A380,復(fù)合材料的選擇.doc

A380，復(fù)合材料的選擇如果你絞盡腦汁想減輕你所設(shè)計(jì)的物體的重量，而又不以犧牲強(qiáng)度為代價(jià)，你可以從創(chuàng)造世界上最大的商務(wù)飛機(jī)空中客車(chē)A380的工程師們身上或多或少得到一些啟發(fā)。A380長(zhǎng)約73米，高約24.1 米，機(jī)身直徑約7.14米，它給世界大型噴氣式客機(jī)賦予了新的含義。A380上下的兩層加起來(lái)總共長(zhǎng)能容納800多位乘客，可是航班的實(shí)際結(jié)構(gòu)是可乘坐550個(gè)乘客并且容納很多行李。2005年4月A380進(jìn)行了首次測(cè)試飛行，并計(jì)劃于2006年年底投入商務(wù)運(yùn)營(yíng)，第一架A380將駛往新加坡。許多飛機(jī)從設(shè)計(jì)跨到生產(chǎn)階段都遇到了重量方面的問(wèn)題，A380也是一樣。這次，空中客車(chē)的工程師們通過(guò)使用更多的復(fù)合材料，使得飛機(jī)起落裝置上承載的重量盡可能的輕，而這些復(fù)合材料比公司歷史上任何一架飛機(jī)都要用得多?？罩锌蛙?chē)公司聲稱整個(gè)飛機(jī)上輕型材料的使用使飛機(jī)的有效載荷增加了30噸。令人高興 的是復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步意味著A380的設(shè)計(jì)者在選擇材料時(shí)不再會(huì)捉襟見(jiàn)肘。那么設(shè)計(jì)者是如何根據(jù)飛機(jī)每一部分的具體要求來(lái)選擇最佳的材料與之匹配呢？簡(jiǎn)而言之，就是競(jìng)爭(zhēng)！公司的高級(jí)復(fù)合材料運(yùn)用和資格認(rèn)證專(zhuān)家Roland Thevenin說(shuō)：“我們把最好的材料工藝技術(shù)放在一起，對(duì)比優(yōu)劣，進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)篩選?！?與復(fù)合材料之間的競(jìng)爭(zhēng)篩選一樣，殘酷的競(jìng)爭(zhēng)評(píng)估使金屬與復(fù)合材料之間的爭(zhēng)奪異常激烈。一旦飛機(jī)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，不但要考慮飛機(jī)的重量和關(guān)鍵的機(jī)械性能，而且還要綜合考慮費(fèi)用、可生產(chǎn)性和可維護(hù)性。從A380的機(jī)身就可以看出這些材料競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，正如A380的設(shè)計(jì)分析主管Serge Rabois所描述的，A380機(jī)身結(jié)構(gòu)是由各種不同材料的最優(yōu)化組合所構(gòu)成的。復(fù)合材料的改進(jìn)上面提到的大多數(shù)混合物都是由增強(qiáng)型塑料復(fù)合材料構(gòu)成的。Thevenin說(shuō)，在A380的主要結(jié)構(gòu)中，22是由各種不同的增強(qiáng)型塑料復(fù)合材料制成的，而且大部分是Hexcel公司和Cytec公司提供的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂。空中客車(chē)公司還在飛機(jī)的垂直尾翼上應(yīng)用了少許增強(qiáng)型玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂，同時(shí)在飛機(jī)的鼻錐體上應(yīng)用了增強(qiáng)型石英環(huán)氧樹(shù)脂。由于結(jié)構(gòu)應(yīng)用在很大程度上依賴于熱固樹(shù)脂合成材料，作為機(jī)翼的前沿的一部分，A380有一個(gè)J 型鼻錐，這是由增強(qiáng)型玻璃纖維PPS制成的。Thevenin指出，之所以用熱塑性塑料代替早期飛機(jī)上的鉚釘鋁結(jié)構(gòu)，是因?yàn)樗梢允笿型鼻錐體的外殼與加強(qiáng)板牢固地焊接在一起。對(duì)空中客車(chē)的工程師們來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料不再是真正的火箭科學(xué)。從1985年制造的A310飛機(jī)開(kāi)始，空中客車(chē)公司對(duì)在飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)上采用復(fù)合材料已經(jīng)有20多年的經(jīng)驗(yàn)。從那個(gè)時(shí)候開(kāi)始，公司逐漸將一些采用復(fù)合材料的附加結(jié)構(gòu)融入到每一架新飛機(jī)上。Thevenin 說(shuō)：“為減小風(fēng)險(xiǎn)，我們一直在一步一步的努力當(dāng)中?！