民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材分析

王國(guó)慶

【摘 要】結(jié)構(gòu)選材是民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對(duì)后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要作用。本文對(duì)民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材中的發(fā)展趨勢(shì)、適航要求、選用原則、重點(diǎn)部段材料要求進(jìn)行研究，為民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；復(fù)合材料；適航要求；選材原則；材料性能

0 引言

民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料隨著時(shí)代的發(fā)展也在不斷地變化。安全、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)的航空材料正被不斷應(yīng)用于民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

1 國(guó)外民機(jī)結(jié)構(gòu)選材發(fā)展趨勢(shì)

近些年以波音、空客為代表的國(guó)外先進(jìn)民用飛機(jī)制造企業(yè)所推出的新機(jī)型，在復(fù)合材料的應(yīng)用比例上呈現(xiàn)出逐步提高的趨勢(shì)。其中空客公司在A380大型客機(jī)上先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用比例達(dá)到23%，同時(shí)其即將運(yùn)營(yíng)的A350寬體客機(jī)的符合材料應(yīng)用比例更是達(dá)到52%。波音公司近年推出的B787“夢(mèng)想”飛機(jī)上，先進(jìn)復(fù)合材料的用量達(dá)到機(jī)體總重的50%，其復(fù)合材料幾乎覆蓋了飛機(jī)大部分的表面，其中包括了機(jī)翼、機(jī)身和尾翼等機(jī)體主要結(jié)構(gòu)。飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展變化，詳見(jiàn)圖1。

2 結(jié)構(gòu)選材適航要求

中國(guó)民用航空規(guī)章第25《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》§25.603 材料小節(jié)中對(duì)其損壞可能對(duì)安全性有不利影響的零件所用材料的適用性和耐久性必須滿足下列要求：

1）建立在經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)的基礎(chǔ)上；

2）符合經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)（如工業(yè)或軍用標(biāo)準(zhǔn)，或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定），保證這些材料具有設(shè)計(jì)資料中采用的強(qiáng)度和其它性能；

3）考慮服役中預(yù)期的環(huán)境條件，如溫度和濕度的影響。

§25.613 材料的強(qiáng)度性能和設(shè)計(jì)值的要求如下：

1）材料的強(qiáng)度性能必須以足夠的材料試驗(yàn)為依據(jù)（材料應(yīng)符合經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)），在試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上制定設(shè)計(jì)值；

2）設(shè)計(jì)值的選擇必須使因材料偏差而引起結(jié)構(gòu)破壞的概率降至最小。必須通過(guò)選擇確保材料強(qiáng)度具有下述概率的設(shè)計(jì)值來(lái)表明符合本款的要求：

a.如果所加的載荷最終通過(guò)組件內(nèi)的單個(gè)元件傳遞，因而該元件的破壞會(huì)導(dǎo)致部件失去結(jié)構(gòu)完整性，則概率為99%，置信度95%。

b.對(duì)于單個(gè)元件破壞將使施加的載荷安全地分配到其它承載元件的靜不定結(jié)構(gòu)，概率為90%，置信度95%。

3）至關(guān)重要的部件或結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)行條件下熱影響顯著的部位，必須考慮溫度對(duì)設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的影響；

4）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和制造，必須使災(zāi)難性疲勞破壞的概率減至最小，特別是在應(yīng)力集中處；

5）如果在使用前對(duì)每一單項(xiàng)取樣進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)該特定項(xiàng)目的實(shí)際強(qiáng)度性能等于或大于設(shè)計(jì)使用值，則通過(guò)這樣“精選”的材料可以采用較高的設(shè)計(jì)值。

3 民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材原則

1）根據(jù)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)、使用要求選材；

2）結(jié)構(gòu)所用材料應(yīng)是已用于飛機(jī)生產(chǎn)的成熟材料，符合經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)；

3）選用新材料必須經(jīng)過(guò)充分的試驗(yàn)驗(yàn)證；

4）所選用材料需經(jīng)適航審定部門(mén)批準(zhǔn)認(rèn)可；

5）民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)材料的要求是多方面的，不可能找到一種材料全面滿足多方要求，應(yīng)根據(jù)材料的性能、可獲得性、易生產(chǎn)性、和成本等權(quán)衡利弊，綜合比較，合理選擇；

6）注意繼承性，減少材料的品種規(guī)格，優(yōu)先選用現(xiàn)有機(jī)種已經(jīng)采用過(guò)的材料；

7）材料選擇要結(jié)合工廠的制造能力。

4 民機(jī)主要結(jié)構(gòu)件選材重點(diǎn)考慮的材料性能分析

民用飛機(jī)各部段結(jié)構(gòu)件對(duì)材料的性能要求是不完全相同的，應(yīng)根據(jù)各部段對(duì)材料性能的具體要求選擇合適的材料。詳見(jiàn)表1、表2、表3、表4飛機(jī)各部段材料性能要求。

5 總結(jié)

本文對(duì)民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材從國(guó)外發(fā)展形勢(shì)、適航要求、選材原則、飛機(jī)主要部段對(duì)材料性能要求等方面進(jìn)行了分析研究，對(duì)民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材具有一定的參考作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中國(guó)民用航空規(guī)章《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》CCAR-25-R4[Z]. 2011.

[2]《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委員會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)10，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[Z].2001.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]