复合材料与A380客机

skyhawk2010 · 发表于 2010-6-18 12:30:30

［摘要］详细介绍了复合材料在超大型客机A380上的应用情况，简述了其应用原则和某些相关的技术问题。

［ABSTRACT］This paper introduces the application of composites on airliner A380 in detail,and gives the criterion for application and some technical problems.

Keywords: Composite Glare laminates A380 Application

　　飞机设计一直与采用性能优异的材料密切相关。大型民机在先进复合材料问世之初，就开始了应用复合材料的历程。除美国外，世界上另一个大型民机生产商是欧洲的法、德、英、西4国联合的欧洲空中客车工业集团，其产品在大型民机的世界市场上已占有46%的份额，并有进一步增长的趋势他们在复合材料的研究和应用方面并不亚于美国，某些方面还有所超出。如他们于1978年开始研制A320的复合材料垂尾，1985年完成了全部研制试验工作，通过了适航鉴定。该垂尾实现了减重20%，零件数量减少一半，并在批生产的A320客机上正式采用，成为大型民机上第一个正式采用批生产的复合材料垂尾。A320复合材料垂尾的研制成功，使空中客车集团积累了经验，增强了信心。此后在A322、A330和A340等机种上均正式应用了复合材料。在A340上共用复合材料11t，占结构总重的13%，超过了美国最新研制的B777的应用比例。

　　众所周知，空中客车集团正在研究试制超大型客机A380，该机有双层客舱，载客550～650人，预计2004年首飞，2006年交付航线使用。在A380机上将大量应用各种复合材料。

1　复合材料在A380客机上的应用

计划在A380采用复合材料的主要部件如下。

(1) 机翼，包括中央翼盒和部分外翼。该翼盒重8.8t，用复合材料5.3t，较金属翼盒可减重1.5t。A380机是第一个将复合材料用于中央翼盒的大型民机。

(2) 垂直尾翼和水平尾翼。采用碳纤维增强复合材料的硬壳式结构，其水平尾翼大小相当于A310的机翼，垂尾则相当于A320的机翼。尾翼和中央翼盒均拟采用先进的自动铺带(ATL)技术制造。

(3) 地板梁和后承压框。采用碳纤维复合材料制造，拟应用更为先进的自动纤维铺放(AFP)技术制造，并将试用树脂膜熔化(RFI)成形技术。

(4) 固定机翼前缘和机身上的某些次加强件。采用热塑性复合材料制造。热塑性复合材料进一步扩大应用正处于研究中，如某些翼肋和垂尾、平尾的固定前缘亦可能用到。

(5) 各种翼身整流罩、襟翼滑轨整流罩、操纵面和起落架舱门等处。采用复合材料夹层面板结构制造。

(6) 机翼后缘处的襟、副翼。使用碳纤维增强复合材料，当常规的技术难于成形时，可能有部分制件(如肋和铰链等)采用RTM技术制造。

(7) 机身蒙皮壁板。在机身上计划大规模采用一种名为Glare层板的超混杂复合材料结构(详见后述)。

　　复合材料在A380客机上的具体应用部位见图2，仅碳纤维复合材料的用量已达32t左右，占结构总重的15%，再加上其他种类的复合材料，估计其总用量可达结构总重的25%左右，复合材料在A380客机上的应用规模，已远远超过B777的水平。这一趋势和动向引起了国内复合材料界的密切关注。

2　应用原则

　　在A380客机上应用复合材料主要考虑3个原则，即性能、成本和减重。

　　性能主要是指安全性。复合材料具有优异的使用性能，疲劳和使用环境未造成剩余强度的降低，地面验证的结果和使用中的性能相符。迄今为止，军机和民机上从未发生过因大量使用复合材料而造成的飞行事故，这无疑增加了应用复合材料的信心和安全置信度。

　　成本问题即经济性原则。空中客车集团认为使用复合材料成本可能较高，但与铝合金相比生产中能源消耗小，可降低成本。在具体应用和生产制造中又多方面注意采取了低成本的技术措施：如拟大量采用ATL和AFP等自动化制造技术；扩大应用热塑性复合材料，采用焊接装配、整体成形和减少紧固件等方法降低制造成本；扩大RTM低成本制造技术的应用；用Glare层板替代ARALL层板(因玻璃纤维比芳纶便宜)等，尽力降低产品成本。

　　减重是飞机设计永恒的主题，大量采用复合材料的核心目标之一就是要减轻飞机的结构重量。空中客车集团在A380客机上应用复合材料明确提出要达到减重25%的指标。他们还强调指出，复合材料的耐腐蚀性能、较高的损伤容限性能和良好的抗疲劳性能(特别是Glare层板)等均会为结构减重带来潜在的效果。

