先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)在民機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用前景

鄧蓉

【摘 要】本文就國(guó)內(nèi)外機(jī)身結(jié)構(gòu)上新型鋁合金材料的應(yīng)用，金屬膠接連接結(jié)構(gòu)以及復(fù)合材料三種新技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析，為國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的研制提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】機(jī)身結(jié)構(gòu)；鋁鋰合金；金屬膠接；復(fù)合材料

20世紀(jì)以來，民用飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的研制水平取得了飛躍性的發(fā)展，隨著新技術(shù)、新材料和新工藝的應(yīng)用，民用飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、舒適性得到了極大的提升。對(duì)于民用飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)，國(guó)外研制的民機(jī)在新型鋁合金材料的應(yīng)用、金屬膠接連接以及復(fù)合材料在機(jī)身主承力結(jié)構(gòu)上大面積應(yīng)用方面取得巨大的進(jìn)展。本文就以上新技術(shù)在機(jī)身主結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用前景進(jìn)行分析和論證，為國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的研制提供一定的參考。

1 新型鋁合金材料在機(jī)身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)機(jī)體經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)十分成熟，鋁合金在飛機(jī)機(jī)體材料方面一直處于主導(dǎo)地位。2024和7075鋁合金是廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的兩種鋁合金。2024是Al-Cu-Mg系鋁合金，具有優(yōu)良的壓力加工和機(jī)械加工性能，疲勞強(qiáng)度性能好，該合金薄板、厚板和型材已廣泛地用于制造飛機(jī)的蒙皮等主要承力件；7075是Al -Zn-Mg-Cu系鋁合金，該合金強(qiáng)度高，抗應(yīng)力腐蝕性能好，廣泛應(yīng)用于制造飛機(jī)的長(zhǎng)桁、隔框等結(jié)構(gòu)件。

能源危機(jī)的爆發(fā)以來，飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化以及復(fù)合材料的興起給傳統(tǒng)鋁合金帶來新的挑戰(zhàn)，低密度、比強(qiáng)度高得新型鋁合金材料的應(yīng)用變得十分迫切。鋁鋰合金具有低密度、高比剛度、高比強(qiáng)度、卓越的超塑成形性能和良好的耐腐蝕性能，用它取代常規(guī)鋁合金，能使構(gòu)件減重10%～15%，剛度增加15%～20%。國(guó)外已認(rèn)證或在飛機(jī)上使用的鋁鋰合金產(chǎn)品牌號(hào)主要有美鋁的2099、2199和加鋁2196、2098、2198等，主要應(yīng)用于機(jī)身蒙皮、長(zhǎng)桁以及框、梁等?？湛偷腁330、A340以及A380等機(jī)型的機(jī)身蒙皮、座椅滑軌和地板梁等都使用了鋁鋰合金。龐巴迪C系列機(jī)身蒙皮、長(zhǎng)桁等也大量采用鋁鋰合金。

鋁鋰合金在國(guó)外飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，而我國(guó)的鋁鋰合金還處在小批量研制階段，目前為止，僅在部分軍機(jī)的普通框緣鈑金結(jié)構(gòu)上有少量的應(yīng)用。鋁鋰合金的價(jià)格較常規(guī)鋁合金高，塑性和斷裂韌性一般。因此，鋁鋰合金在國(guó)內(nèi)大型客機(jī)上的應(yīng)用也受到了一定的限制。目前我們要做的主要工作就是從制造工藝方面改進(jìn)鋁鋰合金的性能，降低其制造成本，只有這樣才能夠?qū)X鋰合金大規(guī)模地應(yīng)用到國(guó)內(nèi)客機(jī)的研制中去。

2 金屬膠接技術(shù)機(jī)身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

自航空工業(yè)誕生以來，金屬膠接技術(shù)就應(yīng)用于各類飛機(jī)結(jié)構(gòu)的制造，現(xiàn)代飛機(jī)已離不開金屬膠接結(jié)構(gòu)件。用膠接代替鉚接可使重量減輕25%，成本下降約20%。由于膠接是面連接，能避免機(jī)械連接的應(yīng)力集中，大大改善結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能和結(jié)構(gòu)表面的氣動(dòng)特性。而且膠接結(jié)構(gòu)能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的壽命，根據(jù)F50支線客機(jī)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，最初按60000飛行起落設(shè)計(jì)的機(jī)身膠接壁板最終壽命超過了90000飛行起落。目前，膠接制件的數(shù)量已成為衡量民用客機(jī)制造水平高低的標(biāo)準(zhǔn)之一。

