航空强度“积木式”验证体系:千锤百炼 保驾护航

 航天     |      2020-01-25 04:12

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Conceptual Study on Commercial Aircraft Structure Technology Abroad中国飞机强度研究所孙侠生 中国一航科技发展部胡红东摘要:为了推动民用飞机结构技术的发展,美国和欧盟通过实施多个投资力度大的研究计划,系统地研究了用于民用飞机的先进结构设计概念、先进材料工艺和先进结构形式,并得到了全面应用。本文对其进行了详细分析,并对我国民机结构强度技术发展提出了建议。关键词:结构强度结构设计民机材料提高民机市场竞争力的两大目标:一是卓越的运行经济性,通常用全寿命成本、载重量和航程来衡量;二是环境性能,其衡量指标则是显著降低燃油消耗、噪声和综合环境影响,同时提高舱内的舒适性。实现这两大目标的核心是:轻质结构、新一代发动机、先进空气动力学和创新制造工艺等技术。降低结构重量的有效手段:一是采用先进的设计与分析手段,二是大量采用先进的复合材料、钛合金、铝锂合金及其他新材料和整体化结构。欧盟在保持竞争力和可持续发展能力的第5次和第6次框架计划里,明确提出在10年内要将民机的重量降低20%,但不能增加制造成本或缩短结构寿命。为了实现上述目标,国外正在加快发展结构技术,提高和加快轻质机体新材料、新工艺的应用水平,特别是针对民用飞机采用的先进复合材料,实施了一系列新材料应用的中长期计划,来推动复合材料技术和先进合金技术的发展,以提高航空平台机体结构效率、减轻重量、降低成本。国外实施结构综合验证计划是结构技术得以迅速发展的最好途经,其研究思路值得借鉴。一、美国ACEE、ACT、AST计划先进复合材料具有比强度和比模量高、性能可设计和易于整体成形等许多优异性能,将其用于飞机结构上,可明显降低结构重量(与常规的金属结构相比,可减重25%~30%),改善飞机的气动弹性特性,提高飞机性能。复合材料在新机上的使用比例,代表了新机的研制水平。美国NASA的飞机效能计划、先进复合材料技术计划是为了提高民机结构研制水平而实施的先进材料结构计划,先进亚音速技术计划是从战略上确保美国航空运输业具有全球竞争能力,寻求增强美国航空运输系统安全性、可生产能力和低环境污染的新途径的研究计划。ACEE于1976年启动,1986年结束。通过该计划的研究,美国三大飞机公司先后成功地研制出DC-10方向舵、L-1011副翼、波音727升降舵、DC-10和L-1011垂直安定面、以及波音737水平安定面,并通过了适航审定,为美国飞机制造商提供使用复合材料的信心,同时为复合材料应用于民用飞机尾翼等次结构上奠定了坚实的基础。继ACEE计划之后,美国NASA于1987~1997年实施的ACT则是针对下一代民机的主承力结构应用复合材料开展的技术研究,其中编织、缝合等结构方案,树脂传递模塑和树脂膜渗透等低成本制造工艺是该计划的重点研究内容。ACT计划的目标包括减重30%~50%,降低成本20%~30%,并提供材料和结构性能预测的科学依据。研究成果包括波音制造出12.8m长的缝合复合材料机翼盒段,该盒段已通过1.5倍极限载荷的结构试验考核;比常规铝合金结构盒段能够降低生产成本20%,减重25%~30%。若用于210座级客机,估计可降低油耗5%,并减少排污;若用于波音747飞机,则可省油耗8.5%。AST是NASA于1992年启动的先进亚声速技术计划。该计划与结构相关的技术包括:对于老龄化飞机,发展先进的检测脱胶、疲劳裂纹和腐蚀的非破坏评估技术,发展增强飞机检测能力和预估老龄飞机结构安全寿命的分析工具等;对于降低噪声,发展新的技术,能够把飞机的噪声降低10dB(与1992年的水平相比),以满足更严格的噪声标准(FAR 36部第四阶段噪声要求);对于复合材料,发展有利于减重和降低成本的结构技术,把复合材料应用到主承力结构,具体为全尺寸复合材料机翼盒段的设计和地面试验验证。AST计划研发的缝合复合材料机翼见图1所示,该机翼的基准平台是220座级的MD-90-40X飞机机翼,按照"积木块"式的试验验证方法,从试件、元件、结构细节件、构件/子结构,一直到全尺寸结构对机翼进行了严格的考核。经过这一过程,不仅建立了材料的基本性能数据库和结构设计许用值,而且结构设计思想得到了评估,结构制造技术得到了考核,最终还充分分析了结构性能与成本的综合效能。这样大大加快了新材料、新结构设计和制造技术应用于实际工程的步伐。 上述计划的实施促进了复合材料在民用飞机上的应用。其中,波音777可以代表波音公司在民机结构上应用复合材料的最新发展趋势,该型飞机除了地板横梁等次承结构外,垂尾和平尾等结构上也采用复合材料,所用的材料包括韧性的CFRP和复合材料蜂窝夹层结构等,复合材料的用量占结构总重量的10%左右,面积约占机体表面的35%。 二、欧盟TANGO、ALCAS计划欧洲的空中客车公司在应用复合材料方面毫不逊色于美国的飞机制造公司。他们先在A300系列飞机的扰流片、舵面、空气减速器上使用了复合材料,然后在A310、A320、A330和A340系列中不断扩大应用范围,其应用水平也达到了垂尾和平尾这样的主承力结构一级。其中A320飞机复合材料用量超过了结构重量的15%。但是,欧盟为了确保下一代飞机能使航空公司的直接运行成本得到显著降低,近年来开始实施近期商业目标与对象的技术应用计划,拟通过采用新的材料、设计方法和制造工艺,减轻机体结构重量,降低燃油消耗,减少对环境的影响,从而使结构效率得以提高。