图 1 战斗机的各主要重量系数随年代的变化情况 [1] Fig11 Change of weight distribution with time for a fighter aircraft[1 ]
目前战斗机的结构重量已降低到飞机总重的
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30 %以下。而飞机的性能却不断提高 ,这样对飞机结构设计工程师提出了巨大的挑战。“为减轻每一克结构重量而奋斗”不仅是口号 ,而且成为每个飞机设计师必须遵守的准则。
据介绍 ,为减轻苏 27战斗机的结构重量 ,飞机采用 90 %的载荷进行设计 ,采用 100 %的载荷进行强度试研 ,这样结构出现提前破坏。然后 ,对破坏结构进行增强 ,继续试验。这样反复试验、修补 ,直到试验飞机无法继续进行修补的情况下 ,重新按照修补的情况制造一架新的静力试验飞机 ,
为期 10年的 F235项目增拨 50亿美元 ,并使其交付时间延长 1年 ,以达到减重的目标 ,这说明了减轻飞机结构重量对研制高性能飞机的重要性。前苏联、美国政府和设计师对减轻结构重量付出了巨大努力。
在民用飞机研制上 ,当前正在研制的最新客机 A350和波音 787飞机为减轻结构重量 ,也采取的一系列新技术和新材料 ,特别是大量采用复合材料结构。
2 飞机总体对结构设计的要求和结构发展动向
对于民用飞机结构设计的目标是满足飞机总体设计要求的基础上 ,实现结构重量最轻。飞机总体对结构设计有如下要求 :①能满足静强度要求 ,即能承受飞机各种飞行和地面的设计载荷 ;②能满足飞机使用寿命要求 ;③能满足振动和噪声要求 ;④能满足气动力对飞机结构的要求 ;⑤能满足飞机气动弹性要求 ;⑥能满足安全性和适航的要求 ;⑦能满足飞机舒适性的要求 ;⑧能满足飞机结构工艺性的要求 ;⑨能满足飞机使用维护性及可靠性的要求 ;⑩能满足飞机结构的经济性要求。
围绕着结构设计的总体要求 ,结构技术发展主要体现在以下几个方面 :结构选材的变化 ;结构设计与制造技术的发展 ;结构分析技术的突破 ;结构试验技术的改进。
欧洲 GAR TEU R联合研究机构 ,启动的航空结构和材料方面的研究 ,可体现目前国际结构一步确定各部件的主承力结构形式及传力路线 ,布置其主要受力构件。
(3)详细设计阶段的结构细节设计。详细设计的主要目标之一是使结构有好的耐久性 ,在结构元件优化的基础上 ,对结构的细节精心设计 ,如开孔 ,连接 ,圆角等的设计。
实现减轻结构重量目标的主要方法是采用新技术和精心设计。主要体现在 :①确定合理的飞机结构布局和选材原则 ;②精确确定飞机载荷与安全系数 ;③准确分析结构工作应力 ;④提高结构许用承载能力 ,特别是结构受压面的稳定性承载能力。 ⑤做好结构细节设计 ,提高结构耐久性 ; ⑥进行结构优化的研究。
3 结构选材的变化
波音 787飞机是首架为减轻结构重量主要使用复合材料建造的客机 ,复合材料的耐久性使波音 787客机的维护间隔达到 1 000 h,而波音 767只有 500 h。波音 787采用了健康监控技术。波音 787型客机将比目前现役客机节约 20 %的燃料。飞机座舱压力从相当 2 400 m降至 1 800 m高度 ,改善了舒适性 ,提高了结构设计要求[2]。
空客 A350飞机为有效减轻结构重量 ,采用了更多的先进材料 —
—包括各种先进的铝合金和先进的复合材料 ,复合材料的用量达到 52 %。使飞机变得更轻、更牢固和更可靠 ;每座空重比波音 777降低了 14 %,同时大大改善了可维修性 ,机体维修成本降低了 10 %[3]。
飞机选材的因素有以下几点 :高的结构效率 ;长寿命高可靠性 ;低成本 ;工艺性好 ;便于修理和维护。其中高结构效率是优先考虑的因素。基于
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材料技术、制造技术和结构技术的发展 ,飞机结构选材有了巨大的发展。表 1与图 2给出了其变化情况。
表 1 主要民用飞机的选材变化情况
Table 1 Changes in commercial aircraft material selection
图 2 主要民用飞机的铝合金和复合材料选材变化情况 Fig1 2 Changes of material for commercial aircraft
随着技术的发展 ,同一种飞机在改型过程中 ,选材也在发生变化。以波音 757飞机为例 ,随着年代的变化 ,其铝合金和钢的比例在减少 ,钛合金和复合材料的比例在增加 (见表 2)。
表 2 波音 757飞机在发展过程中的选材变化情况 Table 2 Material changes of Boeing 757
生产年代 铝合金/ % 钢/ % 钛合金/ %复合材料/ %
1980 78 12 6 4
1990 70 10 10 10
1995 62 8 12 18
4 飞机结构设计与制造技术的发展动向
从空客 A380飞机的结构选材 ,可以看出飞机结构制造技术的发展趋势。该机在复合材料用量上 ,首次突破了 20 %,并在机翼受力最大的中央翼盒上采用了复合材料结构 ;首次大面积采用了 GL A RE复合材料结构 ;首次大面积采用了高强度铝合金焊接壁板结构 ;首次采用了混杂结构用在主要受力部位 (襟翼滑轨)(图 3)。
aircraft based on A380
41 1 复合材料在飞机上的应用
复合材料的应用自 20世纪 70年代开始 ,经历了从非承力构件 ,如机身口盖、舵面后缘等 ,到 20世纪 80年代开始在一些非主要部件上应用。如 1982年率先在 A3102200上采用碳纤维复合材料制造的扰流片、减速板、升降舵和方向舵。1987年 ,空中客车还率先在 A320飞机的部件水平尾翼和副翼上采用复合材料。此后 ,空客将复合材料用于 A340飞机的垂直尾翼和水平尾翼、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门和整流罩。随后又研制出 A3402500/ 2600的碳纤维龙骨梁和复合材料机身后密封框 —
—这是复合材料首次被用于飞机的密封区结构。该机复合材料用量达到 10 %[4 ,5]。
到 21世纪研制的 A380飞机 ,将复合材料进一步用于非暴露的主要受力结构上。例如机翼的主受力中央翼盒。使得复合材料的用量达到 23 %,一架 A380所用的复合材料重达 30 t [3]。
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