浅谈飞机机体结构的选材

赵爱莹

【摘 要】本文主要从飞机的选材原则、典型结构、常见材料三个方面介绍了飞机机体结构的选材，对飞机结构设计有一定的参考价值。

【关键词】飞机机体；选材；结构

0 引言

航空技术的进步与航空材料的发展有着密切的关系。一方面航空技术的进步，对航空材料提出新的要求，从而推动航空材料的发展；另一方面，航空材料的发展又为航空技术的进步提供基础与支持。

飞机材料的选择，一方面应满足飞机的性能参数，另一方面取决于预算成本，同时还受各种实际设计状态所限制。目前，飞机机体材料主要有铝合金、不锈钢、钛合金、复合材料、铝锂合金等。本文对机体典型部件的受力特点、机体常用材料的特性进行介绍，旨在对飞机机体选材做一个综合性的介绍，对飞机机体选材有一定的指导意义。

1 飞机的选材原则

飞机材料首先是根据飞机独特的性能要求及预算确定的。根据性能，飞机大致可以划分为四类：轻型飞机、商务机、民用飞机、军机。

1）轻型飞机：一般只求成本最低，对材料性能没有特殊要求。典型材料一般为不锈钢和铝合金。

2）商务机：关键在于材料性能，材料成本不是主要关心因素，因而碳纤维复合材料常常被应用于该类飞机。

3）民用飞机：这类飞机要求有最小的重量和最低的成本，因此，典型材料包括铝合金和复合材料。

4）军机：对飞行性能要求较高，故材料的性能很关键，预算也很高，这类飞机用复合材料等新型材料较多。

因为民用飞机最为常见，故本文主要针对民用飞机的选材展开讨论。

通常，材料的选择需要综合考虑各种因素，经过折中确定最后结果。从材料本身考虑，主要是机械性能、化学特性、温度特性，从其他设计要求考虑还应包括重量、刚度、强度、疲劳特性，抗腐蚀特性和成本等。

2 典型飞机结构受载特点

典型的机体结构包括以下几大部分：上下壁板、机身、梁、框、肋、起落架、控制面。机体结构需能承受相应的载荷，提供气动外形，同时还需保护乘客，安装设备，并能提供有效载荷。上述部件的受力特点，工作环境不同，因此对材料的要求也就不同。

1）机翼

机翼是飞机的主要升力面，承受最复杂和最高水平的应力。根据机翼受载特点，上下壁板承受的载荷大不相同。在飞行过程中，机翼向上弯曲，因此上壁板被压缩，下壁板被拉伸。为了承受相关载荷，同时为了减重，上下壁板需要选用高的比刚度和比屈服强度的材料，同时该材料还应有良好的抗应力腐蚀的性能。下壁板由于承受拉力，所用材料还需要有好的疲劳性能和较低的疲劳裂纹扩展速率。

2）机身

机身承受有效载荷，拉伸、压缩、弯曲、扭转载荷以及座舱压力等主要载荷。所有这些载荷都是在拉伸状态下施加在机身上。因此，为了降低结构重量，需要选用高的比刚度，比强度的材料。同时，所选材料还需有好的抗腐蚀能力。由于机身承受拉力，机身材料需有较高的疲劳强度和较低的疲劳裂纹扩展速率。

3）梁、框和肋

这些部件均位于蒙皮下面，用于分配载荷，维持气动外形，同时增加结构的屈曲强度。因为这些部件均承受弯曲，因此对材料性能的要求同上下壁板。

4）起落架

起落架承受较高的静态载荷和循环载荷。因此，选用材料需有较高的刚度和强度，同时需要有可接受的抗应力腐蚀、抗疲劳性能和抗断裂能力。对于现代飞机，由于载荷日益增大而存放起落架的空间日益减小，因此对起落架的体积有一定要求。

5）控制面

主要有方向舵、升降舵、扰流板、副翼、襟翼。通常，该类部件受载不大，为满足气动需求，按刚度设计。该受力特点也就决定了该类部件可大量采用复合材料设计。

3 常用机体材料的特点

近20年来，现代航空材料取得了重大发展，表1给出飞机用结构材料的发展趋势[1]。从图中可以看出，现役飞机仍以铝合金为主但用量逐渐减少，钢用量趋于减少，钛合金用量显著增加，树脂基复合材料的应用突飞猛进，已用在了非暴露的主要受力件上。

本文将以现代飞机中最重要的铝合金、钛合金、不锈钢和复合材料等四大类结构材料为例，浅谈这些材料的特性及其在飞机机体上的应用。

1）铝合金

铝合金的密度低，虽然它的拉伸性能没有钢好，但比强度、比刚度高，所以减重效果明显。同时，它还有良好的导热、导电特性，以及优良的抗氧化、抗腐蚀性能。到目前为止，铝合金依然是民用飞机的主要机体材料。

