A380机翼翼肋材料更改引发的思考

摘 要 复合材料越来越多地应用在民用飞机大展弦比机翼壁板和翼梁上，然而翼肋的材料面临着选择复合材料还是金属材料两难的境地。A380机翼初期采用复合材料翼肋。2012年后机翼翼肋更改为铝合金。文章首先对机翼主盒段翼肋的功能和载荷进行分析，然后对A380机翼翼肋材料更改过程进行详细介绍、对空客翼肋材料的选择趋势进行梳理、对翼肋选用复合材料进行理性的思考，最后形成初步结论，以便对复合材料机翼的翼肋选择材料起到借鉴作用。

关键词 复合材料；金属材料；机翼；翼肋；压缩载荷

中图分类号：V224 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）15-0149-02

A380飞机是空客研制的先进民用飞机。研制初期机翼主盒段翼肋采用复合材料，后来更改为铝合金。在A380之后研制的A400M和A350的机翼主盒段翼肋也均采用了金属材料。现代民机机翼壁板和翼梁普遍选用先进碳纤维复合材料的趋势下，翼肋选择金属材料还是复合材料值得思考和探索。

1 机翼翼肋的主要功能和载荷分析

机翼翼肋作为机翼盒段的主要构件具有如下功能。

1）支撑蒙皮维持气动外形并增强壁板的稳定性。

2）整体油箱内的半密封肋及普通肋能够减少燃油的晃动，密封端肋作为整体油箱的边界。

3）传递及分布气动力载荷和其他载荷。

4）集中肋为发动机吊挂、襟副翼滑轨、起落架接头等提供支撑，传递集中载荷。

5）为系统管路安装提供支撑。

机翼主盒段翼肋在起到各种功能的同时必然要承受相应的载荷。机翼主盒段翼肋主要承受下列载荷。

1）主要载荷—作用在翼肋上的主要载荷有外表面的空气动力，外部载荷主要是翼表面的空气动力，并将这些载荷传递给翼梁。

2）惯性载荷—燃油，结构，设备等。

3）压损载荷—外翼弯曲引起的对翼肋的压损载荷。

4）集中载荷—发动机短舱、起落架及襟副翼滑轨接头对翼梁和壁板的载荷，需要翼肋分配和传递。

5）与壁板之间的剪切载荷。

6）系统管路等引起的载荷。

2 A380机翼翼肋材料更改始末

2012年1月21日空客公司公开确认，“在有限数量的空中客车A380飞机上，一些连接机翼翼肋与蒙皮的非关键连接件（连接角片）发现细微裂纹。此连接件为T形托架”。为此，EASA于2012年1月20日发出适航指令（该适航指令的生效之日为2012年1月24日），要求已累计飞行超过1800个飞行循环（一个起飞和降落为一个飞行循环）的空中客车A380飞机在适航指令生效之日起4天或14个飞行循环之内针对此问题进行检查；已飞行超过1300个飞行循环但不足1800个飞行循环的A380飞机在六个星期或84个飞行循环之内进行检查。

空客于2012年5月份宣称找到了A380飞机机翼翼肋与蒙皮连接件出现细微裂纹问题的根本原因，正着手出台最终解决方案，以彻底解决这一问题。空客机型项目事务执行副总裁汤姆·威廉斯表示，裂纹产生原因与材料选择、零件在极端低温状态下的热力变形和安装过程中产生的应力作用等因素有关，最终解决方案包括针对已投入运营和已完成总装的A380机翼进行改装，针对新生产的A380飞机机翼采用新标准。

空客表示，用于改装的零件将在2013年第一季度生产出来，改装措施将保证飞机在生命周期内完全运营，不再需要大的检查和干预。这一措施还包括对复合材料翼肋腹板和肋的弯边角度的改变。改装措施目前已进入试验和分析阶段。

而对于新生产的飞机，2012年年底开始装配的机翼，其翼肋的设计将得到改变。所有的翼肋将采用7010铝合金，与空客其他飞机相似。从2014年初开始交付的飞机将采用这一标准。这一措施不会增加机翼重量，也不会对飞机性能产生影响。

3 空客机翼翼肋材料选择趋势

以往金属机翼以及复合材料机翼采用金属翼肋的飞机从未发生过A380类似的问题。早期A380机翼剪切角片出现裂纹主要原因有两个：首先，由于铝合金壁板与复合材料翼肋的热膨胀系数差别大，在温度循环下会产生附加的高应力。其次，在装配过程中复合材料翼肋与上下壁板的配合不如金属翼肋容易协调，很容易产生装配残余应力。因此，这些应力的叠加导致了部分连接角片在少数循环下出现微裂纹。

