圖 3 波音 787復合材料整體機身段 Fig1 3 Integrated composite fuselage section of Boeing 787
(2) A380率先在中央翼盒上大量采用復合
材料[2 ,4 ,728]
由于中央翼盒是關鍵的主承力件 ,因此以往均為全金屬結構。 A380中央翼盒率先采用復合材料與金屬材料的混合結構 (以復合材料為主 ),為在飛機上擴大復合材料應用跨出了重要的一步。該翼盒質量為 8 800 kg ,其中復合材料 5 300 kg ,取得了減重 1 500 kg的良好效果 ,見圖 4。
(4) A380和波音 787分別選用層間混雜復
合材料 GL ARE和 TiGr[2 ,728 ,13 ]纖維金屬層板的示意圖見圖 7。由于第 1代層間混雜復合材料 ARALL (芳
綸纖維鋁合金層板 )存在芳綸纖維容易在疲勞過程發生斷裂和成本較高的缺點 ,因而影響了它的擴大應用。與 ARALL相比 ,第 2代層間混雜復合材料 GL ARE(玻璃纖維鋁合金層板 )雖然密度較高和模量較低 ,但其成本顯著降低 ,而且顯著提高了疲勞性能、拉伸強度、壓縮性能、沖擊性能和
(3)液態復合成形 (L CM)已作為成熟的工程技術應用于新一代大型飛機 [4 ,7212 ]
由于 L CM技術具有成本低、周期短、質量高、工作環境好和有利于結構整體化等優點 ,使原來在減重方面就占優勢的樹脂基復合材料如虎添翼 ,顯著增強了與金屬材料的競爭力。
樹脂轉移模塑
( R TM)和樹脂薄膜浸滲 ( RFI)是 L CM中兩種主要的制備技術。
阻尼性能 ,因此 GL A RE一問世 ,就引起了世界各大飛機制造公司的關注。 A380的機身壁板、垂直尾翼前緣和水平穩定面都選用了 GLARE ,其用量占 A380總結構重量的 3%。
由于第 3代層間混雜復合材料 CARE(碳纖維鋁合金層板 )很難徹底解決碳纖維與鋁合金之間的電化學腐蝕問題 ,因而迄今無商品化產品。據報道 ,波音公司將選用第 4代層間混雜復合材料 Ti Gr (石墨纖維鈦合金層板 )制造波音 787的機翼和機身的一些蒙皮。 Ti Gr還可用來作為蜂窩夾層的面板。
(5) A380是首次采用全鈦掛架的飛機[728]
A380率先采用全鈦掛架 ,A350也采用全鈦掛架 ,并均選用 β退火的 Ti26Al24VELI ,以提高斷裂韌性和減慢疲勞裂紋擴展速率而有利于損傷容限設計。這一全鈦掛架是空客公司作為超前的新技術之一高調推出的。
(6)新型高強高韌鈦合金 Ti25Al25V25Mo2 3Cr21Zr首次在 A380平臺上閃亮登場 [728]
這是空客公司與俄羅斯合作在 В Т22 ( Ti2 5Al25V25Mo21Cr21Fe)基礎上研發的一種新合金 (屬近 β型),已選用于 A380機翼與掛架的連接裝置 ,它那令人驚異的強度與韌性之間的優良組合受到了設計師和鈦合金工作者的青睞。
(7)鈦合金精鑄技術正逐步進入大型飛機領
域[ 2 ,14217 ]
近 20年來 ,由于在鈦合金精鑄工藝上采用了計算機模擬、熱等靜壓和 β熱處理等先進技術 ,顯著改善了鈦鑄件 (包括大型整體結構件 )的組織性能并消除了各種鑄造缺陷 ,因而在 F/ A222 ,V222等軍用飛機上的應用迅猛崛起。然而在客機和軍用運輸機上的應用卻起步較晚。
1999年 ,波音 777的發動機后安裝框架鈦合金精鑄件在零件靜力試驗成功后已實際應用。雖然鈦合金精鑄技術早些時候已在 F/ A222 ,V222等軍用飛機上迅猛發展 ,但這是首次在安全可靠性要求更高的民機上獲得成功應用 ,故這一開端具有重要意義。