英國(guó)在1946年采用金屬膠接技術(shù)制造了世界上第一架有鋁合金膠接結(jié)構(gòu)的鴿子號(hào)支線客機(jī)，隨后美國(guó)生產(chǎn)的L-1011飛機(jī)的增壓客艙全部采用了大型的膠接整體壁板。空客A330、A380、A350XWB客機(jī)金屬膠接的應(yīng)用部位主要為機(jī)身前中段及后中段的上壁板。波音B737、B757、B767客機(jī)也都采用了大量的膠接結(jié)構(gòu)。

近幾年國(guó)內(nèi)在金屬膠接技術(shù)方面取得了一些進(jìn)展，如MA60、MA600飛機(jī)裝飾隔板、登機(jī)梯踏板；ARJ飛機(jī)的擾流板、襟翼艙壁板等一些次受力構(gòu)件上應(yīng)用比較廣泛，但在機(jī)身壁板等主承力結(jié)構(gòu)件方面缺乏經(jīng)驗(yàn)。為了降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，我們?cè)谂μ岣邍?guó)內(nèi)金屬膠接技術(shù)的同時(shí)，需與國(guó)外具有膠接結(jié)構(gòu)適航取證經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商合作。比如說荷蘭的?？斯?，該公司是較早從事金屬膠接技術(shù)研究與應(yīng)用的企業(yè)，在金屬膠接結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、試驗(yàn)、制造及適航等方面都建立了完善的配套體系。更為重要的是，其設(shè)計(jì)的采用金屬膠接主承力結(jié)構(gòu)件的飛機(jī)具有適航取證和航線營(yíng)運(yùn)的成功經(jīng)驗(yàn)，如?？薋50、空客A330/A340/A380、灣流G650公務(wù)機(jī)等。

就制造技術(shù)而言，目前金屬膠接制造技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下方面：不斷完善提高膠接質(zhì)量品質(zhì)，提高膠接質(zhì)量無損檢測(cè)的精確化；全面采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，提高膠接工藝的機(jī)械化、自動(dòng)化程度；開拓和發(fā)展新材料的膠接技術(shù)，比如鈦合金、鋁鋰合金等。

3 復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)

先進(jìn)復(fù)合材料是20世紀(jì)60年代后期崛起的一種新型材料，具有比強(qiáng)度、比剛度高、耐介質(zhì)腐蝕性好以及疲勞特性好等優(yōu)點(diǎn)。目前民用飛機(jī)復(fù)合材料的應(yīng)用比例顯著增加，尤其是從波音787和空客A350的研制開始，復(fù)合材料在民用運(yùn)輸機(jī)上的應(yīng)用從次級(jí)結(jié)構(gòu)和尾翼部件向機(jī)身機(jī)翼主結(jié)構(gòu)擴(kuò)展的趨勢(shì)愈發(fā)明顯。波音787機(jī)體的主要結(jié)構(gòu)幾乎均由復(fù)合材料制成，各機(jī)身段單獨(dú)由復(fù)合材料纏繞后共固化而成?？湛虯350 機(jī)身由4 塊復(fù)合材料壁板組成，機(jī)身框由鋁合金制成，其復(fù)合材料用量達(dá)到了52%。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比鋁合金結(jié)構(gòu)有更好的抗疲勞和腐蝕特性，有利于提高客艙的壓力和濕度，給旅客提供更加舒適的空中旅行享受。復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)的飛機(jī)總重量也明顯減小，制造成本大大降低。

我國(guó)民用飛機(jī)型號(hào)發(fā)展較慢，以前設(shè)計(jì)的民用飛機(jī)如運(yùn)七、運(yùn)八、等很少采用復(fù)合材料，近年來，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究方面取得了很大的進(jìn)步，由于缺乏復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析技術(shù)效率偏低，材料利用率不高。同時(shí)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢(shì)僅在拉伸和疲勞強(qiáng)度方面，它的耐壓性能還不能確定。所以，為減少研制風(fēng)險(xiǎn)，復(fù)合材料機(jī)身主結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用以限制在壁板級(jí)別的組件為宜，待取得成功經(jīng)驗(yàn)后再逐步實(shí)現(xiàn)由組件級(jí)別向部件級(jí)別的擴(kuò)展。

綜上所述，以上三種不同的機(jī)身結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在研制新型民用飛機(jī)時(shí)機(jī)身應(yīng)該使用何種技術(shù)和材料還需考慮當(dāng)下的實(shí)際情況，比如說國(guó)內(nèi)技術(shù)的可行性、制造和維修成本、適航驗(yàn)證等等，這就需要我們進(jìn)一步的研究與討論最后得出各方面都可行的方案。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]