淺談飛機機體結構的選材

趙愛瑩

【摘 要】本文主要從飛機的選材原則、典型結構、常見材料三個方面介紹了飛機機體結構的選材，對飛機結構設計有一定的參考價值。

【關鍵詞】飛機機體；選材；結構

0 引言

航空技術的進步與航空材料的發展有著密切的關系。一方面航空技術的進步，對航空材料提出新的要求，從而推動航空材料的發展；另一方面，航空材料的發展又為航空技術的進步提供基礎與支持。

飛機材料的選擇，一方面應滿足飛機的性能參數，另一方面取決于預算成本，同時還受各種實際設計狀態所限制。目前，飛機機體材料主要有鋁合金、不銹鋼、鈦合金、復合材料、鋁鋰合金等。本文對機體典型部件的受力特點、機體常用材料的特性進行介紹，旨在對飛機機體選材做一個綜合性的介紹，對飛機機體選材有一定的指導意義。

1 飛機的選材原則

飛機材料首先是根據飛機獨特的性能要求及預算確定的。根據性能，飛機大致可以劃分為四類：輕型飛機、商務機、民用飛機、軍機。

1）輕型飛機：一般只求成本最低，對材料性能沒有特殊要求。典型材料一般為不銹鋼和鋁合金。

2）商務機：關鍵在于材料性能，材料成本不是主要關心因素，因而碳纖維復合材料常常被應用于該類飛機。

3）民用飛機：這類飛機要求有最小的重量和最低的成本，因此，典型材料包括鋁合金和復合材料。

4）軍機：對飛行性能要求較高，故材料的性能很關鍵，預算也很高，這類飛機用復合材料等新型材料較多。

因為民用飛機最為常見，故本文主要針對民用飛機的選材展開討論。

通常，材料的選擇需要綜合考慮各種因素，經過折中確定最后結果。從材料本身考慮，主要是機械性能、化學特性、溫度特性，從其他設計要求考慮還應包括重量、剛度、強度、疲勞特性，抗腐蝕特性和成本等。

2 典型飛機結構受載特點

典型的機體結構包括以下幾大部分：上下壁板、機身、梁、框、肋、起落架、控制面。機體結構需能承受相應的載荷，提供氣動外形，同時還需保護乘客，安裝設備，并能提供有效載荷。上述部件的受力特點，工作環境不同，因此對材料的要求也就不同。

1）機翼

機翼是飛機的主要升力面，承受最復雜和最高水平的應力。根據機翼受載特點，上下壁板承受的載荷大不相同。在飛行過程中，機翼向上彎曲，因此上壁板被壓縮，下壁板被拉伸。為了承受相關載荷，同時為了減重，上下壁板需要選用高的比剛度和比屈服強度的材料，同時該材料還應有良好的抗應力腐蝕的性能。下壁板由于承受拉力，所用材料還需要有好的疲勞性能和較低的疲勞裂紋擴展速率。

2）機身

機身承受有效載荷，拉伸、壓縮、彎曲、扭轉載荷以及座艙壓力等主要載荷。所有這些載荷都是在拉伸狀態下施加在機身上。因此，為了降低結構重量，需要選用高的比剛度，比強度的材料。同時，所選材料還需有好的抗腐蝕能力。由于機身承受拉力，機身材料需有較高的疲勞強度和較低的疲勞裂紋擴展速率。

3）梁、框和肋

這些部件均位于蒙皮下面，用于分配載荷，維持氣動外形，同時增加結構的屈曲強度。因為這些部件均承受彎曲，因此對材料性能的要求同上下壁板。

4）起落架

起落架承受較高的靜態載荷和循環載荷。因此，選用材料需有較高的剛度和強度，同時需要有可接受的抗應力腐蝕、抗疲勞性能和抗斷裂能力。對于現代飛機，由于載荷日益增大而存放起落架的空間日益減小，因此對起落架的體積有一定要求。

5）控制面

主要有方向舵、升降舵、擾流板、副翼、襟翼。通常，該類部件受載不大，為滿足氣動需求，按剛度設計。該受力特點也就決定了該類部件可大量采用復合材料設計。

3 常用機體材料的特點

近20年來，現代航空材料取得了重大發展，表1給出飛機用結構材料的發展趨勢[1]。從圖中可以看出，現役飛機仍以鋁合金為主但用量逐漸減少，鋼用量趨于減少，鈦合金用量顯著增加，樹脂基復合材料的應用突飛猛進，已用在了非暴露的主要受力件上。

本文將以現代飛機中最重要的鋁合金、鈦合金、不銹鋼和復合材料等四大類結構材料為例，淺談這些材料的特性及其在飛機機體上的應用。

1）鋁合金

鋁合金的密度低，雖然它的拉伸性能沒有鋼好，但比強度、比剛度高，所以減重效果明顯。同時，它還有良好的導熱、導電特性，以及優良的抗氧化、抗腐蝕性能。到目前為止，鋁合金依然是民用飛機的主要機體材料。

