淺談飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的選材

趙愛瑩

【摘 要】本文主要從飛機(jī)的選材原則、典型結(jié)構(gòu)、常見材料三個(gè)方面介紹了飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的選材，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī)機(jī)體；選材；結(jié)構(gòu)

0 引言

航空技術(shù)的進(jìn)步與航空材料的發(fā)展有著密切的關(guān)系。一方面航空技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)航空材料提出新的要求，從而推動(dòng)航空材料的發(fā)展；另一方面，航空材料的發(fā)展又為航空技術(shù)的進(jìn)步提供基礎(chǔ)與支持。

飛機(jī)材料的選擇，一方面應(yīng)滿足飛機(jī)的性能參數(shù)，另一方面取決于預(yù)算成本，同時(shí)還受各種實(shí)際設(shè)計(jì)狀態(tài)所限制。目前，飛機(jī)機(jī)體材料主要有鋁合金、不銹鋼、鈦合金、復(fù)合材料、鋁鋰合金等。本文對(duì)機(jī)體典型部件的受力特點(diǎn)、機(jī)體常用材料的特性進(jìn)行介紹，旨在對(duì)飛機(jī)機(jī)體選材做一個(gè)綜合性的介紹，對(duì)飛機(jī)機(jī)體選材有一定的指導(dǎo)意義。

1 飛機(jī)的選材原則

飛機(jī)材料首先是根據(jù)飛機(jī)獨(dú)特的性能要求及預(yù)算確定的。根據(jù)性能，飛機(jī)大致可以劃分為四類：輕型飛機(jī)、商務(wù)機(jī)、民用飛機(jī)、軍機(jī)。

1）輕型飛機(jī)：一般只求成本最低，對(duì)材料性能沒(méi)有特殊要求。典型材料一般為不銹鋼和鋁合金。

2）商務(wù)機(jī)：關(guān)鍵在于材料性能，材料成本不是主要關(guān)心因素，因而碳纖維復(fù)合材料常常被應(yīng)用于該類飛機(jī)。

3）民用飛機(jī)：這類飛機(jī)要求有最小的重量和最低的成本，因此，典型材料包括鋁合金和復(fù)合材料。

4）軍機(jī)：對(duì)飛行性能要求較高，故材料的性能很關(guān)鍵，預(yù)算也很高，這類飛機(jī)用復(fù)合材料等新型材料較多。

因?yàn)槊裼蔑w機(jī)最為常見，故本文主要針對(duì)民用飛機(jī)的選材展開討論。

通常，材料的選擇需要綜合考慮各種因素，經(jīng)過(guò)折中確定最后結(jié)果。從材料本身考慮，主要是機(jī)械性能、化學(xué)特性、溫度特性，從其他設(shè)計(jì)要求考慮還應(yīng)包括重量、剛度、強(qiáng)度、疲勞特性，抗腐蝕特性和成本等。

2 典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)受載特點(diǎn)

典型的機(jī)體結(jié)構(gòu)包括以下幾大部分：上下壁板、機(jī)身、梁、框、肋、起落架、控制面。機(jī)體結(jié)構(gòu)需能承受相應(yīng)的載荷，提供氣動(dòng)外形，同時(shí)還需保護(hù)乘客，安裝設(shè)備，并能提供有效載荷。上述部件的受力特點(diǎn)，工作環(huán)境不同，因此對(duì)材料的要求也就不同。

1）機(jī)翼

機(jī)翼是飛機(jī)的主要升力面，承受最復(fù)雜和最高水平的應(yīng)力。根據(jù)機(jī)翼受載特點(diǎn)，上下壁板承受的載荷大不相同。在飛行過(guò)程中，機(jī)翼向上彎曲，因此上壁板被壓縮，下壁板被拉伸。為了承受相關(guān)載荷，同時(shí)為了減重，上下壁板需要選用高的比剛度和比屈服強(qiáng)度的材料，同時(shí)該材料還應(yīng)有良好的抗應(yīng)力腐蝕的性能。下壁板由于承受拉力，所用材料還需要有好的疲勞性能和較低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