　　为满足上述的几个原则要求，在论证中他们进行了大量材料和制造成本的分析，认为减重是关键，要求在性能和成本上要有竞争力，成本要降到常规金属结构的水平。为此一再强调“材料特性与设计之间要有最好的匹配，选材和制造技术之间要有最好的匹配。”　

　　军机、民机大量应用复合材料也说明复合材料在与新型铝合金、钛合金的竞争中取得了相对明显的优势。可以预见，复合材料在大型民机上的应用将会更加广泛。

3　Glare层板的应用

　　欧洲首先发展研究的ARALL层板(芳纶增强铝合金层板)，具有复合材料高强低密的特点，又兼有铝合金的优点——韧性和抗疲劳性能好。但将它用于双向、纵向和周向受力的机身蒙皮时，抗拉－压疲劳性能不理想，出现纤维损伤的情况。于是欧洲又研制了能解决上述问题的Glare层板，并将它用在双向受力的机身壁板上。Glare层板是由0.3～0.5mm的铝合金薄板与预浸玻璃纤维带(0.2～0.3mm)交替层压而成的，我国称之为超混杂复合材料。由于玻璃纤维的热膨胀系数为4.8×10-6/℃，较芳纶的-2×10-6/℃更接近铝的热膨胀系数23.8×10-6/℃，所以固化后玻璃纤维结构的残余应力比芳纶的低，加之玻璃纤维有较高的破坏应变，能允许裂纹尖端的铝合金层塑性变形，这不仅使Glare层板具有优良的抗拉－压疲劳性能，同时大大提高了它的缺口断裂性能。

　　Glare层板除密度较ARALL略高外，保持了ARALL层板的优越性能，并改善了其弱点——对缺口和冲击的敏感性，特别是改善了抗拉－压疲劳性能，解决了在双向受载的机身蒙皮上应用的问题。据报道，合理设计使用Glare层板可使结构减重30%，而且经济效益更好，因此，A380客机上将大量应用Glare层板。

　　对于ARALL层板国内已有研究试用，但对Glare层板国内尚无研究。这也是一个应引起我们关注的技术发展动向。
为实现复合材料在A380上的大量应用，空中客车集团正在全面开展相关的预研和技术准备工作，特别是各种技术可行性研究。如大型复合材料结构件设计和制造技术评估；RTM和电子束固化等各种低成本成形方法的研究；从美国采购了两台大型纤维自动铺放机(AFP)，准备用于A380机的复合材料制造；欧洲于2001年9月专门召开了Glare层板新飞机用材料的国际会议，去年又在中国北京召开的ICCM－13会上设有Glare的专埸。这一切均表明围绕A380机大规模应用复合材料这一主题，各种技术准备工作正在全面展开。

study1 · 发表于 2010-6-18 14:02:42

很好的东西

燕龙 · 发表于 2010-8-30 13:21:53

太厉害了

yezhiwei · 发表于 2011-1-5 22:56:55

很好的东西

xiaohang_lin · 发表于 2011-4-28 15:32:31

很好很好！

nofear82 · 发表于 2011-4-28 18:59:02

不是很懂，不是学材料的！

mcrayearth · 发表于 2011-5-25 13:13:16

总觉得不怎么安全嘛

yu_1997 · 发表于 2011-7-2 01:27:13

复合材料是飞机材料的关键啊，减重很明显

dinglei · 发表于 2012-3-30 11:59:24

很好的东西

nonecui · 发表于 2012-7-13 08:21:16

很好的东西

460866465 · 发表于 2012-7-13 14:02:54

不是很懂，不是学材料的！谢谢分享

janson@su · 发表于 2012-8-29 12:25:55

太厉害了

于 2012-10-28 14:42:27 连续回帖自动追加:
了解了

loufen · 发表于 2013-1-3 00:10:59

380的复合材料还不是很多。787塑料飞机才多！！

bbbbb · 发表于 2013-1-8 00:21:29

很好的东西

cauclina · 发表于 2013-3-18 12:15:30

380的发动机呢？那些部位用到纤维增强树脂基复合材料，谢谢楼主

龙哉 · 发表于 2014-9-21 17:45:02

复合材料用多了好吗

tian1987qwere · 发表于 2014-10-7 10:42:52

了解了解

Alex1988 · 发表于 2014-10-31 22:00:33

想多多了解一下

254724788 · 发表于 2014-11-7 08:04:33

太厉害了

”说变就变 · 发表于 2020-4-8 13:20:22

有用

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