ARA LL层板在某型飞机结构上的应用

李正晖 高丽红 贺 辉 张 喆

（第一飞机设计研究院，陕西 西安 710089）

ARA LL层板在某型飞机结构上的应用

李正晖 高丽红 贺 辉 张 喆

（第一飞机设计研究院，陕西 西安 710089）

某型飞机方向舵中段壁板上使用了ARALL层板代替传统铝合金板材，通过对ARALL层板的设计以及力学性能试验，验证了ARALL层板设计达到了研制要求，解决了某型飞机方向舵中段壁板钉孔振动疲劳裂纹及铆钉松动等问题。

ARALL层板；飞机结构；应用

ARALL层板是世界上第一种商品化生产的纤维增强金属基层板（FML），由荷兰DELFT工业大学为NASA的航天飞机计划而研制开发，1982年研制成功，被誉为未来飞机结构最有潜力的材料之一。它由芳纶纤维/环氧树脂层与铝合金薄板交替铺层组成，结合了两者的优点，具有非常优异的耐疲劳性能和损伤容限性能。

ARALL层板一般是由厚度约0.3mm的经表面处理并涂底胶的铝合金板和厚度约0.2mm的芳纶纤维预浸料交替铺层，经加温加压固化而成的层压板材料，根据不同用途，可以设计制造出不同厚度的层压板。ARALL层板的结构见图1。这种材料结合了铝合金和纤维/树脂基复合材料的优点，克服了各自的缺点，具有密度小、强度高、耐环境、防雷击、疲劳性能及破损安全性好、阻尼特性好及加工简便等特点。此材料已在荷兰Fokker公司的F-27,F-50机翼下面板，美国波音公司 C-17货舱门上得到了成功的应用，获得了减重23%～33%，疲劳寿命提高3倍以上的效果；德国空中客车公司（DAA）把这种材料用于A330/A340机身桶段拱顶，波音公司也将用于B-757客舱地板，符合美国宇航标准ASM 4254-1996《ARALL层板材料规范》，是航空航天用新型结构材料。

1 ARALL层板的主要特点

ARALL层板是在薄铝合金胶接层板的基础上发展起来的，由于在胶层中引入了规则排列的高强度高模量的纤维，大大提高了层板在纤维方向的极限强度和抗疲劳裂纹扩展能力，具备如下的优点。

● 比强度高。由于纤维的增强作用和层板的密度较小，ARALL在纤维方向的极限强度值远大于相应的铝合金，但断裂延伸率比铝合金的低；

● 疲劳性能好。当铝合金一旦产生疲劳裂纹时，裂纹的扩展受到裂纹尖端完好纤维的止裂作用，纤维的这种“桥接”作用使层板具有优异的疲劳性能，特别是经预拉伸的层板，裂纹扩展速率将会因受阻而减慢，具有自行阻止裂纹扩展的能力；

● 损伤容限好。由于纤维对疲劳裂纹的抑制作用，加上胶粘剂层使应力分散，松弛和转移，以及无裂纹的板有效地阻止裂纹板中的裂纹扩展，使得纤维铝合金胶接层板具有很好的损伤容限，即使有几个毫米长的疲劳裂纹仍可安全工作；

● 耐环境性好。由于外层铝合金的保护作用，ARALL层板具有比纤维树脂基复合材料更好的耐潮湿环境性能；

● 抗雷击性好。层板的表面均为铝合金，导电性好，具有抗雷击的能力，并有减轻整体油箱重量的潜力；

式中，W维数为n×s，θ1为阈值，维数为s×1；f1（I1）为隐含层的传递函数，常用Sigmoid函数。

● 阻尼性能好。在1Hz～1 000Hz范围内ARALL层板的声阻性能比整体铝板高2.3倍；

● 成形加工性好。具有相似铝合金的成型加工特性，可以铣、切、磨、钻，可钻磨头孔，进行铆接或螺栓连接，也可以进行二次胶接（含表面处理和加温固化）。采用合适工艺，可制成弯曲半径仅几个毫米的加强件。

但由于芳纶纤维与胶粘剂之间的界面结合差，导致ARALL的剥离强度较低，对缺口（纤维切断）或冲击敏感，相对于铝合金来说，机械加工较为困难，且无法成型形状复杂的制件；同时价格高昂，国内售价达到8 000元/kg左右，从而限制了其应用与发展。

2 ARALL层板的耐疲劳机理

ARALL结构上的特点决定了它具有优异的疲劳性能，在循环应力作用下，ARALL外层的铝合金薄板产生微裂纹，芳纶纤维在裂纹之间搭桥，从而降低裂纹尖端的应力集中，避免了裂纹的扩展，阻止裂纹情况见图2。

ARALL层板的疲劳性能远远高于铝合金板材，两者疲劳性能的对比见图3。

3 ARALL层板在飞机结构上的应用研究

某型飞机方向舵中段壁板原使用LY12铝合金板材，在飞行100h～200h后，由于剧烈振动经常会产生疲劳裂纹并出现铆钉松动现象，严重影响飞行安全。图4为方向舵简图。将壁板材料更换为耐疲劳性能好的材料是解决此问题较为安全及快捷的方法。

