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A350 XWB 改进:灵巧制造

时间:2019-09-12 16:50来源:航天科技
A350的前翼梁是长31.2m的结构件,是Spirit公司制造的最大的梁,也是Spirit公司制造的第一个全复合材料梁,该梁从翼根到翼尖由三部件组成,即7m长的内侧梁、12.7m长中梁和11.5m长的外侧梁

A350的前翼梁是长31.2m的结构件,是Spirit公司制造的最大的梁,也是Spirit公司制造的第一个全复合材料梁,该梁从翼根到翼尖由三部件组成,即7m长的内侧梁、12.7m长中梁和11.5m长的外侧梁。梁的制造是采用100层碳纤维增强塑料,从内侧梁根部的1.8m宽逐渐过渡到外侧梁翼尖的0.3m宽。

Advanced Materials and Technology for A380 Structure◎Jéróme Pora/A380项目结构副主任A380超大型客机是目前仅有的采用全机身长度双层客舱的4通道客机、能容纳555名乘客。本文简要介绍了A380机体结构所采用的先进材料和制造技术。生命周期长达40到50年的有竞争力的新飞机项目,要求结合新的制造技术,引进先进和新的材料,并随着飞机系列的发展进一步优化。所以,A380-800作为A380的发起机型,为其未来的发展建立了"技术平台"。新型和先进的金属材料A380的机体结构材料中,铝的分量最大,占了重量的61%。飞机性能的改进首先需要通过寻找先进的材料来降低机体重量,即采用高强度和/或高损伤容限、稳定和抗腐蚀性的新材料。所以A380的铝合金结构需要进一步改进,特别是机翼,铝占了其结构重量的80%。A380-800铝合金的主要进展有以下几点:●引进非常宽的板材做机身壁板,减少了连接点,从而减轻了重量。●由于有了新一代合金,驾驶舱横梁应用了铝锂合金挤压件,这使铝锂合金可能在该类应用中与碳纤维增强塑料竞争。●翼梁和翼肋选择了全新的7085合金,其非常厚的板材和非常大的锻造件使其优于传统的高强度合金。钛合金由于其高强度、低密度、高的损伤容限和抗腐蚀性能,在许多应用上代替了钢。但是,钛合金高昂的价格有时是限制其应用的因素之一。A380上钛的应用从原来飞机的5%~7%增加到10%,仅吊舱和起落架就增加了2%。空客公司首次在A380吊舱的主要结构上使用了全钛设计。在A380上使用的Ti-6A1-4V合金也经过β退火处理,以便提高断裂韧性和降低裂纹扩展速率。同时,A380也将是空客首次使用通过与俄罗斯生产商合作项目开发的新钛合金VST55531的飞机,该合金提供了异乎寻常的断口韧性和高强度。选择该种合金用于机翼和吊舱之间的连接装置。进一步的应用正在研究当中。A380复合材料应用图2显示了A380结构中主要的复合材料的应用。A380将是第一个有CFRP复合材料中央翼盒的大型商业飞机,这也意味着与应用最先进的铝合金相比,其重量减轻了1吨半。A380中央翼盒重约8.8t,其中5.3t是复合材料。这些复合部件可能达到45mm厚。而且,上舱地板横梁和后压力隔框也将由CRFP制成。第一个CRFP部件是采用挤拉工艺生产的,是将连续纤维增强塑料通过一套工具挤拉出来的。第二个部件由于形状不同,试验了不同技术,例如,树脂薄膜渗透法和自动化纤维铺放,最后选择了RFI方法。在后机身未增压的部分选择了AFP法制作壁板蒙皮。因为这些面板是双曲度的,所以承受高负荷的隔框仍由高强度的铝合金制成,而使用树脂转移成形生产承载较小负荷的部件。A380采用热塑性的机翼固定前缘旨在节约重量和成本。该项技术是为A340-600开发的,采用该技术能够减轻重量、方便生产并提高损伤容限。热塑性塑料的进一步的应用,例如,在机身的辅助支架上的应用正在研究中。选择CFRP的机翼后缘可移动的操纵面被认为是一项先进技术水平。当使用传统技术很难得到部件的形状如可移动操纵面铰链和翼肋时,即可使用RTM方法制造。空客也首次在悬臂翼盒上用CFRP翼肋代替铝合金翼肋。空客在夹层结构上的主要创新是引进轻型蜂窝结构代替常规的芳族聚酰胺纸蜂窝结构。这种情况适于大型结构,如机腹整流罩和机舱地板。在A380上有尽量使用单体设计代替夹层结构的趋势,机身起落架和机翼起落架已经采用了单体概念。A380上采用的先进的制造技术,如纤维自动铺放、自动铺带、树脂薄膜渗透法和树脂转移成形等,在复合材料生产中有助于减少生产成本。这使得设计非常大的A380的复合材料部件成为可能,并且降低了装配成本,提高了生产量。A380使空客在机体复合材料的应用研究上又迈进了一步。Glare技术Glare 蒙皮应用在A380的上机身壁板。Glare 是一种混合材料,由铝箔和单向玻璃纤维层交叠并浸渍环氧黏合剂。将浸渍的叠层放在模具中成形,形成单曲度和双曲度Glare 蒙皮。所谓的"叠接概念"用两层铝箔交叠形成一个单一的铝层。叠片相互间隔排列,而预制的黏合层则是连续的。在两个表层之间增加另外的叠层形成"整体双层黏结",取得局部增强的效果。这样,在一个"一次性注射固化"循环中的叠层包含不同的厚度。将制作好的GLARE 叠层放在模子中,装入袋内并抽真空,在120°C的热压罐内固化。与铝制的壁板相比,采用该制造方法可以增加机身壁板的宽度,从而可以减少飞机壁板纵向连接点的数目。推动GLARE材料在机身壁板上的应用的动力是因为它有突出的抗裂纹扩展能力。另一方面,与铝相比,玻璃纤维的弹性系数较低,这与纤维的取向有关。与标准铝合金2024相比,同样厚度的Glare 的刚性可能要低15%。这就是GLARE不适合作稳定性结构件的备选材料的原因,例如,弯曲部件。与铝合金相比,GLARE另一个重要的优点是提高了防腐蚀和防火能力。A380的准备包括大量的试验件,以及部分和部件全尺寸测试以便验证结构设计概念和新材料。同时,也开发了使用铝板作GLARE的铆接修理,并得到了航空公司专家的认可。自1999年10月起,GLARE 机身壁板已用在德国空军的A310多用途飞机上。该设计通过了认证,并发布了一个结构修理手册。A380-800大约应用了500平方米的GLARE蒙皮。GLARE进一步的应用正在研究中。例如,利用GLARE防鸟撞的优越性能,在尾翼前缘用GLARE替代铝等。激光焊接空客开发的下机身壁板技术首先应用在A318上。A380开始应用的激光束焊接将取代下机身壁板桁条的铆接工艺。LBW技术推动了可焊接的铝合金6056和6013的发展。未来进一步的应用将是蒙皮和支架接头,以及起落架舱区域的压力隔框。结论A380大部分结构和部件将采用最新的碳纤维加强塑料复合材料和先进的金属材料制造。除了比传统材料轻之外,还在运行可靠性、可维护性以及方便修理方面有明显的优势,主要的创新技术有:●纤维层压蒙皮应用于上机身壁板;●下机身壁板应用激光束焊接技术和6000系列铝合金;●中央翼盒采用碳纤维加强塑料;●使用为翼盒开发的先进铝合金,使设计标准相同;●引进铝锂合金;●引进新钛合金,并增加钛的用量以代替钢。

