复合材料的抉择

技术分类: 工程材料    作者:Joseph Ogando  发表时间:2006-12-08

      最大的商务飞机A380 于2005 年4 月份首次飞上蓝天。它采用了许多先进的材料及工艺,包括新金属合金、增强塑料和合成金属纤维。

  如果你绞尽脑汁想减轻你所设计的物体的重量,而又不以牺牲强度为代价,你可以从创造世界上最大的商务飞机——空中客车A380的工程师们身上或多或少得到一些启发。
  A380长约73米,高约24.1 米,机身直径约7.14米,它给世界大型喷气式客机赋予了新的含义。A380上下的两层加起来总共长能容纳800多位乘客,可是航班的实际结构是可乘坐550个乘客并且容纳很多行李。2005年4月A380进行了首次测试飞行,并计划于2006年年底投入商务运营,第一架A380将驶往新加坡。
  许多飞机从设计跨到生产阶段都遇到了重量方面的问题,A380也是一样。这次,空中客车的工程师们通过使用更多的复合材料,使得飞机起落装置上承载的重量尽可能的轻,而这些复合材料比公司历史上任何一架飞机都要用得多。空中客车公司声称整个飞机上轻型材料的使用使飞机的有效载荷增加了30吨。

  令人高兴

的是复合材料技术的发展与进步意味着A380的设计者在选择材料时不再会捉襟见肘。那么设计者是如何根据飞机每一部分的具体要求来选择最佳的材料与之匹配呢?简而言之,就是竞争!公司的高级复合材料运用和资格认证专家Roland Thevenin说:“我们把最好的材料工艺技术放在一起,对比优劣,进行竞争筛选。”
  与复合材料之间的竞争筛选一样,残酷的竞争评估使金属与复合材料之间的争夺异常激烈。一旦飞机投入商业运营,不但要考虑飞机的重量和关键的机械性能,而且还要综合考虑费用、可生产性和可维护性。从A380的机身就可以看出这些材料竞争的结果,正如A380的设计分析主管Serge Rabois所描述的,A380机身结构是由各种不同材料的最优化组合所构成的。
  复合材料的改进
  上面提到的大多数混合物都是由增强型塑料复合材料构成的。Thevenin说,在A380的主要结构中,22%是由各种不同的增强型塑料复合材料制成的,而且大部分是Hexcel公司和Cytec公司提供的碳纤维增强环氧树脂。空中客车公司还在飞机的垂直尾翼上应用了少许增强型玻璃纤维环氧树脂,同时在飞机的鼻锥体上应用了增强型石英环氧树脂。由于结构应用在很大程度上依赖于热固树脂合成材料,作为机翼的前沿的一部分,A380有一个J 型鼻锥,这是由增强型玻璃纤维PPS制成的。Thevenin指出,之所以用热塑性塑料代替早期飞机上的铆钉铝结构,是因为它可以使J型鼻锥体的外壳与加强板牢固地焊接在一起。
  对空中客车的工程师们来说,复合材料不再是真正的火箭科学。从1985年制造的A310飞机开始,空中客车公司对在飞机的主要结构上采用复合材料已经有20多年的经验。从那个时候开始,公司逐渐将一些采用复合材料的附加结构融入到每一架新飞机上。Thevenin 说:“为减小风险,我们一直在一步一步的努力当中。”

   A380代表了一个很大的进步,除此之外,它还体现了另外一个进步——它包含了许多复合结构,这些结构在已往的飞机上已经得到验证,这其中一些飞机现在已经成功飞行了1,200万到3,500万小时。这些结构包括尾翼、襟翼及巨大的后压力隔板。Thevenin指出:“这些已经被验证的设计当中,我们面临的风险仅仅只是飞机的尺寸。”
  例如,已被证明的超大型尺寸复合材料设计会产生一个后果,那就是空中客车的工程师们不得不压缩设计负载裕度。然而,对于过去那些尺寸较少且较低负载的复合结构,工程师们比较奢侈地设计了较大的负载裕度。A380的部件尺寸让这种奢侈无影无踪。Thevenin说道:“我们现在没有任何不必要的负载裕度。”
  A380创造了一些新的纪录,包括一些全新复合材料的应用,例如横梁、上部机架、机翼翼肋、襟翼导轨都采用了新的复合材料。该客机上还有许多令人惊讶的CFRP结构,尾翼和最大直径超过6米的后机身就是由CFRP制造的。因此,体积为2.4×7×7.8立方米,重为22吨的中心翼盒担当着飞机结构中心的角色。机翼翼盒主要是由碳纤维复合材料再加上一些铝制翼肋制成,在那些超过100个座位的商务飞机中,它是第一次被使用在A380上。
  在所有这些复合材料的应用中,复合材料的性能特征不会让任何一位工程师感到惊讶。Thevenin说:“当我们谈到‘性能’这个词时,主要是指重量和强度。”他估计对于一个给定的强度,复合材料结构的重量要比相同的金属结构轻15%











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