2）機(jī)身

機(jī)身承受有效載荷，拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷以及座艙壓力等主要載荷。所有這些載荷都是在拉伸狀態(tài)下施加在機(jī)身上。因此，為了降低結(jié)構(gòu)重量，需要選用高的比剛度，比強(qiáng)度的材料。同時(shí)，所選材料還需有好的抗腐蝕能力。由于機(jī)身承受拉力，機(jī)身材料需有較高的疲勞強(qiáng)度和較低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

3）梁、框和肋

這些部件均位于蒙皮下面，用于分配載荷，維持氣動(dòng)外形，同時(shí)增加結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度。因?yàn)檫@些部件均承受彎曲，因此對(duì)材料性能的要求同上下壁板。

4）起落架

起落架承受較高的靜態(tài)載荷和循環(huán)載荷。因此，選用材料需有較高的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)需要有可接受的抗應(yīng)力腐蝕、抗疲勞性能和抗斷裂能力。對(duì)于現(xiàn)代飛機(jī)，由于載荷日益增大而存放起落架的空間日益減小，因此對(duì)起落架的體積有一定要求。

5）控制面

主要有方向舵、升降舵、擾流板、副翼、襟翼。通常，該類部件受載不大，為滿足氣動(dòng)需求，按剛度設(shè)計(jì)。該受力特點(diǎn)也就決定了該類部件可大量采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)。

3 常用機(jī)體材料的特點(diǎn)

近20年來(lái)，現(xiàn)代航空材料取得了重大發(fā)展，表1給出飛機(jī)用結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展趨勢(shì)[1]。從圖中可以看出，現(xiàn)役飛機(jī)仍以鋁合金為主但用量逐漸減少，鋼用量趨于減少，鈦合金用量顯著增加，樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用突飛猛進(jìn)，已用在了非暴露的主要受力件上。

本文將以現(xiàn)代飛機(jī)中最重要的鋁合金、鈦合金、不銹鋼和復(fù)合材料等四大類結(jié)構(gòu)材料為例，淺談這些材料的特性及其在飛機(jī)機(jī)體上的應(yīng)用。

1）鋁合金

鋁合金的密度低，雖然它的拉伸性能沒(méi)有鋼好，但比強(qiáng)度、比剛度高，所以減重效果明顯。同時(shí)，它還有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性，以及優(yōu)良的抗氧化、抗腐蝕性能。到目前為止，鋁合金依然是民用飛機(jī)的主要機(jī)體材料。

飛機(jī)上一般常用鋁合金主要有以下三種。

（1）2xxx 系列鋁合金

2xxx系列鋁合金里面加入了1.9～6.8%的銅元素，另外，一般還含有錳、鎂、和鋅。這類合金有較低的裂紋擴(kuò)展速度和較好的耐疲勞性能。常見該系列鋁合金為2024、2224和2324。該類合金一般用99.34%的鋁做成包鋁合金，這樣就能提高抗腐蝕性。

（2）7xxx

Al-Zn-Mg體系的鋁合金時(shí)效硬化性能較好，加入銅是為了改善斷裂韌性，當(dāng)然這是有代價(jià)的——降低了可焊接性。斷裂韌性是7xxx系列鋁合金的最大局限，隨著Zn/Mg比值的增加而降低。。其常見的合金為7075、7079、7150和7178。所有這些合金均為T7狀態(tài)，因?yàn)樵摖顟B(tài)下的合金有較好的抗剝離腐蝕裂紋和抗應(yīng)力腐蝕裂紋的能力。

主要民用飛機(jī)上常用鋁合金應(yīng)用情況見表2[2]。

（3）Al-LI

鋁鋰合金具有密度低、彈性模量高、比強(qiáng)度和比剛度高、疲勞性能好、耐腐蝕性及焊接性能好、耐高溫和超低溫等一系列優(yōu)點(diǎn)。用其代替高強(qiáng)度鋁合金可減重10%～20%，而剛度卻可以提高15%～20%。因此，作為一種輕量化結(jié)構(gòu)材料，很受飛機(jī)設(shè)計(jì)者的青睞。但是，由于其成本比普通鋁合金高、室溫塑性差、屈強(qiáng)比高、各向異性明顯、冷加工容易開裂等缺點(diǎn)，限制了其在飛機(jī)上的的應(yīng)用，一般只應(yīng)用于次承力結(jié)構(gòu)件。但隨著鋁鋰合金的研制，其性能逐步得到完善與提高，在飛機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，越來(lái)越成熟。鋁鋰合金被認(rèn)為是21 世紀(jì)航空航天工業(yè)最具競(jìng)爭(zhēng)力的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料之一。

