先进结构技术在民机机身结构上的应用前景

邓蓉

【摘 要】本文就国内外机身结构上新型铝合金材料的应用，金属胶接连接结构以及复合材料三种新技术的应用前景进行了分析，为国内民用飞机机身结构的研制提供一定的参考。

【关键词】机身结构；铝锂合金；金属胶接；复合材料

20世纪以来，民用飞机机体结构的研制水平取得了飞跃性的发展，随着新技术、新材料和新工艺的应用，民用飞机的经济性、舒适性得到了极大的提升。对于民用飞机机身结构，国外研制的民机在新型铝合金材料的应用、金属胶接连接以及复合材料在机身主承力结构上大面积应用方面取得巨大的进展。本文就以上新技术在机身主结构上的应用前景进行分析和论证，为国内民用飞机机身结构的研制提供一定的参考。

1 新型铝合金材料在机身结构上的应用

金属结构飞机机体经过多年的发展已经十分成熟，铝合金在飞机机体材料方面一直处于主导地位。2024和7075铝合金是广泛应用于飞机机体结构的两种铝合金。2024是Al-Cu-Mg系铝合金，具有优良的压力加工和机械加工性能，疲劳强度性能好，该合金薄板、厚板和型材已广泛地用于制造飞机的蒙皮等主要承力件；7075是Al -Zn-Mg-Cu系铝合金，该合金强度高，抗应力腐蚀性能好，广泛应用于制造飞机的长桁、隔框等结构件。

能源危机的爆发以来，飞机结构轻量化以及复合材料的兴起给传统铝合金带来新的挑战，低密度、比强度高得新型铝合金材料的应用变得十分迫切。铝锂合金具有低密度、高比刚度、高比强度、卓越的超塑成形性能和良好的耐腐蚀性能，用它取代常规铝合金，能使构件减重10%～15%，刚度增加15%～20%。国外已认证或在飞机上使用的铝锂合金产品牌号主要有美铝的2099、2199和加铝2196、2098、2198等，主要应用于机身蒙皮、长桁以及框、梁等。空客的A330、A340以及A380等机型的机身蒙皮、座椅滑轨和地板梁等都使用了铝锂合金。庞巴迪C系列机身蒙皮、长桁等也大量采用铝锂合金。

铝锂合金在国外飞机结构设计中应用广泛，而我国的铝锂合金还处在小批量研制阶段，目前为止，仅在部分军机的普通框缘钣金结构上有少量的应用。铝锂合金的价格较常规铝合金高，塑性和断裂韧性一般。因此，铝锂合金在国内大型客机上的应用也受到了一定的限制。目前我们要做的主要工作就是从制造工艺方面改进铝锂合金的性能，降低其制造成本，只有这样才能够将铝锂合金大规模地应用到国内客机的研制中去。

2 金属胶接技术机身结构上的应用

自航空工业诞生以来，金属胶接技术就应用于各类飞机结构的制造，现代飞机已离不开金属胶接结构件。用胶接代替铆接可使重量减轻25%，成本下降约20%。由于胶接是面连接，能避免机械连接的应力集中，大大改善结构的抗疲劳性能和结构表面的气动特性。而且胶接结构能够显著提高结构的寿命，根据F50支线客机的实际运营数据，最初按60000飞行起落设计的机身胶接壁板最终寿命超过了90000飞行起落。目前，胶接制件的数量已成为衡量民用客机制造水平高低的标准之一。

英国在1946年采用金属胶接技术制造了世界上第一架有铝合金胶接结构的鸽子号支线客机，随后美国生产的L-1011飞机的增压客舱全部采用了大型的胶接整体壁板。空客A330、A380、A350XWB客机金属胶接的应用部位主要为机身前中段及后中段的上壁板。波音B737、B757、B767客机也都采用了大量的胶接结构。

近几年国内在金属胶接技术方面取得了一些进展，如MA60、MA600飞机装饰隔板、登机梯踏板；ARJ飞机的扰流板、襟翼舱壁板等一些次受力构件上应用比较广泛，但在机身壁板等主承力结构件方面缺乏经验。为了降低技术风险，我们在努力提高国内金属胶接技术的同时，需与国外具有胶接结构适航取证经验和实际运营经验的供应商合作。比如说荷兰的福克公司，该公司是较早从事金属胶接技术研究与应用的企业，在金属胶接结构计算分析、试验、制造及适航等方面都建立了完善的配套体系。更为重要的是，其设计的采用金属胶接主承力结构件的飞机具有适航取证和航线营运的成功经验，如福克F50、空客A330/A340/A380、湾流G650公务机等。

就制造技术而言，目前金属胶接制造技术的发展方向主要有以下方面：不断完善提高胶接质量品质，提高胶接质量无损检测的精确化；全面采用计算机辅助技术，提高胶接工艺的机械化、自动化程度；开拓和发展新材料的胶接技术，比如钛合金、铝锂合金等。

3 复合材料机身结构

先进复合材料是20世纪60年代后期崛起的一种新型材料，具有比强度、比刚度高、耐介质腐蚀性好以及疲劳特性好等优点。目前民用飞机复合材料的应用比例显著增加，尤其是从波音787和空客A350的研制开始，复合材料在民用运输机上的应用从次级结构和尾翼部件向机身机翼主结构扩展的趋势愈发明显。波音787机体的主要结构几乎均由复合材料制成，各机身段单独由复合材料缠绕后共固化而成。空客A350 机身由4 块复合材料壁板组成，机身框由铝合金制成，其复合材料用量达到了52%。由于复合材料结构比铝合金结构有更好的抗疲劳和腐蚀特性，有利于提高客舱的压力和湿度，给旅客提供更加舒适的空中旅行享受。复合材料机身结构的飞机总重量也明显减小，制造成本大大降低。

我国民用飞机型号发展较慢，以前设计的民用飞机如运七、运八、等很少采用复合材料，近年来，国内复合材料在飞机结构的应用研究方面取得了很大的进步，由于缺乏复合材料结构损伤容限设计技术的应用经验，导致复合材料设计分析技术效率偏低，材料利用率不高。同时，复合材料结构的性能优势仅在拉伸和疲劳强度方面，它的耐压性能还不能确定。所以，为减少研制风险，复合材料机身主结构上的应用以限制在壁板级别的组件为宜，待取得成功经验后再逐步实现由组件级别向部件级别的扩展。

综上所述，以上三种不同的机身结构都有各自的优缺点，在研制新型民用飞机时机身应该使用何种技术和材料还需考虑当下的实际情况，比如说国内技术的可行性、制造和维修成本、适航验证等等，这就需要我们进一步的研究与讨论最后得出各方面都可行的方案。

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[责任编辑：杨玉洁]