A380飞机结构的先进材料和工艺

A380飞机结构的先进材料和工艺
中国航空工业发展研究中心航空技术所任晓华
A380的寿命要达到40-50年，因此必须选用先进且新型材料和工艺技术，为未来飞机搭建技术平台。

这些技术不仅经过了大量全尺寸试验验证而且经过了航空公司维修专家的评审（符合检查和维修标准）。

A380结构设计准则（见图1）。

重复的拉伸载荷加上载荷的变化将会在金属结构内产生微小的疲劳裂纹。

裂纹增长速度以及残余强度（当裂纹产生时）将指导选择何种材料。

为了防止结构由外物损伤，需要考虑材料的损伤容限性能。

压力载荷需要考虑采用屈服强度和刚度好的材料，以增加稳定性。

抗腐蚀能力是选择材料和工艺的另一个重要准则，尤其是在机身下部。

选择材料和工艺目标的一部分是使结构轻量化。

因此，复合材料是很好的选择，但必须了解设计准则和维修需要。

材料的选择不仅仅是考虑设计准则，同时还要考虑生产成本和采购问题。

1新型且先进的金属材料
从A380选材的分布来看（见图2），铝合金占的比重最大，达机体结构重量的61%，因此要实现性能改进，必须开发创新的铝合金材料和工艺技术，具体是提高强度和损伤容限，加强稳定性并提高抗腐蚀能力。

尤其是在A380机翼部位（机翼的80%以上是铝合金材料）要提高性能。

A380-800飞机在铝合金结构上取得的主要成就包括：
·在机身壁板上引用了很宽的钣金材料，减少了连接件从而减轻了重量；
·在主地板横梁上采用了先进的铝锂合金挤压件，在这一部位的应用可与碳纤维增强塑料相媲美；
·在机翼大梁和翼肋上选择了新型7085合金，这种合金在很薄的板材和很大锻件上性能优于通常的高强度合金；钛合金由于具有高强度、低密度，高损伤容限和抗腐蚀能力使其代替钢而广泛应用，但是它的高价格使其应用受到限制。

在A380的结构中，钛合金用量较空中客车其它机型有所增加，达到10%。

仅仅挂架和起落架的钛合金用量就增加了2%。

·A380挂架的主要结构是空中客车公司第一次采用全钛设计。

在A380飞机上采用最广泛的钛合金是
Ti-6Al-4V，在B退火状态下最大的断裂韧性和最小的裂纹增长速度。

·在A380上第一次采用了新型钛合金VST55531，这种新的钛合金是空中客车公司与俄罗斯制造商共同开发的，能够为设计者提供良好的断裂韧性和高强度综合性能。

这种合金目前用于A380飞机的机翼和挂架之间的连接件，进一步的应用还在研究当中。

2 .A380复合材料的应用
A380复合材料的主要应用见下图3。

A380是空中客车第一次大范围在大型民用运输机上应用复合材料的飞机。

在空中客车公司，A310是第一次在襟翼盒上应用复合材料的飞机；A320是投产的第一架全复合材料尾翼飞机；A340飞机的机翼的13%重量是复合材料；而A340/500-600则采用了碳纤维增强塑料龙骨梁。

