王勇

摘 要：大型民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋁鋰合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要重量輕，又要滿足靜強(qiáng)度和耐久性/疲勞損傷容限要求；既要滿足適航條例25部及相關(guān)咨詢通告的要求，又要考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、高出勤率和低維護(hù)成本的要求。本論文在參與C項(xiàng)目工作的基礎(chǔ)上，對鋁鋰合金材料機(jī)身工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用中所開展的一些材料性能工藝試驗(yàn)、組部件典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法等進(jìn)行了分析和總結(jié)，對國內(nèi)探索大型民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新材料的應(yīng)用做有益的嘗試。

關(guān)鍵詞：鋁鋰合金 工藝試驗(yàn) 疲勞損傷容限試驗(yàn)

中圖分類號：V25 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（b）-0002-02

現(xiàn)代民用飛機(jī)設(shè)計(jì)面臨的主要任務(wù)是以最小結(jié)構(gòu)重量保證飛機(jī)的完整性、經(jīng)濟(jì)性、安全性與可靠性。對飛機(jī)性能、安全性和經(jīng)濟(jì)性等日益增長的要求，促進(jìn)了很多新型材料的研究發(fā)展及應(yīng)用。航空工業(yè)對產(chǎn)品性能和重量指標(biāo)的要求，使得材料的發(fā)展也異常迅猛，確保與航空產(chǎn)品研制相互促進(jìn)，相互依賴。飛機(jī)在運(yùn)營中暴露在各種不同環(huán)境。為確保飛機(jī)在運(yùn)行過程中不遭受破壞，設(shè)計(jì)出滿足性能要求的高效結(jié)構(gòu)，必須深入了解所用材料在不同載荷及環(huán)境下的行為，在材料選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度驗(yàn)證中使用具有統(tǒng)計(jì)有效的材料性能數(shù)據(jù)。

在競爭日益激烈的民用飛機(jī)市場里，客戶要求飛機(jī)具有較高的出勤率和較低的維護(hù)成本，同時(shí)又要保證飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，降低燃油消耗。隨著人們對出行安全的越來越高的要求，適航部門要求飛機(jī)在整個(gè)服役期內(nèi)能有應(yīng)對各種可能發(fā)生的情況，保證乘客及飛機(jī)安全。

1 新型鋁鋰合金技術(shù)優(yōu)勢

鋁鋰合金是近十年來航空金屬材料中發(fā)展最為迅速的一個(gè)領(lǐng)域，90年代后，進(jìn)入了三代鋁鋰合金的研究時(shí)代。在合金設(shè)計(jì)成分上，第三代鋁鋰合金降低了Li含量，而增加了Cu含量，并且添加一些新的合金元素Ag、Mn、Zn等；在性能水平上較以往鋁鋰合金有了較大幅度提高。新型鋁鋰合金主要產(chǎn)品形式為中厚板、薄板、擠壓型材等，規(guī)格種類相對較為單一，已經(jīng)獲得適航認(rèn)證在飛機(jī)上使用的牌號主要有美鋁2099、2199、2397和加鋁的2196、2198等，新型鋁鋰合金在機(jī)身的主要的應(yīng)用部位為機(jī)身蒙皮、長桁、框、地板梁、座椅滑軌、梁、腹板等。

根據(jù)資料顯示，美國、俄羅斯、法國和日本在航空航天領(lǐng)域均有使用鋁鋰合金的實(shí)例。法國Rafele軍用戰(zhàn)斗機(jī)，以及空客公司的A330、340和380等機(jī)型的機(jī)翼前后緣、座椅滑軌、地板梁、機(jī)身與機(jī)身蒙皮等結(jié)構(gòu)部件均使用了鋁鋰合金材料。A380-800飛機(jī)座艙橫梁采用了2196鋁合金鍛壓件。第三代鋁鋰合金相對于傳統(tǒng)鋁合金有著顯著的優(yōu)越性能，具體表現(xiàn)如下。