2）鈦合金

鈦合金強(qiáng)度和疲勞性能好于鋁和鋼，耐腐蝕性好?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，故能減小體積，就可以用于空間要求嚴(yán)格的地方，比如起落架、懸掛點(diǎn)。鈦合金還能用于溫度對(duì)于鋁合金過(guò)高的區(qū)域，比如用作防火隔板，將發(fā)動(dòng)機(jī)與其他結(jié)構(gòu)隔開。鈦合金的最大局限在于密度比鋁高，成本較高。

飛機(jī)上常用的鈦合金為Ti-6Al-4V和Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si[3]。

3）合金鋼

跟鈦合金相似，合金鋼也擁有比鋁合金更高的強(qiáng)度和剛度，因此可以用于體積要求嚴(yán)格的地方，例如起落架、懸掛點(diǎn)、齒輪和軸承。用于所需的拉伸強(qiáng)度超出鈦合金拉伸強(qiáng)度范圍的地方。高密度是合金鋼的局限。通常最常見的合金鋼為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼和高強(qiáng)度低合金不銹鋼。

4）復(fù)合材料

復(fù)合材料由兩種或多種材料組成。各組分材料基本上仍保持其原來(lái)的物理和化學(xué)性能，彼此之間有明顯的界限。復(fù)合材料可以設(shè)計(jì)成特定的剛度、強(qiáng)度和密度。通常來(lái)講，復(fù)合材料由基體材料和增強(qiáng)材料組成?；w和纖維材料可以是金屬、陶瓷或者聚合物。目前，用于飛機(jī)機(jī)體的復(fù)合材料主要為聚合物基碳纖維復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與常用復(fù)合材料最明顯的區(qū)別在于其“材料可設(shè)計(jì)性”，同時(shí)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）較高的比強(qiáng)度和比剛度；

（2）鹽霧環(huán)境下耐腐蝕性較好；

（3）優(yōu)良的疲勞性能；

（4）尺寸穩(wěn)定；

（5）可以減少零件數(shù)量（相對(duì)于金屬材料零件來(lái)講）。

但是，復(fù)材對(duì)沖擊損傷、吸濕性、閃電損傷比較敏感，研制維護(hù)成本相對(duì)較高，制造的分散性較大。

復(fù)合材料在飛機(jī)機(jī)體上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由尺寸小、受力小的部件發(fā)展到在主要承力結(jié)構(gòu)。當(dāng)前的一些較先進(jìn)的軍用和民用飛機(jī)都大量采用了復(fù)合材料（如A380、B787等），大大提高了飛機(jī)的性能。復(fù)合材料在飛機(jī)上的使用量也成為飛機(jī)先進(jìn)性的重要特征之一。圖1為A380飛機(jī)復(fù)合材料的應(yīng)用情況[1]。

圖1 A380飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用情況

4 結(jié)語(yǔ)

縱觀飛機(jī)結(jié)構(gòu)及材料的發(fā)展史，到目前為止，鋁合金依然是主體材料。合金鋼雖然用量較少，仍有著不可替代的位置。隨著材料技術(shù)、加工工藝的發(fā)展，鈦合金及復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，用量也越來(lái)越大。

選材與飛機(jī)性能息息相關(guān)。作為飛機(jī)設(shè)計(jì)工程師，應(yīng)密切關(guān)注新型材料的研發(fā)、工藝、應(yīng)用等相關(guān)動(dòng)態(tài)。只有這樣，才能是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步。

【參考文獻(xiàn)】

[1]崔德剛.淺談民用大飛機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展[J].航空學(xué)報(bào)，2008（3）：575.

[2]騫西昌.鋁合金在運(yùn)輸機(jī)上的應(yīng)用與發(fā)展[J].輕合金加工技術(shù)，2005（10）：7.

[3]牛春勻.實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2008：131.

[責(zé)任編輯：湯靜]