機(jī)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(jī)上采用了自動(dòng)絲束鋪放、自動(dòng)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(jī)的上機(jī)身蒙皮
GLARE蒙皮用于A380飛機(jī)的上機(jī)身蒙皮。采用GLARE工藝技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)，并且厚度變化可以通過一次固化實(shí)現(xiàn)。這種制造方法相對(duì)于鋁合金壁板來(lái)說可以增加機(jī)身寬度，從而減少了縱向壁板連接點(diǎn)。在機(jī)身上應(yīng)用GLARE材料主要是由于其斷裂機(jī)械性能好，能夠顯著提高抗裂紋增長(zhǎng)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是抗腐蝕及防火能力強(qiáng)，為此空中客車公司開展了許多局部及全尺寸樣件的試驗(yàn)，以驗(yàn)證這種新材料的性能。自從1999年10月以為，德國(guó)空軍就在A310多用途飛機(jī)的機(jī)身上采用了GLARE材料，該設(shè)計(jì)通過了驗(yàn)證并且發(fā)布了相關(guān)的結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)。在A380-800飛機(jī)蒙皮上應(yīng)用了大約500平米的GLARE材料。GLARE材料的進(jìn)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
激光焊是空中客車公司在A318飛機(jī)上開發(fā)的用于機(jī)身下壁板制造工藝。該工藝在A380飛機(jī)上代替鉚接首先應(yīng)用于下機(jī)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(zhǎng)。激光焊技術(shù)的發(fā)展還促進(jìn)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(yàn)并進(jìn)行了單雙曲度壁板的驗(yàn)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(jìn)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(jī)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(jìn)的金屬材料，除了減重效果外，還能提供更具優(yōu)勢(shì)的使用可靠性，且維護(hù)和維修更簡(jiǎn)便。主要?jiǎng)?chuàng)新包括：
·上機(jī)翼蒙皮采用了GLARE材料；
·在下機(jī)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(qiáng)塑料；
·開發(fā)了一種先進(jìn)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。