（1）鋁鋰合金在比剛度及比強(qiáng)度方面優(yōu)于傳統(tǒng)常規(guī)鋁合金結(jié)構(gòu)。

（2）鋁鋰合金的疲勞性優(yōu)越傳統(tǒng)鋁合金，提高疲勞許用應(yīng)力超過40%，可大面積減重。

（3）裂紋擴(kuò)展速率與傳統(tǒng)鋁合金相比降低25%以上，低的裂紋擴(kuò)展速率能有效降低重復(fù)檢查周期，降低維護(hù)成本。

（4）鋁鋰合金對疲勞裂紋的不敏感性能極大改善了結(jié)構(gòu)的廣布疲勞損傷能力，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的使用安全性，并能夠滿足適航規(guī)章中近乎苛刻的關(guān)于廣布疲勞損傷的相關(guān)要求。

在減重效果上，復(fù)合材料和鋁鋰合金相對于常規(guī)鋁合金都表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢；在制造工藝性方面，鋁鋰合金可以大量繼承常規(guī)鋁合金工藝技術(shù)，鋁鋰合金具有和復(fù)合材料相似的高維護(hù)間隔和高抗腐蝕性能，能較好的降低維護(hù)成本，在雷擊，電磁兼容方面應(yīng)用比較成熟，基于目前技術(shù)現(xiàn)狀，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較高的技術(shù)成熟度，以鋁鋰合金為基礎(chǔ)進(jìn)行飛機(jī)設(shè)計(jì)可以極大的降低飛機(jī)項(xiàng)目的實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。

2 龐巴迪C系列飛機(jī)新型鋁鋰合金的應(yīng)用

加拿大龐巴迪公司C系列飛機(jī)是專門針對90-149座級市場研發(fā)的110-130座的新型飛機(jī)，每種又分為標(biāo)準(zhǔn)型和增程型。

C系列飛機(jī)采用了民用飛機(jī)適用的與B787和A380同等級的先進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和新材料，材料的使用與B78對比。龐巴迪C系列飛機(jī)采用新材料帶來的高服役壽命及低維護(hù)成本已成為吸引市場的一大賣點(diǎn)，得到廣大運(yùn)營公司的青睞。

在大型民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋁鋰合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要重量輕，又要滿足靜強(qiáng)度和耐久性/疲勞損傷容限要求；既要滿足適航條例25部及相關(guān)咨詢通告的要求；又要考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、高出勤率和低維護(hù)成本的要求.根據(jù)25.571適航條例規(guī)定，C系列鋁鋰合金機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有如下要求。

（1）新設(shè)計(jì)的鋁鋰合金結(jié)構(gòu)在重量、靜強(qiáng)度等方面優(yōu)于傳統(tǒng)常規(guī)鋁合金結(jié)構(gòu)。

（2）裂紋形成壽命高于常規(guī)鋁合金機(jī)身結(jié)構(gòu)形式。

（3）建立滿足兩跨裂紋剩余強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

（4）鋁鋰合金機(jī)身結(jié)構(gòu)廣布損傷設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：確定延緩廣布疲勞損傷出現(xiàn)的構(gòu)形方案，要保證滿足剩余強(qiáng)度要求。

2.1 鋁鋰合金材料性能及工藝試驗(yàn)

Al-Li合金具有低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度、高模量、優(yōu)良的低溫性能、良好的耐腐蝕性能和卓越的超塑性成形性能，是當(dāng)今民用航空金屬材料應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展方向，為了給工程設(shè)計(jì)可行性提供依據(jù)，同時(shí)也為制造部門提供合適的加工工藝參數(shù)，在鋁鋰合金新材料的應(yīng)用上進(jìn)行了大量的材料性能試驗(yàn)以及工藝試驗(yàn)。