TANGO计划总体技术指标为:与现有结构相比减重20%;与现有制造工艺和设计水平相比成本降低20%。TANGO计划选用的技术验证平台是最具减重和降低成本潜力的机体部件,包括复合材料机翼(含金属与复合材料的连接接头)、复合材料中央翼盒、复合材料机身和先进金属机身。TANGO计划所研究与验证的材料工艺、设计/分析技术和制造技术很快被应用于空客公司正在研制的A380-800宽体客机。A380飞机机体结构材料:铝合金占61%,复合材料占25%,钛合金和钢占10%,表面涂层等占4%。复合材料结构中有3%为新型的玻璃纤维-铝合金层压板,图3给出了大型民用飞机复合材料的用量情况。继TANGO计划之后,欧盟现又开始实施先进低成本机体结构计划。这个计划的主要目的是:针对不同的结构材料和设计方法与飞机系统最佳结合,为低成本地制造出轻重量的飞机结构,提供相应的数据和经验。这个计划预期的成果之一是为下一代全新的飞机选用复合材料机翼提供验证过的设计和分析技术,并建立起信心。该计划已经规划了4个技术验证平台,大多数是复合材料结构。 三、 美国IAS计划整体结构件在结构方面有较高的刚度、强度和较轻的重量,并能满足诸如空间紧张、整体油箱密封等结构设计中某些特殊要求;在装配工艺方面还能减少零件和紧固件数量,缩短装配周期;在经济效益上能降低装配成本;同时,也具有良好的静力、疲劳、耐久性/损伤容限以及可靠性等特点。国外越来越多飞机结构在采用整体壁板、整体梁、整体肋、整体接头等整体结构件。美国NASA从1996年起实施了整体机体结构计划,该计划重点开展了整体结构和块状结构的耐久性/损伤容限设计技术研究,验证了"整体结构"用于民机机身结构的可行性。该计划走过了整体结构从材料性能试验、质量控制试验、分析验证试验到结构件试验的全过程。在等同的性能和重量前提下,整体结构比常规组合结构可大大地降低制造成本。该计划建立的整体结构静强度、剩余强度、耐久性、裂纹扩展、声疲劳强度、双跨裂纹、腐蚀控制、可靠性、可检性和复合损伤等设计准则,以及可快速和有效地进行整体结构耐久性和损伤容限分析、快速结构设计和敏感性分析的软件,可用于机身整体曲板结构的设计中。NASA已将IAS计划中的研究成果应用于波音747的研制中,取得了非常显著的效果。IAS板与常规结构加筋基准板比较,在各项性能满足要求的条件下,其零件数降低了50%以上,成本降低了25%以上。对波音747飞机机体结构机身来说,总共有850000个紧固件,若采用整体结构加上焊接工艺的应用,可减少安装费用300万美元左右。四、美国QAT计划飞机噪声是评价飞机性能好坏的一个重要指标。强烈的噪声不但会影响飞机适航取证,降低飞机营运经济性能,而且会危及飞机结构飞行安全。波音、空客等著名航空公司正在为了达到未来5~10年将要颁布的限制更严的FAR 36部第四阶段噪声要求(2006年1月生效)而进行技术储备。针对FAR 36部第四阶段噪声要求,在AST噪声专项研究计划中,NASA经过1994~2001年研究,实现了降噪6~7dB的目标(与1992年的水平相比)。从2001年起,NASA又启动了安静飞机技术研究计划,目标是在AST研究计划所取得成果的基础上,进一步降低飞机噪声5dB。QAT研究计划的长期目标是发展新的噪声控制技术,使飞机感觉噪声级下降20dB。这必须通过发动机噪声降低、机体噪声降低、短舱声学处理、舱内噪声降低以及社区噪声影响等技术予以实施。舱内噪声处理技术主要包含两方面研究内容,一是在传统飞机结构设计技术上,采取被动控制降噪技术达到一定降噪目标;二是采用革命性噪声控制技术,例如推进系统与飞机机体结构一体化声学设计技术等。 五、 新结构技术在未来飞机中的应用分析美国和欧洲正在将上述专项计划所取得的低成本、轻重量复合材料结构和整体结构技术的研究成果,应用于正在研制的先进民机结构设计上。其中波音公司的概念机先进战术运输机将大量采用ACT和AST计划中所取得的研究成果,其主承力翼盒将采用缝合复合材料加筋蒙皮壁板,机身将采用缝合泡沫芯复合材料面板夹层结构。波音公司正在研制的梦想飞机7E7,将采用碳纤维复合材料-钛合金层压板机翼主承力盒段,复合材料或创新结构铝合金的机身,以及采用非热压罐的真空辅助树脂传递模塑工艺制造的复合材料前机身等。先进复合材料、下一代合金以及纤维-金属层合板的最终用量会达到50%以上,将为满足市场要求提供最佳的性能/成本比和最大的全寿命相对效能。 六、关于发展我国民机结构强度技术的建议机体结构是航空平台的基础,各种用途不同的航空平台都必须有一个良好的机体结构来支持。先进的气动布局必须具备结构的可实现性。针对未来民用飞机的技术需求,国外通过实施一些大的研究计划来提高民用飞机的结构设计水平,不失为一种特别有效的手段。建议我国在发展民机结构时,一是有必要通过低成本复合材料主结构技术研究与综合演示验证,轻质、长寿命机体结构技术研究与综合演示验证,干线飞机噪声控制及抗声疲劳设计和试验验证等综合计划的实施,来建立我国完整有效的结构强度技术发展体系。二是要系统地研究新材料、新工艺和新结构,按照"积木式"结构设计和试验验证理念,完成从试片、元件、构件、组合件到部件的积木式试验验证全过程,打好基础。此外,可以通过虚拟验证减少不合理的或可以不做的试验,以缩短飞机研制周期、降低研制成本。三是加强结构强度基础和前沿技术研究,特别是飞机结构强度规范的研究、强度数据库的建立和结构新技术的探索和应用。同时,跟踪国外结构强度的前沿技术,保持结构强度技术的可持续发展。