空客所有新生产的以及2012年底开始装配机翼的A380飞机将不再采用复合材料而改用7010铝合金，与空客其他飞机相似。这一决定说明A380采用复合材料翼肋是不成功的尝试。 在A380以后研制的A350和A400M飞机上翼肋也未再采用复合材料。

可见，空客公司对翼肋选用复合材料持有否定的倾向。

4 对机翼翼肋是否选用复合材料的思考

在机翼上考虑翼肋是否选用复合材料时，应全面地进行权衡分析，十分谨慎。

1）应分析所应用的部位。由于翼肋主要维持机翼气动外形，对于压缩载荷较大及承受集中载荷的翼肋，不宜考虑应用复合材料翼肋。低载区（如机翼翼稍附近、操纵面翼肋等）的普通肋可考虑采用复合材料翼肋。如A380机翼的操纵面翼肋采用了RTM制造技术的复合材料。

2）机翼翼肋为了防止腹板在压缩载荷下发生屈曲，一般采用纵横加筋。复合材料结构如采用纵横加筋的方案无疑会大幅度增加工艺复杂性。

3）民机研究经验表明，在技术成熟度不小于6级时，才可以考虑应用新材料、新工艺。对民用飞机大展弦比机翼来讲，通常翼肋数量20多个。在机翼装配过程中，数量众多的翼肋与上下壁板、前后翼梁之间的协调十分复杂。复合材料翼肋制造公差不易控制，使得机翼装配协调问题异常复杂。在装配技术成熟度尚不能保证产品质量时，不建议采用复合材料翼肋。

4）翼肋上通常需要预留系统通路。复合材料翼肋腹板开口造成纤维切断，纤维承载能力下降，一般通过对开口区补强恢复承剪能力，与未开口的腹板相比，减重潜力降低，未发挥复合材料减重优势。

5）由于复合材料电传导性能差，因此复合材料翼肋EMC（电磁兼容）效率较之金属翼肋降低。为此还需要额外的导电通路，即增加了不必要的结构重量，降低了复合材料的减重优势。

6）翼肋承受展向燃油晃动载荷的冲击，如果采用复合材料翼肋，则在翼肋腹板面的法向燃油冲击载荷会引起分层缺陷。分层缺陷是复合材料最致命的缺陷之一。

7）复合材料翼肋连接设计也十分复杂。多段翼肋的缘条与蒙皮分别连接，设计补偿多达数百个。翼肋腹板通过金属角片与长桁连接。翼肋前后端通过金属接头与前后梁连接。因此，在热塑性材料采购没有可靠渠道且在热塑性材料工艺应用技术取得突破前，仍建议采用金属连接件作为基线方案。因此，翼肋和翼肋连接件均采用金属结构作为基线方案成熟度较高。

8）考虑适航审定的要求，任何结构在应用复合材料时，最好根据AC20-107B积木式试验方法进行符合性证明。积木式试验的数量十分庞大、试验周期长。复合材料制件的工装、成本等也均大幅度提高，因此成本和进度的影响不容忽视。

5 结束语

从A380机翼翼肋由复合材料更改为金属材料这一更改过程可见，在机翼壁板、翼梁等大量选用复合材料的飞机上，选择复合材料翼肋仍需要十分谨慎。继A380之后研制的A400M和A350复合材料机翼主盒段翼肋也均选用金属材料，可见空客机翼选用金属翼肋已经成为一种趋势。B787复合材料机翼的翼肋也采用了金属材料。

不论经过试验验证还是来源于使用经验，空客和波音大型民用飞机机翼翼肋最终均选用金属材料。这一趋势对未来民用飞机类似机型大展弦比机翼的翼肋材料选择提供了一个可借鉴的方向。

参考文献

[1]陈绍杰.复合材料设计手册[M].北京：航空工业出版社，1990.

[2]沈真主编.复合材料结构设计手册[M].中国航空研究院航空工业出版社，2001.

[3]谢鸣九.复合材料连接[M].上海：上海交通大学出版社，2011.

[4]杨乃宾，梁伟编著.大飞机复合材料结构设计导论[M].北京：航空工业出版社，2009.

[5]益小苏，杜善义，张立同主编.复合材料手册[M].北京：化学工业出版社，2009.

[6]SAE_ARP_1870 Aerospace Systems Electrical Bonding and Grounding for Electromagnetic Compatibility and Safety[S].

[7]FAA AC20-107B Composite Aircraft Structure[S]. 2010.08.24.

[8]CCAR-25-R4运输类飞机适航标准[S].2011.

推荐访问:机翼 更改 引发 思考 材料