图 3 波音 787复合材料整体机身段 Fig1 3 Integrated composite fuselage section of Boeing 787
(2) A380率先在中央翼盒上大量采用复合
材料[2 ,4 ,728]
由于中央翼盒是关键的主承力件 ,因此以往均为全金属结构。 A380中央翼盒率先采用复合材料与金属材料的混合结构 (以复合材料为主 ),为在飞机上扩大复合材料应用跨出了重要的一步。该翼盒质量为 8 800 kg ,其中复合材料 5 300 kg ,取得了减重 1 500 kg的良好效果 ,见图 4。
(4) A380和波音 787分别选用层间混杂复
合材料 GL ARE和 TiGr[2 ,728 ,13 ]纤维金属层板的示意图见图 7。由于第 1代层间混杂复合材料 ARALL (芳
纶纤维铝合金层板 )存在芳纶纤维容易在疲劳过程发生断裂和成本较高的缺点 ,因而影响了它的扩大应用。与 ARALL相比 ,第 2代层间混杂复合材料 GL ARE(玻璃纤维铝合金层板 )虽然密度较高和模量较低 ,但其成本显著降低 ,而且显著提高了疲劳性能、拉伸强度、压缩性能、冲击性能和
(3)液态复合成形 (L CM)已作为成熟的工程技术应用于新一代大型飞机 [4 ,7212 ]
由于 L CM技术具有成本低、周期短、质量高、工作环境好和有利于结构整体化等优点 ,使原来在减重方面就占优势的树脂基复合材料如虎添翼 ,显著增强了与金属材料的竞争力。
树脂转移模塑
( R TM)和树脂薄膜浸渗 ( RFI)是 L CM中两种主要的制备技术。
阻尼性能 ,因此 GL A RE一问世 ,就引起了世界各大飞机制造公司的关注。 A380的机身壁板、垂直尾翼前缘和水平稳定面都选用了 GLARE ,其用量占 A380总结构重量的 3%。
由于第 3代层间混杂复合材料 CARE(碳纤维铝合金层板 )很难彻底解决碳纤维与铝合金之间的电化学腐蚀问题 ,因而迄今无商品化产品。据报道 ,波音公司将选用第 4代层间混杂复合材料 Ti Gr (石墨纤维钛合金层板 )制造波音 787的机翼和机身的一些蒙皮。 Ti Gr还可用来作为蜂窝夹层的面板。
(5) A380是首次采用全钛挂架的飞机[728]
A380率先采用全钛挂架 ,A350也采用全钛挂架 ,并均选用 β退火的 Ti26Al24VELI ,以提高断裂韧性和减慢疲劳裂纹扩展速率而有利于损伤容限设计。这一全钛挂架是空客公司作为超前的新技术之一高调推出的。
(6)新型高强高韧钛合金 Ti25Al25V25Mo2 3Cr21Zr首次在 A380平台上闪亮登场 [728]
这是空客公司与俄罗斯合作在 В Т22 ( Ti2 5Al25V25Mo21Cr21Fe)基础上研发的一种新合金 (属近 β型),已选用于 A380机翼与挂架的连接装置 ,它那令人惊异的强度与韧性之间的优良组合受到了设计师和钛合金工作者的青睐。
(7)钛合金精铸技术正逐步进入大型飞机领
域[ 2 ,14217 ]
近 20年来 ,由于在钛合金精铸工艺上采用了计算机模拟、热等静压和 β热处理等先进技术 ,显著改善了钛铸件 (包括大型整体结构件 )的组织性能并消除了各种铸造缺陷 ,因而在 F/ A222 ,V222等军用飞机上的应用迅猛崛起。然而在客机和军用运输机上的应用却起步较晚。
1999年 ,波音 777的发动机后安装框架钛合金精铸件在零件静力试验成功后已实际应用。虽然钛合金精铸技术早些时候已在 F/ A222 ,V222等军用飞机上迅猛发展 ,但这是首次在安全可靠性要求更高的民机上获得成功应用 ,故这一开端具有重要意义。
近期 ,A380
国 Doncasters公司采用离心熔模精铸技术制成 ,
最近 , Howmet公司、波音公司与美国空军研究实验室联合进行薄壁钛铸件的开发 ,选择 C217军用运输机发动机挂架为对象 ,各用一个整体铸件取代由 17个 Ti26Al24V钣金件组成的鼻帽和由多个零件、不少紧固件组成的防火封严件。目前已达到厚度 11 27 mm的要求 ,并引入新生产的 C217飞机。 60个鼻帽铸件在全寿命期可节约 320万美元 ,防火封严件改用薄壁铸件后可降低成本 70 %以上。
图 8显示了一种大型军用运输机用的钛合金精铸件 ,它取代了原 22个加工件 ,节省了大部分成本。
图 8 一大型军用运输机用的钛合金铸件
Fig1 8 Ti2alloy single piece casting for use in a large mili2 tary transport aircraft
(8)第 3代铝锂合金在 A350 ,A380上的大量应用是空客新一代飞机的一大特色 [2 ,729]
由于每添加 1%锂就可降低 3%的密度和提高 6%的弹性模量 ,因此 A380已正式选用铝锂合金制造地板梁 ,正打算用做机身蒙皮和下翼面的桁条。 A350已选用铝锂合金制造机身蒙皮和地板结构等 ,其原设计的用量高达总结构重量的 23 %。铝锂合金经大起大落后东山再起的主要原因是在不断优化成分的基础上推出了 2094 , 2195 ,2097 ,2197等第 3代合金。这些合金的共 同特点是降低了锂含量和优化了铜等合金元素的含量 ,从而控制了 Al3Li相的析出 ,解决了第 2代合金出现的各向异性显著、抗应力腐蚀能力差等问题。第 3代铝锂合金取代 2124 ,2024铝合金制成的零部件在 F216战斗机上的成功验证也是东山再起的重要原因。
(9)新型高强铝合金 7085的问世为特大锻件在 A380上的应用开辟了道路 [728]
的安全性、经济性、舒适性的环保性
与战斗机等较小型的飞机相比 ,大型飞机对选材的要求具有 4个“更高”的特点 ,即更高安全性 ,更高经济性 ,更高舒适性和更高环保性。波音公司之所以把波音 787的复合材料用量增加至 50 %左右 ,就是认为这在更高层次上符合了“四性”的要求。
其具体理由是 :复合材料经 30多年的研究和
Zn Mg Cu Zr Fe Si Al
710～810112～118113～2100108～0115 ≤0108 ≤0106量余
7085铝合金的主要性能见表 4。
表 4 7085铝合金的主要性能 Table 4 Main properties of aluminum alloy 7085
取样KIC
品种 δ/ mm方向 σb/ MPa σ012/ MPa δ5/ % /(MPa ·
m)
锻件 > 50～150 L 503 462 9 301 5 (L2T)
7085铝合金制成的 A380飞机后翼梁是迄今为止最大的一个飞机模锻件 ,长 61 4 m,宽 11 9 m,质量约 3 900 kg。
(10) A380和 A350采用激光焊接技术 (LBW)制成 6000系铝合金和铝锂合金整体结构件[628]
A350采用激光焊接技术制造铝锂合金机身结构件 ,而 A380则采用激光焊接技术制造 6000系铝合金下机身壁板结构件 ,以取代以往的铆接结构件 ,从而由过去的“装配式结构”概念改变为
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本文链接地址：航空学报08大飞机专刊(113)