拉彎成形需要借助塑性力學(xué)分析手段，對非對稱型材彎曲過程中拉彎失穩(wěn)問題進(jìn)行研究，分析非對稱型材彎曲時(shí)出現(xiàn)分散性失穩(wěn)和集中性失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)變強(qiáng)度?！癈”型2196型材拉彎成形工藝試驗(yàn)?zāi)康氖窃诘湫蜔崽幚頎顟B(tài)下，評估鋁鋰合金型材的拉彎成形性能，確定拉彎參數(shù)。

軋壓成形工藝是板材在彎曲模具中經(jīng)多個(gè)軋輥的共同作用而成型。在軋制工藝過程中，軋制后材料的晶粒塑形流變使型材中幾乎沒有成形加工中的內(nèi)應(yīng)力存在，因此也避免了型材的彈性回彈。傳統(tǒng)鋁合金，彎曲軸與晶粒方向垂直時(shí)，成形性較好，而對于鋁鋰合金，當(dāng)彎曲軸與晶粒方向平行時(shí)，成形性較好。板材2198在T3狀態(tài)下無裂紋時(shí)在室溫條件下能承受180度的彎曲。endprint

2198板材在T3或T3S狀態(tài)下成形性能最好，因此，通常情況下拉彎成形在此狀態(tài)下進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱嗽u估相應(yīng)材料厚度和熱處理狀態(tài)下可成形性。對于傳統(tǒng)鋁合金，拉彎方向與晶粒方向平行時(shí)可成型性最好，而鋁鋰合金是拉彎方向與晶粒方向垂直時(shí)可成型性最好。

2.2 鋁鋰合金機(jī)身結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

民用飛機(jī)機(jī)身是典型的薄壁結(jié)構(gòu)，主要由蒙皮、框、長桁、地板梁與支撐件組成，通過緊固件、連接角片連接在一起。機(jī)身蒙皮在內(nèi)部增壓作用下呈現(xiàn)雙向受拉載荷狀態(tài)，內(nèi)部增壓載荷與機(jī)身總體彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切載荷疊加后，在機(jī)身壁板上形成拉彎-剪切或壓縮-剪切的復(fù)合載荷狀態(tài)，受力形式相對復(fù)雜。為了保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在新材料應(yīng)用及新構(gòu)型設(shè)計(jì)上可靠性及安全性，對C系列飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)開展了系列完整性綜合試驗(yàn)驗(yàn)證。SACC全程參與了其中的機(jī)身典型桶段試驗(yàn)、蒙皮縱環(huán)向連接試驗(yàn)、地板梁試驗(yàn)、蒙皮壁板剪切試驗(yàn)、座椅滑軌試驗(yàn)等。

機(jī)身桶段結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式取自C系列前機(jī)身為參考樣本，幾何尺寸及曲率均相同，各結(jié)構(gòu)通過鉚接裝配成桶段，絕大部分機(jī)體結(jié)構(gòu)由鋁鋰合金及新一代鋁合金組成，常規(guī)鋁合金只占很少一部分。桶段試驗(yàn)作為C系列項(xiàng)目研發(fā)性試驗(yàn)，主要用來研究機(jī)身桶段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念，典型結(jié)構(gòu)的分析方法，維修方案以及應(yīng)用新一代鋁鋰合金材料后其性能的改進(jìn)。驗(yàn)證如下細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及承載能力：

（1）浮框、機(jī)加框及其框?qū)臃桨浮?/p>

（2）框與地板連接方案。

（3）地板橫縱梁的連接及立柱與框的連接。

（4）蒙皮縱向及環(huán)向連接。

通過靜力載荷測量、疲勞試驗(yàn)、裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)及剩余強(qiáng)度試驗(yàn)等，確定機(jī)身壁板設(shè)計(jì)參數(shù)，考核典型部位疲勞和裂紋擴(kuò)展特性，并對耐久性及損傷容限設(shè)計(jì)分析方法進(jìn)行驗(yàn)證。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明鋁鋰合金裂紋擴(kuò)展壽命為常規(guī)鋁合金的2倍以上，同時(shí)失穩(wěn)點(diǎn)位置也大大高于常規(guī)鋁合金。通過對比分析表明鋁鋰合金材料性能有較好的穩(wěn)定性，采用鋁鋰合金可以大大提高結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展壽命，增長飛機(jī)服役中的維修檢查時(shí)間間隔，提高結(jié)構(gòu)安全性，降低維護(hù)成本。