而A380飞机是空中客车第一次将碳纤维增强塑料（CFRP）应用于中央翼盒的飞机，这种结构与铝合金相比减重1.5吨。

A380上的中央翼盒重8.8吨，其中5.3吨是复合材料。

面临的主要问题是翼根的连接和零件的厚度，复合材料零件的厚度能够达到45mm。

但是有生产A340/500-600则采用了碳纤维增强塑料龙骨梁（16m长，23mm厚，每根梁承载450吨）的经验。

另外在A340-600飞机上还有襟翼翼盒、方向舵以及水平安定面和升降舵的整体复合材料设计经验。

A380飞机的CFRP水平尾翼与A310飞机的悬壁式机翼相近，而在中央翼盒上采用了合理的自动铺带技术。

此外，上地板梁和后压力隔框也采用了CFRP材料。

这些零件的第一个采用了挤压成形工艺，第二个试用了树脂模浸渍工艺和自动纤维铺放技术，最后由于形状的原因，最后选择了树脂模浸渍工艺。

在后机身非承压部位由于是双曲度壁板，所以采用了自动化纤维铺放技术生产蒙皮壁板，高载荷承力框则采用高强铝合金加工，而承载较小的框则采用RTM制造工艺。

A380机翼固定前缘为热塑性复合材料，能够减重并节约成本。

这项技术已经在A340-600飞机上验证，改善了损伤容限和可检测性，进一步的应用还在研究中，例如应用于机身的次承力支架系统。

机翼后缘移动面采用了CFRP，并在难以用一般技术获得的成形零件上采用了RTM技术，如移动面的铰链和翼肋零件。

内侧襟翼与增升装置容易受到外来物的损伤，但考虑到减重问题，金属结构设计在这方面并不优于复合材料设计。

因此，在A380飞机的襟翼跟踪梁的设计中采用了金属与复合材料的混合结构，在横向壁板和次承力翼肋处用CFRP代替了铝合金。

另外，空中客车公司还首次将CFRP翼肋用于翼盒中代替铝合金。

最终在襟翼的中外翼部分、襟翼的整流罩以及扰流板和副翼上也采用了CFRP材料。

在夹层结构方面，主要的创新是采用轻型蜂窝代替了原来使用的芳纶纸蜂窝。

在A380上的典型应用包括腹部整流罩（超过300平方米）及地面这类大尺寸结构件。

用整体设计概念代替夹层结构的发展趋势，有可能在A380的机身和机翼起落架舱门上得到应用。

但是复合材料技术的应用必须在合理的成本下提供高的性能。

因此，在A380飞机上采用了自动丝束铺放、自动铺带、树脂膜浸渍以及树脂转移成型这些低成本生产技术，不仅能够生产大型复合材料零件，而且降低了装配成本。

3 .GLARE 技术（见图4）
GLARE蒙皮用于A380飞机的上机身蒙皮。

采用GLARE工艺技术可以实现局部增强，并且厚度变化可以通过一次固化实现。

这种制造方法相对于铝合金壁板来说可以增加机身宽度，从而减少了纵向壁板连接点。

在机身上应用GLARE材料主要是由于其断裂机械性能好，能够显著提高抗裂纹增长能力。

另一方面，玻璃纤维与铝合金相比弹性模量低，同样厚度下与普通铝合金Al2024相比刚性小15%。

这是为什么在稳定性和抗弯能力要求高的结构零件中不选用GLARE材料的原因。

GLARE材料相比铝合金的另一个优点是抗腐蚀及防火能力强，为此空中客车公司开展了许多局部及全尺寸样件的试验，以验证这种新材料的性能。

自从1999年10月以为，德国空军就在A310多用途飞机的机身上采用了GLARE材料，该设计通过了验证并且发布了相关的结构修理手册。

在A380-800飞机蒙皮上应用了大约500平米的GLARE材料。

GLARE材料的进一步应用还在研究中，有望替代尾翼前缘，从而改善鸟撞性能。

4 .激光焊（见图5）
激光焊是空中客车公司在A318飞机上开发的用于机身下壁板制造工艺。

该工艺在A380飞机上代替铆接首先应用于下机身壁板的桁条，从而使结构概念从组装结构过渡到整体结构，减少了裂纹增长。

激光焊技术的发展还促进了可焊合金Al6056和Al6013的发展。

用激光焊接的壁板已经过了压力试验并进行了单双曲度壁板的验证。

结果证明该工艺不仅节约成本，而且提高抗腐蚀能力并可减重。

激光焊在A380上的进一步应用可能是蒙皮与卡箍的连接部位以及起落架舱处的压力隔框。

5 .结论
A380飞机的大部件结构零件采用了新一代CFRP复合材料和先进的金属材料，除了减重效果外，还能提供更具优势的使用可靠性，且维护和维修更简便。

主要创新包括：
·上机翼蒙皮采用了GLARE材料；
·在下机身蒙皮应用了6000系列铝合金和激光焊接技术；
·中央翼盒为碳纤维增强塑料；
·开发了一种先进的铝合金用于翼盒；
·采用了铝锂合金；
·采用了一种新型钛合金并且提高了钛相当于钢的比例。

复合材料的抉择
如果你绞尽脑汁想减轻你所设计的物体的重量，而又不以牺牲强度为代价，你可以从创造世界上最大的商务飞机——空中客车A380的工程师们身上或多或少得到一些启发。

A380长约73米，高约24.1 米，机身直径约7.14米，它给世界大型喷气式客机赋予了新的含义。

A380上下的两层加起来总共长能容纳800多位乘客，可是航班的实际结构是可乘坐550个乘客并且容纳很多行李。

2005年4月A380进行了首次测试飞行，并计划于2006年年底投入商务运营，第一架A380将驶往新加坡。

许多飞机从设计跨到生产阶段都遇到了重量方面的问题，A380也是一样。

这次，空中客车的工程师们通过使用更多的复合材料，使得飞机起落装置上承载的重量尽可能的轻，而这些复合材料比公司历史上任何一架飞机都要用得多。

空中客车公司声称整个飞机上轻型材料的使用使飞机的有效载荷增加了30吨。

令人高兴
的是复合材料技术的发展与进步意味着A380的设计者在选择材料时不再会捉襟见肘。

那么设计者是如何根据飞机每一部分的具体要求来选择最佳的材料与之匹配呢？简而言之，就是竞争！公司的高级复合材料运
用和资格认证专家Roland Thevenin说：“我们把最好的材料工艺技术放在一起，对比优劣，进行竞争筛选。

