A380飛機結構的先進材料和工藝

壓力載荷需要考慮採用屈服強度和剛度好的材料，以增加穩定性。抗腐蝕能力是選擇材料和工藝的另一個重要準則，尤其是在機身下部。選擇材料和工藝目標的一部分是使結構輕量化。因此，複合材料是很好的選擇，但必須了解設計準則和維修需要。材料的選擇不僅僅是考慮設計準則，同時還要考慮生產成本和採購問題。 1新型且先進的金屬材料 從A380選材的分布來看（見圖2），鋁合金占的比重最大，達機體結構重量的61%，因此要實現性能改進，必須開發創新的鋁合金材料和工藝技術，具體是提高強度和損傷容限，加強穩定性並提高抗腐蝕能力。尤其是在A380機翼部位（機翼的80%以上是鋁合金材料）要提高性能。

A380-800飛機在鋁合金結構上取得的主要成就包括： ·在機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； ·在主地板橫樑上採用了先進的鋁鋰合金擠壓件，在這一部位的應用可與碳纖維增強塑料相媲美； ·在機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於通常的高強度合金；鈦合金由於具有高強度、低密度，高損傷容限和抗腐蝕能力使其代替鋼而廣泛應用，但是它的高價格使其應用受到限制。在A380的結構中，鈦合金用量較空中客車其它機型有所增加，達到10%。僅僅掛架和起落架的鈦合金用量就增加了2%。 ·A380掛架的主要結構是空中客車公司第一次採用全鈦設計。在A380飛機上採用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V，在B退火狀態下最大的斷裂韌性和最小的裂紋增長速度。 ·在A380上第一次採用了新型鈦合金VST55531，這種新的鈦合金是空中客車公司與俄羅斯製造商共同開發的，能夠為設計者提供良好的斷裂韌性和高強度綜合性能。這種合金目前用於A380飛機的機翼和掛架之間的連接件，進一步的應用還在研究當中。 2 .A380複合材料的應用 A380複合材料的主要應用見下圖3。

A380是空中客車第一次大範圍在大型民用運輸機上應用複合材料的飛機。在空中客車公司，A310是第一次在襟翼盒上應用複合材料的飛機；A320是投產的第一架全複合材料尾翼飛機；A340飛機的機翼的13%重量是複合材料；而A340/500-600則採用了碳纖維增強塑料龍骨梁。而A380飛機是空中客車第一次將碳纖維增強塑料（CFRP）應用於中央翼盒的飛機，這種結構與鋁合金相比減重1.5噸。A380上的中央翼盒重8.8噸，其中5.3噸是複合材料。面臨的主要問題是翼根的連接和零件的厚度，複合材料零件的厚度能夠達到45mm。但是有生產A340/500-600則採用了碳纖維增強塑料龍骨梁（16m長，23mm厚，每根梁承載450噸）的經驗。另外在A340-600飛機上還有襟翼翼盒、方向舵以及水平安定面和升降舵的整體複合材料設計經驗。 A380飛機的CFRP水平尾翼與A310飛機的懸壁式機翼相近，而在中央翼盒上採用了合理的自動鋪帶技術。此外，上地板梁和後壓力隔框也採用了CFRP材料。這些零件的第一個採用了擠壓成形工藝，第二個試用了樹脂模浸漬工藝和自動纖維鋪放技術，最後由於形狀的原因，最後選擇了樹脂模浸漬工藝。在後機身非承壓部位由於是雙曲度壁板，所以採用了自動化纖維鋪放技術生產蒙皮壁板，高載荷承力框則採用高強鋁合金加工，而承載較小的框則採用RTM製造工藝。A380機翼固定前緣為熱塑性複合材料，能夠減重並節約成本。這項技術已經在A340-600飛機上驗證，改善了損傷容限和可檢測性，進一步的應用還在研究中，例如應用於機身的次承力支架系統。 機翼後緣移動面採用了CFRP，並在難以用一般技術獲得的成形零件上採用了RTM技術，如移動面的鉸鏈和翼肋零件。內側襟翼與增升裝置容易受到外來物的損傷，但考慮到減重問題，金屬結構設計在這方面並不優於複合材料設計。因此，在A380飛機的襟翼跟蹤梁的設計中採用了金屬與複合材料的混合結構，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翼肋用於翼盒中代替鋁合金。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採用了CFRP材料。 在夾層結構方面，主要的創新是採用輕型蜂窩代替了原來使用的芳綸紙蜂窩。在A380上的典型應用包括腹部整流罩（超過300平方米）及地面這類大尺寸結構件。用整體設計概念代替夾層結構的發展趨勢，有可能在A380的機身和機翼起落架艙門上得到應用。 但是複合材料技術的應用必須在合理的成本下提供高的性能。因此，在A380飛機上採用了自動絲束鋪放、自動鋪帶、樹脂膜浸漬以及樹脂轉移成型這些低成本生產技術，不僅能夠生產大型複合材料零件，而且降低了裝配成本。 3 .GLARE 技術（見圖4）

GLARE蒙皮用於A380飛機的上機身蒙皮。採用GLARE工藝技術可以實現局部增強，並且厚度變化可以通過一次固化實現。這種製造方法相對於鋁合金壁板來說可以增加機身寬度，從而減少了縱向壁板連接點。在機身上應用GLARE材料主要是由於其斷裂機械性能好，能夠顯著提高抗裂紋增長能力。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%。這是為什麼在穩定性和抗彎能力要求高的結構零件中不選用GLARE材料的原因。GLARE材料相比鋁合金的另一個優點是抗腐蝕及防火能力強，為此空中客車公司開展了許多局部及全尺寸樣件的試驗，以驗證這種新材料的性能。自從1999年10月以為，德國空軍就在A310多用途飛機的機身上採用了GLARE材料，該設計通過了驗證並且發布了相關的結構修理手冊。在A380-800飛機蒙皮上應用了大約500平米的GLARE材料。GLARE材料的進一步應用還在研究中，有望替代尾翼前緣，從而改善鳥撞性能。 4 .激光焊（見圖5）

激光焊是空中客車公司在A318飛機上開發的用於機身下壁板製造工藝。該工藝在A380飛機上代替鉚接首先應用於下機身壁板的桁條，從而使結構概念從組裝結構過渡到整體結構，減少了裂紋增長。激光焊技術的發展還促進了可焊合金Al6056和Al6013的發展。用激光焊接的壁板已經過了壓力試驗並進行了單雙曲度壁板的驗證。結果證明該工藝不僅節約成本，而且提高抗腐蝕能力並可減重。激光焊在A380上的進一步應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 .結論 A380飛機的大部件結構零件採用了新一代CFRP複合材料和先進的金屬材料，除了減重效果外，還能提供更具優勢的使用可靠性，且維護和維修更簡便。主要創新包括： ·上機翼蒙皮採用了GLARE材料； ·在下機身蒙皮應用了6000系列鋁合金和激光焊接技術； ·中央翼盒為碳纖維增強塑料； ·開發了一種先進的鋁合金用於翼盒； ·採用了鋁鋰合金； ·採用了一種新型鈦合金並且提高了鈦相當於鋼的比例。(end)