鄧蓉

【摘 要】本文就國內(nèi)外機身結(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)用前景進行了分析，為國內(nèi)民用飛機機身結(jié)構(gòu)的研制提供一定的參考。

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

20世紀以來，民用飛機機體結(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，民用飛機的經(jīng)濟性、舒適性得到了極大的提升。對于民用飛機機身結(jié)構(gòu)，國外研制的民機在新型鋁合金材料的應(yīng)用、金屬膠接連接以及復(fù)合材料在機身主承力結(jié)構(gòu)上大面積應(yīng)用方面取得巨大的進展。本文就以上新技術(shù)在機身主結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用前景進行分析和論證，為國內(nèi)民用飛機機身結(jié)構(gòu)的研制提供一定的參考。

1 新型鋁合金材料在機身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

金屬結(jié)構(gòu)飛機機體經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)十分成熟，鋁合金在飛機機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)用于飛機機體結(jié)構(gòu)的兩種鋁合金。2024是Al-Cu-Mg系鋁合金，具有優(yōu)良的壓力加工和機械加工性能，疲勞強度性能好，該合金薄板、厚板和型材已廣泛地用于制造飛機的蒙皮等主要承力件；7075是Al -Zn-Mg-Cu系鋁合金，該合金強度高，抗應(yīng)力腐蝕性能好，廣泛應(yīng)用于制造飛機的長桁、隔框等結(jié)構(gòu)件。

能源危機的爆發(fā)以來，飛機結(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%。國外已認證或在飛機上使用的鋁鋰合金產(chǎn)品牌號主要有美鋁的2099、2199和加鋁2196、2098、2198等，主要應(yīng)用于機身蒙皮、長桁以及框、梁等。空客的A330、A340以及A380等機型的機身蒙皮、座椅滑軌和地板梁等都使用了鋁鋰合金。龐巴迪C系列機身蒙皮、長桁等也大量采用鋁鋰合金。

鋁鋰合金在國外飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用廣泛，而我國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，鋁鋰合金在國內(nèi)大型客機上的應(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)用到國內(nèi)客機的研制中去。

2 金屬膠接技術(shù)機身結(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)用于各類飛機結(jié)構(gòu)的制造，現(xiàn)代飛機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支線客機的實際運營數(shù)據(jù)，最初按60000飛行起落設(shè)計的機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制造水平高低的標準之一。

英國在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)的鴿子號支線客機，隨后美國生產(chǎn)的L-1011飛機的增壓客艙全部采用了大型的膠接整體壁板。空客A330、A380、A350XWB客機金屬膠接的應(yīng)用部位主要為機身前中段及后中段的上壁板。波音B737、B757、B767客機也都采用了大量的膠接結(jié)構(gòu)。

近幾年國內(nèi)在金屬膠接技術(shù)方面取得了一些進展，如MA60、MA600飛機裝飾隔板、登機梯踏板；ARJ飛機的擾流板、襟翼艙壁板等一些次受力構(gòu)件上應(yīng)用比較廣泛，但在機身壁板等主承力結(jié)構(gòu)件方面缺乏經(jīng)驗。為了降低技術(shù)風(fēng)險，我們在努力提高國內(nèi)金屬膠接技術(shù)的同時，需與國外具有膠接結(jié)構(gòu)適航取證經(jīng)驗和實際運營經(jīng)驗的供應(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)計算分析、試驗、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)計的采用金屬膠接主承力結(jié)構(gòu)件的飛機具有適航取證和航線營運的成功經(jīng)驗，如?？薋50、空客A330/A340/A380、灣流G650公務(wù)機等。

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)量無損檢測的精確化；全面采用計算機輔助技術(shù)，提高膠接工藝的機械化、自動化程度；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)合材料機身結(jié)構(gòu)

先進復(fù)合材料是20世紀60年代后期崛起的一種新型材料，具有比強度、比剛度高、耐介質(zhì)腐蝕性好以及疲勞特性好等優(yōu)點。目前民用飛機復(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)合材料在民用運輸機上的應(yīng)用從次級結(jié)構(gòu)和尾翼部件向機身機翼主結(jié)構(gòu)擴展的趨勢愈發(fā)明顯。波音787機體的主要結(jié)構(gòu)幾乎均由復(fù)合材料制成，各機身段單獨由復(fù)合材料纏繞后共固化而成?？湛虯350 機身由4 塊復(fù)合材料壁板組成，機身框由鋁合金制成，其復(fù)合材料用量達到了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)合材料機身結(jié)構(gòu)的飛機總重量也明顯減小，制造成本大大降低。

我國民用飛機型號發(fā)展較慢，以前設(shè)計的民用飛機如運七、運八、等很少采用復(fù)合材料，近年來，國內(nèi)復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究方面取得了很大的進步，由于缺乏復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗，導(dǎo)致復(fù)合材料設(shè)計分析技術(shù)效率偏低，材料利用率不高。同時，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢僅在拉伸和疲勞強度方面，它的耐壓性能還不能確定。所以，為減少研制風(fēng)險，復(fù)合材料機身主結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用以限制在壁板級別的組件為宜，待取得成功經(jīng)驗后再逐步實現(xiàn)由組件級別向部件級別的擴展。

綜上所述，以上三種不同的機身結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)缺點，在研制新型民用飛機時機身應(yīng)該使用何種技術(shù)和材料還需考慮當(dāng)下的實際情況，比如說國內(nèi)技術(shù)的可行性、制造和維修成本、適航驗證等等，這就需要我們進一步的研究與討論最后得出各方面都可行的方案。

【參考文獻】

[1]張麗華，范玉青.復(fù)合材料構(gòu)件在飛機上的應(yīng)用評述[J].航空制造技術(shù)，2006（3）：64-66.

[2]劉斌，陳錚錚.鋁鋰合金的發(fā)展與應(yīng)用[J].現(xiàn)代機械，2001（4）：71-75.

[3]吳靜.鋁鋰合金的研究與發(fā)展[J].高能量密度物理，2007（4）：169-173.

[4]鄭瑞琪，余云照.結(jié)構(gòu)膠粘及膠接技術(shù)[M].科學(xué)出版社，1993.

[5]陳亞莉.波音、空客新一代客機復(fù)合材料應(yīng)用之爭[J].國際航空雜志，2004（8）：35-38.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]