民用飞机结构设计选材分析

民用飞机结构设计选材分析

吕文波

哈尔滨哈飞设计研究所 黑龙江省哈尔滨市 150060

摘要：结构设计是满足飞机总体对结构设计的要求前提下,做到重量最轻，飞机的性能、飞机的设备和载油系数不断提高,要求飞机结构重量系数不断降低。本文对民用飞机结构设计选材中的发展趋势、适航要求、选用原则、重点部段材料要求进行研究,为民用飞机结构设计提供借鉴.

关键词：民用飞机；复合材料；适航要求；选材原则；材料性能

一、民用飞机结构设计选材原则

飞机材料的选择，一方面应满足飞机的性能参数，一方面取决于预算成本，同时还受实际设计状态所限制。根据相应结构的技术、使用要求选材；结构所用材料应是已用于飞机生产的成熟材料，符合经批准的标准；选用新材料必须经过充分的试验验证；所选用材料需经适航审定部门批准认可；民用飞机结构设计对材料的要求应根据材料的性能、可获得性、易生产性、和成本等权衡利弊，综合比较，合理选择；注意继承性，减少材料的品种规格，优先选用现有机种已经采用过的材料，材料选择要结合工厂的制造能力。通常选材需要综合考虑各种因素，从材料本身考虑，主要是机械性能、化学特性、温度特性，从其他设计要求考虑还应包括重量、刚度、强度、疲劳特性、抗腐蚀特性和成本等。

二、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要求如: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;满足飞机使用寿命要求;满足振动和噪声要求;满足气动力对飞机结构的要求;满足飞机气动弹性要求;满足安全性和适航的要求;满足飞机舒适性的要求;满足飞机结构工艺性的要求;满足飞机使用维护性及可靠性的要求;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: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。部分研究项目有:复合材料铺层和结构疲劳失效分析,铺层结构断面特性研究；复合材料结构冲击损伤和复合材料结构的修补研究及结构后屈曲和压损破坏分析（金属和复合材料结构后屈曲分析技术研究、智能结构技术的研究）。飞机结构设计主要任务:①在方案设计阶段的飞机结构布局的确定。是进行全机结构总体布局设计及选择飞机结构分离面,确定各部件的主要结构形式，确定选材原则和强度计算原则。②在初步设计阶段的结构主要传力路线和结构形式的确定。在给定结构载荷的基础上,进而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。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。实现减轻结构重量主要是采用新技术和精心设计。体现在确定合理的飞机结构布局和选材原则;精确飞机载荷与安全系数;准确分析结构工作应力;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。做好结构细节设计,提高结构耐久性，进而优化结构的研究。

三、结构选材适航要求

①经批准的符合标准的材料，其强度性能必须以足够材料试验为依据，在试验统计的基础上制定设计值。

②设计值的选择必须使因材料偏差而引起结构破坏的概率降至最小。必须通过选择确保材料强度具有下述概率的设计值来表明符合本款的要求：a.如果所加的载荷最终通过组件内的单个元件传递，因而该元件的破坏会导致部件失去结构完整性，则概率为99％，置信度95％。b.对于单个元件破坏将使施加的载荷安全地分配到其它承载元件的静不定结构，概率为90％，置信度95％。

③重要部件或结构在正常运行条件下热影响显著的部位，必须考虑温度对设计许用应力的影响。

④结构强度、细节设计和制造，必须使灾难性疲劳破坏的概率减至最小，特别是在应力集中处。

⑤如果在使用前对每一单项取样进行试验，确认该特定项目的实际强度性能等于或大于设计使用值，则通过这样“精选”的材料可以采用较高的设计值。

四、分析民用飞机主要结构件选材重点考虑的材料性能

民用飞机各部段结构件对材料的性能要求不完全相同，应根据各部段对材料性能的具体要求选择合适的材料。l)明确选材的结构对象根据飞机结构的设计需求，确定要进行材料选取的飞机结构。2)确定结构功能与设计要求对结构所处位置、结构受力情况、结构功能需求、结构失效后对飞行安全的影响程度(结构重要度)、结构的维修成本等因素进行明确。3)确定结构的设计准则根据结构的重要度、维修成本和材料特征等因素选取相应的一种或多种设计准则。4)确定备选材料范围根据结构的功能需求和受力情况等因素确定备选材料范围。例，有透光度要求的座舱盖结构，可将备选材料划定在有机玻璃和钢化玻璃等透光性材料的范围;有工作温度要求的发动机叶片结构，可以将备选材料划定在钢、钛合金、陶瓷材料等耐热性材料的范围;有电磁 要求的雷达罩结构，可以将备选材料划定在碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料等无电磁遮蔽性材料的范围。若选取的结构没有特殊要求，则初步确定的备选材料范围一般是现阶段的主要承力材料，如钢、铝合金、钛合金、复合材料等。在初步确定了备选材料范围后，可以根据结构的一般性要求进一步缩小备选材料范围。例，可以根据材料的空间限制和承载水平确定材料比静强度的范围;根据材料的防腐蚀性要求将抗腐蚀性能不达标;可以根据结构的设计加工制造成本将成本过高的材料剔除等。5)进行材料对比并排序在确定的备选材料范围内，根据结构设计准则，通过对不同材料的系列性能指标的对比，可以对材料的适合程度进行排序。

根据结构的承力特性和设计准则，可分为：①对于不承力结构，在材料满足结构功能需求的前提下，仅需根据材料的密度进行对比排序，密度最小的材料最优。②仅按静强度准则设计的结构，其一般是只受静载的结构或在全寿命周期内只受少次数小载荷的结构，且结构的刚度一般能自动满足设计要求，仅需根据备选材料的比静强度进行对比排序，比静强度最大的材料最优。③主要按照刚度准则设计的结构主要是结构变形过大引起的失效模式，在所选材料满足静强度要求的前提下，仅需根据备选材料的比刚度进行对比排序，比刚度最大的材料最优。④主要按照安全寿命准则设计的结构，在结构达到安全寿命设计指标时，如果所用材料能够满足结构的静强度和刚度要求，仅需根据备选材料的比疲劳强度进行对比排序，比疲劳强度最大的材料最优。⑤主要按照耐久性准则设计的结构，在结构达到耐久性设计指标时，如果所用材料能够满足静强度和刚度要求，可以根据备选材料的比疲劳强度和疲劳韧强比综合考虑进行对比排序，比疲劳强度越大且疲劳韧强比越小的材料力学性能最优;由于结构耐久性是结构抵抗开裂、腐蚀、热疲劳、剥离、磨损和外来物损伤的能力，对于特殊部位的结构选材，需要在材料力学性能的基础上，结合材料的抗腐蚀老化、热疲劳、硬度等指标进行综合考虑。⑥主要按照损伤容限准则设计的结构，在结构达到损伤容限设计指标时，如果材料能够满足结构在含裂纹状态下的静强度和刚度要求，需根据备选材料的比静韧度、比动韧度和疲劳韧强比综合考虑进行对比排序，比静韧度越大的材料其抗破损安全性更高，比动韧度越大的材料其裂纹相对扩展更慢;在比静韧度值相差不大的情况下，疲劳韧强比越大的材料安全寿命越长，越小的材料经济修理间隔期越长，需根据结构的具体需求具体判断。

总之，结构选材是民用飞机结构设计基础,对后续结构设计起着至关重要作用.望我国的航空科技工作者在未来飞机结构技术的发展中,为之做出更大的贡献。

参考文献：

[1]赵凤.浅谈民用大飞机结构技术的发展.2018.

[2]李和平.浅谈民用飞机结构设计选材分析.2019.