飞机上一般常用铝合金主要有以下三种。

（1）2xxx 系列铝合金

2xxx系列铝合金里面加入了1.9～6.8%的铜元素，另外，一般还含有锰、镁、和锌。这类合金有较低的裂纹扩展速度和较好的耐疲劳性能。常见该系列铝合金为2024、2224和2324。该类合金一般用99.34%的铝做成包铝合金，这样就能提高抗腐蚀性。

（2）7xxx

Al-Zn-Mg体系的铝合金时效硬化性能较好，加入铜是为了改善断裂韧性，当然这是有代价的——降低了可焊接性。断裂韧性是7xxx系列铝合金的最大局限，随着Zn/Mg比值的增加而降低。。其常见的合金为7075、7079、7150和7178。所有这些合金均为T7状态，因为该状态下的合金有较好的抗剥离腐蚀裂纹和抗应力腐蚀裂纹的能力。

主要民用飞机上常用铝合金应用情况见表2[2]。

（3）Al-LI

铝锂合金具有密度低、弹性模量高、比强度和比刚度高、疲劳性能好、耐腐蚀性及焊接性能好、耐高温和超低温等一系列优点。用其代替高强度铝合金可减重10%～20%，而刚度却可以提高15%～20%。因此，作为一种轻量化结构材料，很受飞机设计者的青睐。但是，由于其成本比普通铝合金高、室温塑性差、屈强比高、各向异性明显、冷加工容易开裂等缺点，限制了其在飞机上的的应用，一般只应用于次承力结构件。但随着铝锂合金的研制，其性能逐步得到完善与提高，在飞机上的应用越来越广泛，越来越成熟。铝锂合金被认为是21 世纪航空航天工业最具竞争力的轻质高强结构材料之一。

2）钛合金

钛合金强度和疲劳性能好于铝和钢，耐腐蚀性好。基于上述特点，故能减小体积，就可以用于空间要求严格的地方，比如起落架、悬挂点。钛合金还能用于温度对于铝合金过高的区域，比如用作防火隔板，将发动机与其他结构隔开。钛合金的最大局限在于密度比铝高，成本较高。

飞机上常用的钛合金为Ti-6Al-4V和Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si[3]。

3）合金钢

跟钛合金相似，合金钢也拥有比铝合金更高的强度和刚度，因此可以用于体积要求严格的地方，例如起落架、悬挂点、齿轮和轴承。用于所需的拉伸强度超出钛合金拉伸强度范围的地方。高密度是合金钢的局限。通常最常见的合金钢为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢和高强度低合金不锈钢。

4）复合材料

复合材料由两种或多种材料组成。各组分材料基本上仍保持其原来的物理和化学性能，彼此之间有明显的界限。复合材料可以设计成特定的刚度、强度和密度。通常来讲，复合材料由基体材料和增强材料组成。基体和纤维材料可以是金属、陶瓷或者聚合物。目前，用于飞机机体的复合材料主要为聚合物基碳纤维复合材料。纤维增强复合材料与常用复合材料最明显的区别在于其“材料可设计性”，同时有以下优点：

（1）较高的比强度和比刚度；

（2）盐雾环境下耐腐蚀性较好；

（3）优良的疲劳性能；

（4）尺寸稳定；

（5）可以减少零件数量（相对于金属材料零件来讲）。

但是，复材对冲击损伤、吸湿性、闪电损伤比较敏感，研制维护成本相对较高，制造的分散性较大。

复合材料在飞机机体上的应用越来越广泛，由尺寸小、受力小的部件发展到在主要承力结构。当前的一些较先进的军用和民用飞机都大量采用了复合材料（如A380、B787等），大大提高了飞机的性能。复合材料在飞机上的使用量也成为飞机先进性的重要特征之一。图1为A380飞机复合材料的应用情况[1]。

图1 A380飞机复合材料应用情况

4 结语

纵观飞机结构及材料的发展史，到目前为止，铝合金依然是主体材料。合金钢虽然用量较少，仍有着不可替代的位置。随着材料技术、加工工艺的发展，钛合金及复合材料在飞机上的应用越来越广泛，用量也越来越大。

选材与飞机性能息息相关。作为飞机设计工程师，应密切关注新型材料的研发、工艺、应用等相关动态。只有这样，才能是实现飞机结构设计的不断进步。

【参考文献】

[1]崔德刚.浅谈民用大飞机结构技术的发展[J].航空学报，2008（3）：575.

[2]骞西昌.铝合金在运输机上的应用与发展[J].轻合金加工技术，2005（10）：7.

[3]牛春匀.实用飞机结构工程设计[M].北京：航空工业出版社，2008：131.

[责任编辑：汤静]