机床在殷钢阳模上铺Hexply M-21E碳纤维/ Hexcel增韧环氧预浸料(首个部件15冠状壁板是在2010年11月完成的)。所有的部件15壁板包含有整体的CFRP桁条,该桁条是采用悬臂类AFP机床制造的二维夹层件。桁条然后放在复合材料壁板接口处,在真空热压罐中进行共固化。目前已安装了一台热压罐,另一台计划将在产量增加时安装。

制造:中机身

4858美高梅,前翼梁生产

美高梅4858官方网站,部件15最初用ElectroImpact S-15双头自动丝束铺放机制造,该型机床专门用于制造这些大型结构件。ElectroImpact公司的S-15可执行在线进给和切割动作,且完全双向铺倾斜且复杂的表面,进给速度达50.8m/min。大型机身壁板铺丝速度要求高,该机床通过重新设计切割系统和优化进给、丝束路径和轴架以及机床控制系统实现。

部件15不仅是最大的机身部件,而且也是最复杂的部件。四块壁板具有连续曲面,但因为它与机翼相连,两侧的连接壁板具有凸凹曲度以提供气动整流,整个结构与全复合材料翼盒连接。

此后,部件15壁板将被放到一个21m集装箱中,然后通过陆路运输到美国北卡莱罗纳州的Morehead城市,或该州的另一个港口,然后船运到Spirit AeroSystems的Saint-Nazaire工厂。该厂面积为5,574m2,于2010年7月23日开工。该厂只进行装配工作,将三个上机身壳体壁板用前后地板相连。剩余的三个壁板再船运到空客的Saint-Nazaire工厂进行安装,然后,部件与中翼盒对接并安装管路和其它系统。然后中机身/翼盒部件将通过空运到图卢兹总装厂。

固化梁要使用自动台架TORRESONIC UT检测仪进行质量检查,该检测仪检测范围为长15m,宽2 m。MTorres公司制造框架,商用机器人是由德国Kuka Roboter 公司提供。完成的梁部件船运到Spirit公司位于苏格兰的Prestwick工厂,连接到一起,并与固定前缘和其它定位装置对接,然后交付完整的前缘组件给空客的Broughton工厂进行机翼总装。第一个完整的外梁已于2010年12月10日船运。

MTorres公司是Spirit开发梁生产能力的关键合作伙伴。公司的两台TORRESFIBERLAYUP AFP 系统相比于普通台架式或柱式机床具有更大柔性和生产率。据报导,这些AFP系统铺带速度高达60m/min,大大高于以前的速度,使梁生产工艺经济可行。MTorres公司已经向GKN航宇公司交付一台类似设备,用于生产A350后翼梁。这些机床是为实现沿着梁的边缘严格的U形几何形状而开发的,因为在按45°角铺带到90°弯角时,梁的边缘容易产生许多问题。机床头还可以实现高温和更大压力,适用于低粘度Hexply材料,即用于铺叠机身壁板的同样M21-E增韧环氧预浸料。每台MTorres机床可以同时在15m殷钢芯轴上铺两个梁,然后转移到热压罐中进行固化。

[据美国《高性能复合材料》杂志2011年9月报导] Spirit AeroSystems已经实现了A350中机身和前翼梁的灵巧设计和制造。

一台自动TORRESMILL刳刨机从大型侧壁板上去除窗口和门图案。MTorres公司还为Spirit公司提供两台5m高的柱形超声检测仪,每个带有一个独立的超声扫描仪,可同时检测机身壁板的内外蒙皮。检测完成后,复合材料壁板连接到机身框上。大部分机身框是复合材料的,少量是铝合金以支撑ESN。此外,舱门椽是钛合金的。框和椽使用自动设备连接。

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