复合材料的抉择

技术分类: 工程材料    作者:Joseph Ogando  发表时间:2006-12-08
到25%,仅中心翼盒就要比相同的铝制机翼翼盒轻3吨。
  对于A380高负载部分使用的复合材料,这些冲击敏感材料易被地面设备损坏,因此在设计时应避免在可能被破坏的部位应用它们。Thevenin说:“复合材料带来了机遇,但是它本身也有局限。”

  GLARE前景
  GLARE是一种由铝和玻璃纤维层压形成的另一种完全不同的复合材料,A380中另外3%的材料就是由它构成的。这种叫做GLARE的金属纤维层压板由铝交互层和玻璃环氧树脂浸料组成。空中客车在A380上大约使用了5000平方英尺这种材料,主要用于机身上部外壳和尾翼的主边缘。GLARE的重量和一种标准铝片(2024 T3)相比,减轻了15%到30%,具体减轻量由GLARE层的类型和厚度决定。
  例如,空中客车用到两种GLARE:标准版本和高静力强度版本,且每种版本的GLARE还具备改变纤维方向的功能。Rabois说道:“我们改变纤维方向已适应具体的载荷情况。”因此,空中客车使用不同的纤维方向来适应环绕压力、轴载荷、双轴载荷和剪应力载荷。“GLARE看上去同金属一样,却能像

复合材料一样工作。”Rabois说,利用纤维方向可以使机械性能达到最优。
  从特性上来说,GLARE还有其他优点。据Rabois介绍,纤维层具有防止裂缝的扩张和抗腐蚀性。另外纤维层增强了抗高温性能,此时纤维起着保温层的作用。最后Rabois指出通过开辟第二个载荷途径,能够提升纤维冲击性能。
  此材料在设计灵活性方面也得到好评。“使用铝焊接技术,铆钉孔的放置和大小会受到疲软性能的限制,”Rabois指出,“GLARE对焊缝的放置没有任何限制。”另外,这种材料允许在材料接合层插入大的面板。空中客车的设计中插入了两个小面板并将其永久地接合起来。据Rabois所称,这种方法免去了大量的铆钉孔,也避免了与之相关的压力问题。他说:“面板的大小只受限于高压和运输设备的大小。”
  所有这些设计优势都不能以可修复性为代价。Rabois指出GLARE的修理几乎和铝一样,只是有一些较小的步骤不同——例如没有修整凹痕和使用碳化工具。
  然而使用任何的材料,总是需要权衡利弊。对GLARE而言,它在硬度上是有欠缺的。这种材料与铝片相比,弯曲系数低5到6个百分点。在个体结构中硬度影响还不大,但是它会把载荷转移到机身的其他部分。Rabois解释说:“当你降低了一个结构的承载系数,你实际上就给其他结构带来了负荷。”他继续说道,在A380上,机身上部结构系数较低,会把所有载荷中的一部分转移到了机身下部。
  接下来是成本问题。Rabois承认GLARE与标准的铝相比,价格上“略为昂贵”。但他也指出,从每千克重量所节约的成本来看,GLARE和高级铝合金的花费基本上是一样的。它还涉及到一些维护的成本,例如可以省去检查裂缝的环节,所以到头来这还是一笔不错的买卖。

  合适的复合材料
  增强型塑料、金属层压板元件和金属合金之间的竞争看起来很好解决。空中客车的工程师只需要使每种材料的机械和物理特性与机身不同部分所承受的载荷情况相匹配就可以了。虽然考虑A380的尺寸和复杂性当然会比较困难,但是空中客车在材料选择过程这方面还是够简单明了的。
  然而,不同材料间的竞争往往同结构紧密联系,且这些结构最初可以用不只一种材料建造。Rabois指出:“我们知道没有任何一种完美的材料对所有的结构适用。”拿机身举个例子,当考虑机械特性角度时,上部机壳和后机身可以由金属、GLARE或CFRP三种材料构成。同样的,三种材料也需要稍后进行修理。
  真正的决胜关键经常要归结到制造上。例如,先进的焊接技术的使用,对在一些结构上选择未知的金属材料和设计是有利的。空中客车只考虑在A380上使用复合结构,因为这样会使他们出于领先地位。Thevenin说道:“制造业推进了我们的设计,反之亦然。”
  他又补充道,特殊的复合材料会给人们提出一些特殊的挑战,因为他们的特性是由制造过程决定的。他说:“对于复合材料而言,制造零件的同时也是在制造材料。”
  空中客车让分包商制造一些合成零件,而把真正有挑战性的工作留给自己。位于法国南特市的复合材料中心的制造主管Christian Valade说:“我们集中精力制造最困难的零件。”其中“困难的”这个词在复合材料领域中是指大的、厚的以及那些几何结构复杂的零件。南特市的公司处理所有这些零件,包括A380巨大的中心翼盒以及用














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