积木是每个人童年时的欢乐伙伴,这些形状各异、色彩缤纷的小方块,在想象力和创造力的改造下,变成一个个精美的艺术品,别提多神奇了!

积木式验证体系一般分4级进行

搭积木的过程也帮助我们了解物体的结构,更好掌握构造原理。你知道吗?在航空发动机材料研制中,也有一款神奇的积木。科研人员通过这个神奇的积木,在材料与结构设计之间搭建起桥梁,帮助材料进行性能考核、工艺考核、功能考核、模拟环境考核等各种测试。

积木式验证体系

航空发动机材料积木式设计验证方法

11月,第十二届中国航展在社会上掀起了航空航天热潮,期间大运飞机再次成为了焦点,赚足了关注的目光。而7月底在央视中文国际频道国家记忆栏目首播的专题纪录片《大国鲲鹏》,则真实再现了大运飞机研制的全过程,展现了我国航空工业发展的新成就。作为大运飞机重要的参研单位航空工业强度所也在片中多次出镜,尤其涉及的破坏、鸟撞等强度试验,更是因其重要性和观赏性,引起了社会大众的广泛关注与热议。

航空发动机材料具有对工作环境敏感度高、潜在失效模式多等多种特殊性,不能像一般的金属材料那样,依靠最底层的材料性能来评估整体零件。而需要通过由试样、元件、组合件及全尺寸部件组成的多层次积木式设计验证方法来完成,提升设计验证的精细化程度。

强度所作为我国唯一的航空强度研究和验证中心,建所53年来始终坚守航空报国初心,牢记航空强国使命,完成了国内研制、改型和引进的几乎所有军民用飞机的强度验证工作,为保障型号的首飞、设计定型、列装部队做出了重要贡献,强度验证工作已成为飞机研制过程设计、制造、试验、试飞四大环节中不可或缺的第三棒。在大运研制中,强度所科学构建了国际一流的航空强度积木式验证体系,按照这个体系要求,强度所需要完成13000多个元件试验、140个组件试验、14个部件试验、3架次全机试验,要获得上万个精确的性能数据,才能为大运进入实战领域奠定扎实的基础。下面,我们就以大运为例,为大家详细介绍航空强度积木式验证体系。

积木式设计验证方法的四块积木

什么是航空强度积木式验证体系

第一块积木:试样试验

航空强度积木式验证体系的概念最早是针对复合材料结构强度验证提出的,由于对复合材料飞机结构的验证仅通过全尺寸结构试验通常是不完整的,比如包含复合材料的全尺寸静强度试验一般只能在室温大气环境下进行,并采用环境补偿系数法来考核其能否满足静强度要求。但为了获取环境补偿系数,并保证全尺寸结构在室温大气环境下得到的破坏模式与湿热环境下相同,这就需要开展大量的试样、元件、组合件、部件等不同级别的试验来证实。《GJB67.14军用飞机强度和刚度规范复合材料结构》中就明确要求采用积木式的设计和验证试验方法。实际上,无论是复合材料结构还是金属材料结构,都需要按照积木式的思想来进行设计和验证。

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