可持續(xù)飛機(jī)設(shè)計(jì)理念開始風(fēng)行
 
    歐洲航空研究咨詢委員會(ACARE)在2001年發(fā)布的一份報(bào)告中提出了要降低航空業(yè)對環(huán)境影響的目標(biāo);于是,歐洲航空航天領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)——?dú)W洲宇航防務(wù)集團(tuán)(EADS)及其業(yè)務(wù)部門和行業(yè)合作伙伴積極投入到“更環(huán)保、更清潔”的商用飛機(jī)的研制中。如果降低飛機(jī)的重量,提高燃油利用效率并延長飛行距離,就不難實(shí)現(xiàn)ACARE提出的目標(biāo):飛機(jī)燃油消耗節(jié)省50%,二氧化碳排放量降低50%,氮氧化物排放量降低80%。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),可以采取這樣的策略:用創(chuàng)新型復(fù)合結(jié)構(gòu)來取代先前使用的金屬部件。
 
    Tamas Havar博士是位于德國慕尼黑附近的EADS創(chuàng)新工作中心的專家,他與其團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了利用合成材料研發(fā)新型飛機(jī)結(jié)構(gòu)的任務(wù)。該項(xiàng)目由德國第二大空客制造工廠——位于不來梅的Airbus High-Lift Center領(lǐng)銜,并由EADS的多個(gè)業(yè)務(wù)部門聯(lián)合研究。Havar博士指出:“我們當(dāng)前的分析計(jì)劃要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是,集中力量進(jìn)行創(chuàng)新型復(fù)合設(shè)計(jì)以及制造方法,進(jìn)而降低排放量和制造成本。”
 
    在復(fù)合航空結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中,一個(gè)關(guān)鍵因素是如何把各個(gè)部件聯(lián)結(jié)到飛機(jī)周邊結(jié)構(gòu)上。目前采用的高揚(yáng)程(high-lift)復(fù)合結(jié)構(gòu)(比如,阻力板)往往利用的是金屬負(fù)荷引入結(jié)構(gòu)(metal load introduction structure)來保持與機(jī)翼的連結(jié)。這些結(jié)構(gòu),再加上故障安全設(shè)計(jì),一并加大了飛機(jī)重量,且提高了制造成本;此外,在相連接的金屬及合成部件之間還存在著熱膨脹系數(shù)方面的差異。另一方面,如果一個(gè)線板出現(xiàn)故障,其它完好的線板則會做以補(bǔ)充,所以,復(fù)合負(fù)荷引入結(jié)構(gòu)(composite load introduction structure)具備實(shí)現(xiàn)容損設(shè)計(jì)(damage tolerance design)的空間。同時(shí),由于高揚(yáng)程結(jié)構(gòu)和負(fù)荷引入結(jié)構(gòu)均由相同的復(fù)合材料制成,因此復(fù)合材料的使用還可消除熱負(fù)荷可能帶來的麻煩。
 
Abaqus FEA助推復(fù)合材料分析
 
    LIR是重要的襟翼支承結(jié)構(gòu),在復(fù)合LIR的設(shè)計(jì)分析中,EADS創(chuàng)新工作中心團(tuán)隊(duì)選用了Abaqus FEA。Havar說:“Abaqus是我們首選的非線性解決方案,它具有強(qiáng)大的復(fù)合分析能力,尤其適用于分析我們的LIR研究中的3D元素。”Abaqus FEA的使用貫穿于EADS的整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期:在創(chuàng)意階段,可助力縮小設(shè)計(jì)范圍;在設(shè)計(jì)前階段,可設(shè)計(jì)出首選概念;在最后的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,能夠確保充分滿足各項(xiàng)規(guī)定和要求。
 
    該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是通過簡化LIR成型加工的幾何復(fù)雜性以保證其厚度均一(除非其成型加工相對簡單且廉價(jià)),進(jìn)而降低制造成本。團(tuán)隊(duì)的具體解決方案則是采用支持自動(dòng)執(zhí)行成型加工的LIR配置文件,從而最大限度地減少制造成本。
 
    為了對新設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬,EADS團(tuán)隊(duì)需要考慮諸多復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)雜情況,比如可變厚度和用樹脂袋去角的板層。Havar指出:“考慮到復(fù)合材料所固有的變量,我們需要采用3D元素來計(jì)算復(fù)合負(fù)荷引入,并對所有應(yīng)力變量進(jìn)行精確分析。由于脫層是復(fù)合負(fù)荷引入的一種常見故障,因此橫向剪切和剝離應(yīng)力的問題關(guān)系重大?！笨紤]到這些因素,EADS工程團(tuán)隊(duì)利用一系列自由度(DOF)總數(shù)達(dá)到將近450,000的各種Abaqus元素構(gòu)建了LIR模型。
 
    另外,該工程團(tuán)隊(duì)還必須逐一驗(yàn)證裝配線上將LIR連結(jié)到周邊結(jié)構(gòu)的324個(gè)鉚釘?shù)呢?fù)荷承受能力。Havar說:“這種承受能力不僅依賴于附屬結(jié)構(gòu),還依賴于鉚釘材質(zhì)和其本身的尺寸。”為了順利完成LIR分析,EADS團(tuán)隊(duì)運(yùn)用Abaqus隱式算法和后置處理法對若干種情況下的負(fù)荷承受能力進(jìn)行了計(jì)算。
 
復(fù)合材料分析的積極結(jié)果
 
    在設(shè)計(jì)未來可持續(xù)的“更環(huán)保、更清潔”——重量更輕、油耗更省、排放更少——的飛機(jī)的過程中,如果復(fù)合材料至關(guān)重要的話,那么EADS的復(fù)合材料分析結(jié)果從各個(gè)方面來看都是積極的:對LIR而言,新型復(fù)合材料的設(shè)計(jì)可以承受平面內(nèi)的橫向應(yīng)力分量;而對所有鉚釘而言,將LIR連結(jié)到周邊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度規(guī)格則達(dá)到或超過了標(biāo)準(zhǔn)。
 
    由于EADS致力于把更多復(fù)合結(jié)構(gòu)融入到飛機(jī)設(shè)計(jì)當(dāng)中,創(chuàng)新工作中心減重設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將積極投入到各種各樣的有限元分析項(xiàng)目(FEA projects)中。Havar指出:“在未來的飛機(jī)上,復(fù)合結(jié)構(gòu)顯然將更有用武之地。為了讓我們的創(chuàng)新與時(shí)俱進(jìn),我們將需要進(jìn)一步增強(qiáng)FEA能力?！睘榱藨?yīng)對分析中的各種挑戰(zhàn),設(shè)計(jì)工程師和FEA軟件開發(fā)人員齊心協(xié)力,共同攻關(guān);復(fù)合材料必將在未來更新、更環(huán)保的飛機(jī)制造過程中占據(jù)一席之地。