近期 ,A380
國 Doncasters公司采用離心熔模精鑄技術制成 ,
最近 , Howmet公司、波音公司與美國空軍研究實驗室聯合進行薄壁鈦鑄件的開發 ,選擇 C217軍用運輸機發動機掛架為對象 ,各用一個整體鑄件取代由 17個 Ti26Al24V鈑金件組成的鼻帽和由多個零件、不少緊固件組成的防火封嚴件。目前已達到厚度 11 27 mm的要求 ,并引入新生產的 C217飛機。 60個鼻帽鑄件在全壽命期可節約 320萬美元 ,防火封嚴件改用薄壁鑄件后可降低成本 70 %以上。
圖 8顯示了一種大型軍用運輸機用的鈦合金精鑄件 ,它取代了原 22個加工件 ,節省了大部分成本。
圖 8 一大型軍用運輸機用的鈦合金鑄件
Fig1 8 Ti2alloy single piece casting for use in a large mili2 tary transport aircraft
(8)第 3代鋁鋰合金在 A350 ,A380上的大量應用是空客新一代飛機的一大特色 [2 ,729]
由于每添加 1%鋰就可降低 3%的密度和提高 6%的彈性模量 ,因此 A380已正式選用鋁鋰合金制造地板梁 ,正打算用做機身蒙皮和下翼面的桁條。 A350已選用鋁鋰合金制造機身蒙皮和地板結構等 ,其原設計的用量高達總結構重量的 23 %。鋁鋰合金經大起大落后東山再起的主要原因是在不斷優化成分的基礎上推出了 2094 , 2195 ,2097 ,2197等第 3代合金。這些合金的共 同特點是降低了鋰含量和優化了銅等合金元素的含量 ,從而控制了 Al3Li相的析出 ,解決了第 2代合金出現的各向異性顯著、抗應力腐蝕能力差等問題。第 3代鋁鋰合金取代 2124 ,2024鋁合金制成的零部件在 F216戰斗機上的成功驗證也是東山再起的重要原因。
(9)新型高強鋁合金 7085的問世為特大鍛件在 A380上的應用開辟了道路 [728]
的安全性、經濟性、舒適性的環保性
與戰斗機等較小型的飛機相比 ,大型飛機對選材的要求具有 4個“更高”的特點 ,即更高安全性 ,更高經濟性 ,更高舒適性和更高環保性。波音公司之所以把波音 787的復合材料用量增加至 50 %左右 ,就是認為這在更高層次上符合了“四性”的要求。
其具體理由是 :復合材料經 30多年的研究和
Zn Mg Cu Zr Fe Si Al
710～810112～118113～2100108～0115 ≤0108 ≤0106量余
7085鋁合金的主要性能見表 4。
表 4 7085鋁合金的主要性能 Table 4 Main properties of aluminum alloy 7085
取樣KIC
品種 δ/ mm方向 σb/ MPa σ012/ MPa δ5/ % /(MPa ·
m)
鍛件 > 50～150 L 503 462 9 301 5 (L2T)
7085鋁合金制成的 A380飛機后翼梁是迄今為止最大的一個飛機模鍛件 ,長 61 4 m,寬 11 9 m,質量約 3 900 kg。
(10) A380和 A350采用激光焊接技術 (LBW)制成 6000系鋁合金和鋁鋰合金整體結構件[628]
A350采用激光焊接技術制造鋁鋰合金機身結構件 ,而 A380則采用激光焊接技術制造 6000系鋁合金下機身壁板結構件 ,以取代以往的鉚接結構件 ,從而由過去的“裝配式結構”概念改變為
中國航空網 www.k6050.com
航空翻譯 www.aviation.cn
本文鏈接地址：航空學報08大飛機專刊(113)