盇380代表了一個(gè)很大的進(jìn)步，除此之外，它還體現(xiàn)了另外一個(gè)進(jìn)步它包含了許多復(fù)合結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在已往的飛機(jī)上已經(jīng)得到驗(yàn)證，這其中一些飛機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)成功飛行了1,200萬(wàn)到3,500萬(wàn)小時(shí)。這些結(jié)構(gòu)包括尾翼、襟翼及巨大的后壓力隔板。Thevenin指出：“這些已經(jīng)被驗(yàn)證的設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們面臨的風(fēng)險(xiǎn)僅僅只是飛機(jī)的尺寸。”例如，已被證明的超大型尺寸復(fù)合材料設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)后果，那就是空中客車(chē)的工程師們不得不壓縮設(shè)計(jì)負(fù)載裕度。然而，對(duì)于過(guò)去那些尺寸較少且較低負(fù)載的復(fù)合結(jié)構(gòu)，工程師們比較奢侈地設(shè)計(jì)了較大的負(fù)載裕度。A380的部件尺寸讓這種奢侈無(wú)影無(wú)蹤。Thevenin說(shuō)道：“我們現(xiàn)在沒(méi)有任何不必要的負(fù)載裕度?！?A380創(chuàng)造了一些新的紀(jì)錄，包括一些全新復(fù)合材料的應(yīng)用，例如橫梁、上部機(jī)架、機(jī)翼翼肋、襟翼導(dǎo)軌都采用了新的復(fù)合材料。該客機(jī)上還有許多令人驚訝的CFRP結(jié)構(gòu)，尾翼和最大直徑超過(guò)6米的后機(jī)身就是由CFRP制造的。因此，體積為2.477.8立方米，重為22噸的中心翼盒擔(dān)當(dāng)著飛機(jī)結(jié)構(gòu)中心的角色。機(jī)翼翼盒主要是由碳纖維復(fù)合材料再加上一些鋁制翼肋制成，在那些超過(guò)100個(gè)座位的商務(wù)飛機(jī)中，它是第一次被使用在A380上。在所有這些復(fù)合材料的應(yīng)用中，復(fù)合材料的性能特征不會(huì)讓任何一位工程師感到驚訝。Thevenin說(shuō)：“當(dāng)我們談到性能這個(gè)詞時(shí)，主要是指重量和強(qiáng)度?！彼烙?jì)對(duì)于一個(gè)給定的強(qiáng)度，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的重量要比相同的金屬結(jié)構(gòu)輕15%到25%，僅中心翼盒就要比相同的鋁制機(jī)翼翼盒輕3噸。對(duì)于A380高負(fù)載部分使用的復(fù)合材料，這些沖擊敏感材料易被地面設(shè)備損壞，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免在可能被破壞的部位應(yīng)用它們。Thevenin說(shuō)：“復(fù)合材料帶來(lái)了機(jī)遇，但是它本身也有局限。”GLARE前景GLARE是一種由鋁和玻璃纖維層壓形成的另一種完全不同的復(fù)合材料，A380中另外3的材料就是由它構(gòu)成的。這種叫做GLARE的金屬纖維層壓板由鋁交互層和玻璃環(huán)氧樹(shù)脂浸料組成?？罩锌蛙?chē)在A380上大約使用了5000平方英尺這種材料，主要用于機(jī)身上部外殼和尾翼的主邊緣。GLARE的重量和一種標(biāo)準(zhǔn)鋁片（2024 T3）相比，減輕了15到30，具體減輕量由GLARE層的類(lèi)型和厚度決定。例如，空中客車(chē)用到兩種GLARE：標(biāo)準(zhǔn)版本和高靜力強(qiáng)度版本，且每種版本的GLARE還具備改變纖維方向的功能。Rabois說(shuō)道：“我們改變纖維方向已適應(yīng)具體的載荷情況。”因此，空中客車(chē)使用不同的纖維方向來(lái)適應(yīng)環(huán)繞壓力、軸載荷、雙軸載荷和剪應(yīng)力載荷?！癎LARE看上去同金屬一樣，卻能像復(fù)合材料一樣工作?！盧abois說(shuō)，利用纖維方向可以使機(jī)械性能達(dá)到最優(yōu)。 從特性上來(lái)說(shuō)，GLARE還有其他優(yōu)點(diǎn)。據(jù)Rabois介紹，纖維層具有防止裂縫的擴(kuò)張和抗腐蝕性。另外纖維層增強(qiáng)了抗高溫性能，此時(shí)纖維起著保溫層的作用。最后Rabois指出通過(guò)開(kāi)辟第二個(gè)載荷途徑，能夠提升纖維沖擊性能。 此材料在設(shè)計(jì)靈活性方面也得到好評(píng)?！笆褂娩X焊接技術(shù)，鉚釘孔的放置和大小會(huì)受到疲軟性能的限制，”Rabois指出，“GLARE對(duì)焊縫的放置沒(méi)有任何限制?！绷硗?，這種材料允許在材料接合層插入大的面板?？罩锌蛙?chē)的設(shè)計(jì)中插入了兩個(gè)小面板并將其永久地接合起來(lái)。據(jù)Rabois所稱，這種方法免去了大量的鉚釘孔，也避免了與之相關(guān)的壓力問(wèn)題。