蒙皮壁板環(huán)向連接試驗(yàn)作為桶段試驗(yàn)件的補(bǔ)充試驗(yàn)，連接參考位置選擇在機(jī)身載荷比較嚴(yán)重的后機(jī)身頂部長桁蒙皮連接位置，分別進(jìn)行疲勞試驗(yàn)和損傷容限試驗(yàn)，試驗(yàn)件所用材料與上機(jī)材料基本保持一致，蒙皮、長桁、框及帶板等主要結(jié)構(gòu)均為鋁鋰合金。疲勞耐久性試驗(yàn)在進(jìn)行中，按照試驗(yàn)要求進(jìn)行了一系列的檢查，并未發(fā)現(xiàn)任何裂紋，滿足兩倍經(jīng)濟(jì)壽命要求。在對接區(qū)域拆毀檢查未發(fā)現(xiàn)其他裂紋，滿足剩余強(qiáng)度要求。

蒙皮縱向連接試驗(yàn)件采用上搭下的搭接方式進(jìn)行連接，縱向連接試驗(yàn)件材料信息與環(huán)向連接試驗(yàn)件基本一致，蒙皮、長桁、框等主要結(jié)構(gòu)均為鋁鋰合金。試驗(yàn)包含兩個(gè)構(gòu)型相同的試驗(yàn)件，分別用于耐久性試驗(yàn)和損傷容限試驗(yàn)。

通過一系列靜力、疲勞和損傷容限試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果的對比分析，可以看出鋁鋰合金相對于傳統(tǒng)鋁合金具有高的彈性模量，靜強(qiáng)度性能，低的疲勞敏感性，低的裂紋擴(kuò)展速率和較好的剩余強(qiáng)度性能；同時(shí)材料方又確認(rèn)鋁鋰合金材料具有低密度和高的抗腐蝕性能。因此，鋁鋰合金替代傳統(tǒng)鋁合金在民用飛機(jī)機(jī)體上有著廣泛的應(yīng)用空間，可以同時(shí)達(dá)到減重，降低維修成本，高的性能的效果。

3 鋁鋰合金應(yīng)用展望

鋁鋰合金作為一種新型低密度、高強(qiáng)度、高模量鋁合金材料，將是21世紀(jì)航空航天領(lǐng)域與復(fù)合材料競爭的首選。隨著合金技術(shù)的不斷發(fā)展，低各向異性、高強(qiáng)可焊性等性能，將是新一代鋁理合金發(fā)展的思路。但是由于鋁鋰合金為新一代材料，性能尚未為我們完全掌握，靜力試驗(yàn)中材料破壞一般在纖維45°偏角方向破壞，在剩余強(qiáng)度試驗(yàn)中也存在著裂紋最終失效和預(yù)期不一致的情況，同時(shí)材料的疲勞性能受熱處理影響比較嚴(yán)重。因此，我們需要在鋁鋰合金應(yīng)用方面要更加謹(jǐn)慎。

新材料與新技術(shù)的革新給未來民用航空業(yè)帶來機(jī)遇、挑戰(zhàn)，也帶來風(fēng)險(xiǎn)。在看到新技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也要了解它會帶來些什么問題，盡量避免全新設(shè)計(jì)。對于新技術(shù)、新材料、新工藝的引進(jìn)還需要持積極、慎重的態(tài)度，應(yīng)該在經(jīng)濟(jì)成本、研制周期、環(huán)保等方面進(jìn)行論證，并嚴(yán)格應(yīng)按適航規(guī)定的適航條款進(jìn)行驗(yàn)證及確認(rèn)，充分表明是可靠安全的。

參考文獻(xiàn)

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