综合考虑，为提高此部位的疲劳强度，彻底解决疲劳裂纹及铆钉松动问题，同时减轻结构重量，方向舵中段蒙皮壁板采用耐疲劳性能优异的国产ARALL代替铝合金，需对研制的ARALL进行应用研究，确保其质量稳定可靠，满足设计要求。

3.1 ARALL层板设计

根据国外研究成果发现，ARALL中铝板的厚度在0.3mm以下时疲劳性能最好（见图5），选择较薄的铝合金薄板还可以降低材料密度。因此，选择了使用0.254mm厚2024-T3铝合金薄板（符合HB 5471-1991《2024铝合金预拉伸板》）作为金属层的ARALL，其总厚度为1.3mm，与原用1.2mm厚LY12-CZ铝合金板厚度接近。

ARALL由3层2024-T3铝合金薄板和2层kevlar49芳纶/树脂层组成，密度为2.2g/cm3（采用0.3mm厚铝合金薄板的材料密度为2.33g/cm3），粘接剂选用SY-14C，符合法宇航AIR 4108-1992《结构胶粘剂》的鉴定要求，结构和组成与国外的ARALL-2层板相近。因为方向舵中段蒙皮壁板受力方向单一，因此选择单向芳纶纤维沿飞机航向铺层。由于芳纶纤维和铝合金的热膨胀系数差异较大（芳纶纤维为-2×10-6K-1，铝合金为23.2×10-6K-1），ARALL固化后芳纶纤维会受到压缩应力，对疲劳性能产生不利的影响，因此，对固化后的层板施加预应力或使其产生预应变可以使芳纶纤维受到拉伸应力，从而进一步提高疲劳性能。对于大尺寸层板使用预应力法调整残余应力比较困难，通过对层板进行0.5%的预应变来调整残余应力。预应变和疲劳性能的关系见图6。

3.2 ARALL层板力学性能研究

对ARALL层板进行力学性能验证试验，从而评估该材料的力学性能是否达到研制要求，并获取材料力学性能数据，以供结构设计及强度计算使用。

力学试验项目确定如下：

● 通过测试拉伸、压缩、弯曲、剪切性能考察其常规性能；

● 通过浮滚剥离性能试验考察铝合金层和纤维/树脂层之间的粘接性能；

● 通过面内剪切试验考察工作区平面内承受剪切力的能力；

● 对于将在铆钉孔周围经常出现裂纹的部位使用的材料通过挤压试验考核层板销孔和销子结合处承受挤压应力的能力；

● 通过缺口拉伸试验考察耐损伤能力及裂纹敏感性、疲劳性能等；

● 通过湿热环境试验考察沿海湿热气候对材料性能的影响；

● 通过高温试验考察高速气流冲刷产生热量对材料性能的影响；

● 通过低温试验考察北方严寒气候对材料性能的影响。

ARALL的常温力学性能试验项目见表1，试验方法按GB/T 3354-1999《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》、GB/T 3856-2005《单项纤维增强塑料平板压缩性能试验方法》、HB 7617-1998《纤维增强金属基复合材料层板弯曲性能试验方法》、HB 7237-1995《复合材料层合板面内剪切试验方法》、GB/T 7122-1996《高强度胶粘剂剥离强度的测定浮滚法》，浮滚剥离试验装置与面内剪切试样破坏形式分别见图7与图8。

表1 ARALL环境条件下力学性能测试结果（典型值）

上述力学性能试验证明，ARALL的室温、高温、低温及湿热环境下的各种力学性能均满足设计要求，同时，绝大部分环境条件下的力学性能数据与室温条件下的力学性能数据相差不大，说明ARALL耐环境性能优异，对环境条件不敏感。与铝合金相比，ARALL的综合性能有所提高，其纵向性能大幅度提高，缺口拉伸性能也有相当大的改善。采用ARALL用于某型飞机方向舵中段蒙皮壁板，解决了钉孔振动疲劳裂纹及铆钉松动等问题，同时在一定程度上减轻了结构重量，单机减重0.78kg。

4 结论

ARALL层板具有优异的减震性能和

隔音性能，能够制成大型壁板结构，所需加强件少于铝合金薄板，特别适合疲劳及抗损伤性能要求高的部位。 随着纤维增强金属基层板生产规模的扩大，生产工艺方法及成型设备的进一步完善，影响纤维增强金属基层板扩大应用范围的成本问题将得到解决。而激光成形及加工等新技术的发展，将促使纤维增强金属基层板制件的加工及装配成本降低。以ARALL层板为代表的纤维增强金属基复合材料必将在航空领域发挥更大的作用。

[1] 陈绍杰，李萍，朱珊. 新型层板材料[J]. 航空制造工程，1991（5）.■

T-65

C

1003-6660（2017）03-0050-04

10.13237/j.cnki.asq.2017.03.012

[收修订稿日期] 2017-05-09

（编辑：雨晴）