”
与复合材料之间的竞争筛选一样，残酷的竞争评估使金属与复合材料之间的争夺异常激烈。

一旦飞机投入商业运营，不但要考虑飞机的重量和关键的机械性能，而且还要综合考虑费用、可生产性和可维护性。

从A380的机身就可以看出这些材料竞争的结果，正如A380的设计分析主管Serge Rabois所描述的，A380机身结构是由各种不同材料的最优化组合所构成的。

复合材料的改进
上面提到的大多数混合物都是由增强型塑料复合材料构成的。

Thevenin说，在A380的主要结构中，22％是由各种不同的增强型塑料复合材料制成的，而且大部分是Hexcel公司和Cytec公司提供的碳纤维增强环氧树脂。

空中客车公司还在飞机的垂直尾翼上应用了少许增强型玻璃纤维环氧树脂，同时在飞机的鼻锥体上应用了增强型石英环氧树脂。

由于结构应用在很大程度上依赖于热固树脂合成材料，作为机翼的前沿的一部分，A380有一个J 型鼻锥，这是由增强型玻璃纤维PPS制成的。

Thevenin指出，之所以用热塑性塑料代替早期飞机上的铆钉铝结构，是因为它可以使J型鼻锥体的外壳与加强板牢固地焊接在一起。

对空中客车的工程师们来说，复合材料不再是真正的火箭科学。

从1985年制造的A310飞机开始，空中客车公司对在飞机的主要结构上采用复合材料已经有20多年的经验。

从那个时候开始，公司逐渐将一些采用复合材料的附加结构融入到每一架新飞机上。

Thevenin 说：“为减小风险，我们一直在一步一步的努力当中。

”
A380代表了一个很大的进步，除此之外，它还体现了另外一个进步——它包含了许多复合结构，这些结构在已往的飞机上已经得到验证，这其中一些飞机现在已经成功飞行了1,200万到3,500万小时。