飛機上一般常用鋁合金主要有以下三種。

（1）2xxx 系列鋁合金

2xxx系列鋁合金里面加入了1.9～6.8%的銅元素，另外，一般還含有錳、鎂、和鋅。這類合金有較低的裂紋擴展速度和較好的耐疲勞性能。常見該系列鋁合金為2024、2224和2324。該類合金一般用99.34%的鋁做成包鋁合金，這樣就能提高抗腐蝕性。

（2）7xxx

Al-Zn-Mg體系的鋁合金時效硬化性能較好，加入銅是為了改善斷裂韌性，當然這是有代價的——降低了可焊接性。斷裂韌性是7xxx系列鋁合金的最大局限，隨著Zn/Mg比值的增加而降低。。其常見的合金為7075、7079、7150和7178。所有這些合金均為T7狀態，因為該狀態下的合金有較好的抗剝離腐蝕裂紋和抗應力腐蝕裂紋的能力。

主要民用飛機上常用鋁合金應用情況見表2[2]。

（3）Al-LI

鋁鋰合金具有密度低、彈性模量高、比強度和比剛度高、疲勞性能好、耐腐蝕性及焊接性能好、耐高溫和超低溫等一系列優點。用其代替高強度鋁合金可減重10%～20%，而剛度卻可以提高15%～20%。因此，作為一種輕量化結構材料，很受飛機設計者的青睞。但是，由于其成本比普通鋁合金高、室溫塑性差、屈強比高、各向異性明顯、冷加工容易開裂等缺點，限制了其在飛機上的的應用，一般只應用于次承力結構件。但隨著鋁鋰合金的研制，其性能逐步得到完善與提高，在飛機上的應用越來越廣泛，越來越成熟。鋁鋰合金被認為是21 世紀航空航天工業最具競爭力的輕質高強結構材料之一。

2）鈦合金

鈦合金強度和疲勞性能好于鋁和鋼，耐腐蝕性好?；谏鲜鎏攸c，故能減小體積，就可以用于空間要求嚴格的地方，比如起落架、懸掛點。鈦合金還能用于溫度對于鋁合金過高的區域，比如用作防火隔板，將發動機與其他結構隔開。鈦合金的最大局限在于密度比鋁高，成本較高。

飛機上常用的鈦合金為Ti-6Al-4V和Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si[3]。

3）合金鋼

跟鈦合金相似，合金鋼也擁有比鋁合金更高的強度和剛度，因此可以用于體積要求嚴格的地方，例如起落架、懸掛點、齒輪和軸承。用于所需的拉伸強度超出鈦合金拉伸強度范圍的地方。高密度是合金鋼的局限。通常最常見的合金鋼為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼和高強度低合金不銹鋼。

4）復合材料

復合材料由兩種或多種材料組成。各組分材料基本上仍保持其原來的物理和化學性能，彼此之間有明顯的界限。復合材料可以設計成特定的剛度、強度和密度。通常來講，復合材料由基體材料和增強材料組成。基體和纖維材料可以是金屬、陶瓷或者聚合物。目前，用于飛機機體的復合材料主要為聚合物基碳纖維復合材料。纖維增強復合材料與常用復合材料最明顯的區別在于其“材料可設計性”，同時有以下優點：

（1）較高的比強度和比剛度；

（2）鹽霧環境下耐腐蝕性較好；

（3）優良的疲勞性能；

（4）尺寸穩定；

（5）可以減少零件數量（相對于金屬材料零件來講）。

但是，復材對沖擊損傷、吸濕性、閃電損傷比較敏感，研制維護成本相對較高，制造的分散性較大。

復合材料在飛機機體上的應用越來越廣泛，由尺寸小、受力小的部件發展到在主要承力結構。當前的一些較先進的軍用和民用飛機都大量采用了復合材料（如A380、B787等），大大提高了飛機的性能。復合材料在飛機上的使用量也成為飛機先進性的重要特征之一。圖1為A380飛機復合材料的應用情況[1]。

圖1 A380飛機復合材料應用情況

4 結語

縱觀飛機結構及材料的發展史，到目前為止，鋁合金依然是主體材料。合金鋼雖然用量較少，仍有著不可替代的位置。隨著材料技術、加工工藝的發展，鈦合金及復合材料在飛機上的應用越來越廣泛，用量也越來越大。

選材與飛機性能息息相關。作為飛機設計工程師，應密切關注新型材料的研發、工藝、應用等相關動態。只有這樣，才能是實現飛機結構設計的不斷進步。

【參考文獻】

[1]崔德剛.淺談民用大飛機結構技術的發展[J].航空學報，2008（3）：575.

[2]騫西昌.鋁合金在運輸機上的應用與發展[J].輕合金加工技術，2005（10）：7.

[3]牛春勻.實用飛機結構工程設計[M].北京：航空工業出版社，2008：131.

[責任編輯：湯靜]