他說(shuō)：“面板的大小只受限于高壓和運(yùn)輸設(shè)備的大小?！?所有這些設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)都不能以可修復(fù)性為代價(jià)。Rabois指出GLARE的修理幾乎和鋁一樣，只是有一些較小的步驟不同例如沒(méi)有修整凹痕和使用碳化工具。然而使用任何的材料，總是需要權(quán)衡利弊。對(duì)GLARE而言，它在硬度上是有欠缺的。這種材料與鋁片相比，彎曲系數(shù)低5到6個(gè)百分點(diǎn)。在個(gè)體結(jié)構(gòu)中硬度影響還不大，但是它會(huì)把載荷轉(zhuǎn)移到機(jī)身的其他部分。Rabois解釋說(shuō)：“當(dāng)你降低了一個(gè)結(jié)構(gòu)的承載系數(shù)，你實(shí)際上就給其他結(jié)構(gòu)帶來(lái)了負(fù)荷?！彼^續(xù)說(shuō)道，在A380上，機(jī)身上部結(jié)構(gòu)系數(shù)較低，會(huì)把所有載荷中的一部分轉(zhuǎn)移到了機(jī)身下部。接下來(lái)是成本問(wèn)題。Rabois承認(rèn)GLARE與標(biāo)準(zhǔn)的鋁相比，價(jià)格上“略為昂貴”。但他也指出，從每千克重量所節(jié)約的成本來(lái)看，GLARE和高級(jí)鋁合金的花費(fèi)基本上是一樣的。它還涉及到一些維護(hù)的成本，例如可以省去檢查裂縫的環(huán)節(jié)，所以到頭來(lái)這還是一筆不錯(cuò)的買(mǎi)賣(mài)。 合適的復(fù)合材料 增強(qiáng)型塑料、金屬層壓板元件和金屬合金之間的競(jìng)爭(zhēng)看起來(lái)很好解決?？罩锌蛙?chē)的工程師只需要使每種材料的機(jī)械和物理特性與機(jī)身不同部分所承受的載荷情況相匹配就可以了。雖然考慮A380的尺寸和復(fù)雜性當(dāng)然會(huì)比較困難，但是空中客車(chē)在材料選擇過(guò)程這方面還是夠簡(jiǎn)單明了的。 然而，不同材料間的競(jìng)爭(zhēng)往往同結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系，且這些結(jié)構(gòu)最初可以用不只一種材料建造。Rabois指出：“我們知道沒(méi)有任何一種完美的材料對(duì)所有的結(jié)構(gòu)適用?！蹦脵C(jī)身舉個(gè)例子，當(dāng)考慮機(jī)械特性角度時(shí)，上部機(jī)殼和后機(jī)身可以由金屬、GLARE或CFRP三種材料構(gòu)成。同樣的，三種材料也需要稍后進(jìn)行修理。 真正的決勝關(guān)鍵經(jīng)常要?dú)w結(jié)到制造上。例如，先進(jìn)的焊接技術(shù)的使用，對(duì)在一些結(jié)構(gòu)上選擇未知的金屬材料和設(shè)計(jì)是有利的?？罩锌蛙?chē)只考慮在A380上使用復(fù)合結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@樣會(huì)使他們出于領(lǐng)先地位。Thevenin說(shuō)道：“制造業(yè)推進(jìn)了我們的設(shè)計(jì)，反之亦然?！?他又補(bǔ)充道，特殊的復(fù)合材料會(huì)給人們提出一些特殊的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄兊奶匦允怯芍圃爝^(guò)程決定的。他說(shuō)：“對(duì)于復(fù)合材料而言，制造零件的同時(shí)也是在制造材料?！?空中客車(chē)讓分包商制造一些合成零件，而把真正有挑戰(zhàn)性的工作留給自己。位于法國(guó)南特市的復(fù)合材料中心的制造主管Christian Valade說(shuō)：“我們集中精力制造最困難的零件?！逼渲小袄щy的”這個(gè)詞在復(fù)合材料領(lǐng)域中是指大的、厚的以及那些幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。南特市的公司處理所有這些零件，包括A380巨大的中心翼盒以及用于A340-600的巨大的（17米）、高載荷（500余噸）的龍骨橫梁。 近日在參觀中心的過(guò)程中，Valade指出一系列用于生產(chǎn)空中客車(chē)復(fù)合材料的專(zhuān)利制造技術(shù)。其中之一是自動(dòng)停機(jī)機(jī)器，它采用了可以提高產(chǎn)量的專(zhuān)利雙頭設(shè)計(jì)，以及一個(gè)制造無(wú)縫結(jié)合環(huán)形機(jī)艙聲學(xué)壁板的專(zhuān)利系統(tǒng)，可以解決過(guò)去聲音性能降低的問(wèn)題。公司還對(duì)“聯(lián)合修理”系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展，使其能在一個(gè)單獨(dú)的熱壓循環(huán)空間內(nèi)修理桁條和