这些结构包括尾翼、襟翼及巨大的后压力隔板。

Thevenin指出：“这些已经被验证的设计当中，我们面临的风险仅仅只是飞机的尺寸。

”
例如，已被证明的超大型尺寸复合材料设计会产生一个后果，那就是空中客车的工程师们不得不压缩设计负载裕度。

然而，对于过去那些尺寸较少且较低负载的复合结构，工程师们比较奢侈地设计了较大的负载裕度。

A380的部件尺寸让这种奢侈无影无踪。

Thevenin说道：“我们现在没有任何不必要的负载裕度。

”
A380创造了一些新的纪录，包括一些全新复合材料的应用，例如横梁、上部机架、机翼翼肋、襟翼导轨都采用了新的复合材料。

该客机上还有许多令人惊讶的CFRP结构，尾翼和最大直径超过6米的后机身就是由CFRP制造的。

因此，体积为2.4×7×7.8立方米，重为22吨的中心翼盒担当着飞机结构中心的角色。

机翼翼盒主要是由碳纤维复合材料再加上一些铝制翼肋制成，在那些超过100个座位的商务飞机中，它是第一次被使用在A380上。

在所有这些复合材料的应用中，复合材料的性能特征不会让任何一位工程师感到惊讶。

Thevenin说：“当我们谈到‘性能'这个词时，主要是指重量和强度。

”他估计对于一个给定的强度，复合材料结构的重量要比相同的金属结构轻15%到25%，仅中心翼盒就要比相同的铝制机翼翼盒轻3吨。

对于A380高负载部分使用的复合材料，这些冲击敏感材料易被地面设备损坏，因此在设计时应避免在可能被破坏的部位应用它们。

Thevenin说：“复合材料带来了机遇，但是它本身也有局限。

”
GLARE前景
GLARE是一种由铝和玻璃纤维层压形成的另一种完全不同的复合材料，A380中另外3％的材料就是由它构
成的。

这种叫做GLARE的金属纤维层压板由铝交互层和玻璃环氧树脂浸料组成。

空中客车在A380上大约使用了5000平方英尺这种材料，主要用于机身上部外壳和尾翼的主边缘。

GLARE的重量和一种标准铝片（2024 T3）相比，减轻了15％到30％，具体减轻量由GLARE层的类型和厚度决定。

例如，空中客车用到两种GLARE：标准版本和高静力强度版本，且每种版本的GLARE还具备改变纤维方向的功能。

Rabois说道：“我们改变纤维方向已适应具体的载荷情况。

”因此，空中客车使用不同的纤维方向来适应环绕压力、轴载荷、双轴载荷和剪应力载荷。

“GLARE看上去同金属一样，却能像复合材料一样工作。

”Rabois说，利用纤维方向可以使机械性能达到最优。

从特性上来说，GLARE还有其他优点。

据Rabois介绍，纤维层具有防止裂缝的扩张和抗腐蚀性。

另外纤维层增强了抗高温性能，此时纤维起着保温层的作用。

最后Rabois指出通过开辟第二个载荷途径，能够提升纤维冲击性能。

此材料在设计灵活性方面也得到好评。

“使用铝焊接技术，铆钉孔的放置和大小会受到疲软性能的限制，”Rabois指出，“GLARE对焊缝的放置没有任何限制。

”另外，这种材料允许在材料接合层插入大的面板。

空中客车的设计中插入了两个小面板并将其永久地接合起来。

据Rabois所称，这种方法免去了大量的铆钉孔，也避免了与之相关的压力问题。

他说：“面板的大小只受限于高压和运输设备的大小。

”
所有这些设计优势都不能以可修复性为代价。

Rabois指出GLARE的修理几乎和铝一样，只是有一些较小的步骤不同——例如没有修整凹痕和使用碳化工具。

然而使用任何的材料，总是需要权衡利弊。

对GLARE而言，它在硬度上是有欠缺的。

这种材料与铝片相比，弯曲系数低5到6个百分点。

在个体结构中硬度影响还不大，但是它会把载荷转移到机身的其他部分。

Rabois 解释说：“当你降低了一个结构的承载系数，你实际上就给其他结构带来了负荷。

”他继续说道，在A380上，机身上部结构系数较低，会把所有载荷中的一部分转移到了机身下部。

接下来是成本问题。

Rabois承认GLARE与标准的铝相比，价格上“略为昂贵”。

但他也指出，从每千克重量所节约的成本来看，GLARE和高级铝合金的花费基本上是一样的。

它还涉及到一些维护的成本，例如可以省去检查裂缝的环节，所以到头来这还是一笔不错的买卖。

合适的复合材料
增强型塑料、金属层压板元件和金属合金之间的竞争看起来很好解决。

空中客车的工程师只需要使每种材料的机械和物理特性与机身不同部分所承受的载荷情况相匹配就可以了。

虽然考虑A380的尺寸和复杂性当然会比较困难，但是空中客车在材料选择过程这方面还是够简单明了的。

然而，不同材料间的竞争往往同结构紧密联系，且这些结构最初可以用不只一种材料建造。

Rabois指出：“我们知道没有任何一种完美的材料对所有的结构适用。

”拿机身举个例子，当考虑机械特性角度时，上部机壳和后机身可以由金属、GLARE或CFRP三种材料构成。

同样的，三种材料也需要稍后进行修理。

真正的决胜关键经常要归结到制造上。

例如，先进的焊接技术的使用，对在一些结构上选择未知的金属材料和设计是有利的。

空中客车只考虑在A380上使用复合结构，因为这样会使他们出于领先地位。

Thevenin 说道：“制造业推进了我们的设计，反之亦然。

”
他又补充道，特殊的复合材料会给人们提出一些特殊的挑战，因为他们的特性是由制造过程决定的。

他说：“对于复合材料而言，制造零件的同时也是在制造材料。

”
空中客车让分包商制造一些合成零件，而把真正有挑战性的工作留给自己。

位于法国南特市的复合材料中心的制造主管Christian Valade说：“我们集中精力制造最困难的零件。

”其中“困难的”这个词在复合材料领域中是指大的、厚的以及那些几何结构复杂的零件。

南特市的公司处理所有这些零件，包括A380巨
大的中心翼盒以及用于A340-600的巨大的（17米）、高载荷（500余吨）的龙骨横梁。

近日在参观中心的过程中，Valade指出一系列用于生产空中客车复合材料的专利制造技术。

其中之一是自动停机机器，它采用了可以提高产量的专利双头设计，以及一个制造无缝结合环形机舱声学壁板的专利系统，可以解决过去声音性能降低的问题。

公司还对“联合修理”系统的应用进行扩展，使其能在一个单独的热压循环空间内修理桁条和壁板。

Thevenin在报告中说，复合材料设计只会在未来的飞机中越来越多地使用，比如即将面世的A350（如图）。

他说：“我们能够更加广泛地应用复合材料。

”并强调南特市公司的工作量到2007年将增至现在的三倍。

但是不要异想未来所有的飞机会自动继续提高复合材料的使用量。

Rabois指出：“铝合金和钛也在不断的发展，变得更加耐用，成本更加合理。

另外，每一架新飞机的设计，都会带来新一轮的材料竞争。

”
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