航空学报08大飞机专刊(33)

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　　随着飞机性能的不断提高 ,对飞机结构的气动性和整体性的要求也越来越高 ,而且随着市场多元化的发展 ,进一步降低制造成本 ,使产品更加有竞争力 ,是许多飞机制造商面临的主要问题。
作为飞机上最重要的一类零件 —
—整体壁板 ,它既是构成飞机气动外形的重要组成部分 ,同时也是机翼、机身等的主要承力构件[1]。因此 ,先进飞机的整体壁板不仅具有复杂双曲率外形 ,同时还具有复杂的内部结构 ,如整体加强凸台、口框、肋及筋条等 ,以达到既满足外形要求 ,同时又减少零件数量、减轻重量和提高使用寿命的目的。因此 ,以大型整体壁板结构为代表的大型整体结构件对民用飞机的结构效率、成本和周期具有非常重要的影响。大型整体结构
收稿日期 :2007208227 ;修订日期 :2007211212通讯作者 :曾元松 E2mail : yszengnantes @yahoo. com
件已经成为现代先进民用飞机设计制造领域的一个重要标志 ,针对这种具有复杂外形和结构的整体壁板零件的成形技术就成为现代先进飞机的关键制造技术之一。
1　大型整体壁板结构的发展及特点
飞机的壁板通常是用蒙皮和纵向、横向加强零件靠铆接、胶接或点焊装配而成 ,如图 1 (a)所示。这种装配式壁板的刚度、强度、密封性都较差 ,后来逐渐改用整体壁板代替装配壁板 ,如图 1 (b)所示 ,即壁板的蒙皮、加强凸台、下陷、筋条等结构要素之间没有任何机械连接。大型整体带筋壁板主要用于飞机机翼和机身 ,以及地板和油箱等重要部位 ,与传统的铆接组合式壁板结构相比 ,大型整体带筋壁板结构件具有如下优点[122] :
(1)由于减少所含零件及螺栓、铆钉等紧固件的数量 ,从而降低机体部件的重量 ,具有明显的

 

美国通过整体机身结构计划 ( Integral Air2 frame Structures , IAS) ,以一段 B747机身壁板为对象 ,对机身整体带筋壁板和铆接壁板进行了对比 ,如图 2所示。结果发现采用整体带筋壁板后 ,零件数量从 129个减少到 7个 ,成本降低 25 %,裂纹扩展寿命提高 3倍 ,残余强度提高 3 %[3]。

 

正是由于大型焊接整体壁板具有上述优点 ,因此 ,在现代先进民用飞机上获得了广泛的应用。图 4所示为 A380机身下壁板全部采用了 6013和 6056铝合金的焊接整体壁板 ,极大地降低了零件制造成本 ,并提高了整体结构效率。 减重效果 ,可以减重 10 %～30 %。
(2)
可以大大减少装配劳动量 ,将装配工序的周期和工作量缩减了 80 %～90 %。

(3)
大大减少所用材料 —
—板材、型材的种类以及型材成形的工作量。

(4)
既提高部件强度和刚度 ,也提高气动表面与外形的装配质量。

(5)提高燃油舱段
—
油箱的密封可靠性 ,增加载油量。

对于民用飞机来说 ,为了提高市场竞争力 ,在满足零件性能符合设计要求的前提下 ,低成本是另一个要追求的重要目标。常规的整体带筋壁板板坯制造方法是采用厚板机加整体筋条壁板板坯 ,如图 3 (a)所示。这种方法最大的缺点就在于材料利用率低 ,零件制造成本高。
近年来 ,随着焊接技术 (如激光焊接、搅拌摩擦焊)的发展 ,出现了筋条与蒙皮焊接而成的整体壁板结构 ,如图 3(b) ,这种焊接整体壁板与厚板机加整体壁板相比还具有如下特殊的优点 :①材料利用率大大提高 ,零件制造成本大幅降低 ; ②桁条与蒙皮可以采用不同的合金材料 ,为整体壁板结构设计优化提供了更大的空间 ,从而进一步提高零件结构效率。

 

图 4　A380焊接机身整体壁板分布情况 Fig14　Applications of integral fuselage structures in A380
2　国外研究和应用情况
虽然大型整体壁板具有上述很多优点 ,但是与铆接壁板相比 ,由于筋条参与变形 ,其成形难度将成倍增加。目前 ,整体壁板的成形方法有喷丸成形、蠕变时效成形和压弯成形 ,由于民用飞机对长寿命的需求 ,压弯成形一般不作为主要的成形手段 ,仅用于局部加强区域的辅助成形 ,因此 ,喷丸成形技术和蠕变时效成形技术是当前先进民用飞机整体壁板的主要成形技术。
21 1　喷丸成形技术
喷丸成形技术是利用高速弹丸流撞击金属板材的表面 ,使受撞击的表面及其下层金属材料产生塑性变形而延伸 (如图 5所示 ),从而逐步使板材发生向受喷面凸起的弯曲变形而达到所需外形的一种成形方法 [425]。

图 5　喷丸成形原理图 Fig1 5　Principle of shot peen forming
　　喷丸成形技术的优点主要有 :①工艺装备简单 ,不需要成形模具 ,因此零件制造成本低 ,对零件尺寸大小的适应性强 ;②由于喷丸成形后 ,沿零件厚度方向在上、下两个表面均形成残余压应力 ,因此在零件成形的同时 ,还可以改善零件的抗疲劳性能 ;③既可以成形单曲率零件也可以成形复杂双曲率零件。
自 20世纪 40年代初期 ,美国 Lockheed航空公司的工程师 Jim Boerger ,从喷丸强化 Almen试片产生变形这一特点受到启发 ,从而开创了这一对现代飞机制造产生重大影响的先进成形技术[6]。在成功应用于 Constellation (星座号 )飞机壁板零件的生产之中以后 ,喷丸成形技术已经被广泛应用于 EM120, A10, A6, EA6, S3A, P3, C5, C130, C141, F15, F5E, B1等军用飞机及 A3102A340 , 7072777 , REGIONAL J ET , DASH 7 ,DASH 8 ,L1011 ,MD11 ,MD80 ,MD90 ,MD95 , DC10 ,A TR72 ,Do1 228 ,Do1 328等民用飞机以及运载火箭 ARIAN E24, 5和 ATLAS II上的整体壁板零件制造中 [7]。
对于机翼整体带筋壁板 ,由于筋条也参与变形 ,变形抗力大 ,因此需要采用预应力喷丸成形技术以提高喷丸变形能力。图 6所示为加拿大 NMF公司采用预应力喷丸技术为以色列 Galaxy飞机制造的机翼整体带筋壁板 [8]。预应力喷丸成 形技术的应用避免了采用机械压弯的方法成形该类零件所带来的对疲劳寿命的不利影响。

 

 

 

前 , KSA公司采用自动化喷丸成形技术实现了对 A380激光焊接机身整体壁板的喷丸成形和校形 ,如图 7所示 ,整个过程完全自动化完成 ,不需任何人工校形就可使壁板的外形精度满足设计要求 [9]。

图 7　A380机身整体壁板的自动喷丸成形 Fig17　Automated shot peening of fuselage panel of A380
另外 ,法国的 SONA TS公司开发了超声喷丸技术和设备 ,与传统喷丸技术相比 ,由于可以产生更大和更深的残余压应力层 ,且操作方便 ,没有污染 ,特别适合于对蒙皮较厚的焊接机身整体壁板的喷丸校形 ,如图 8所示为空客公司采用超声喷丸对焊接机身壁板进行喷丸校形的情况 [ 10 ]。
　
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