可持續(xù)飛機設(shè)計理念開始風(fēng)行
 
    歐洲航空研究咨詢委員會(ACARE)在2001年發(fā)布的一份報告中提出了要降低航空業(yè)對環(huán)境影響的目標;于是,歐洲航空航天領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)——歐洲宇航防務(wù)集團(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”的商用飛機的研制中。如果降低飛機的重量,提高燃油利用效率并延長飛行距離,就不難實現(xiàn)ACARE提出的目標:飛機燃油消耗節(jié)省50%,二氧化碳排放量降低50%,氮氧化物排放量降低80%。要實現(xiàn)這些目標,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,他與其團隊承擔(dān)了利用合成材料研發(fā)新型飛機結(jié)構(gòu)的任務(wù)。該項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)前的分析計劃要實現(xiàn)的目標是,集中力量進行創(chuàng)新型復(fù)合設(shè)計以及制造方法,進而降低排放量和制造成本?！?br />  
    在復(fù)合航空結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中,一個關(guān)鍵因素是如何把各個部件聯(lián)結(jié)到飛機周邊結(jié)構(gòu)上。目前采用的高揚程(high-lift)復(fù)合結(jié)構(gòu)(比如,阻力板)往往利用的是金屬負荷引入結(jié)構(gòu)(metal load introduction structure)來保持與機翼的連結(jié)。這些結(jié)構(gòu),再加上故障安全設(shè)計,一并加大了飛機重量,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,如果一個線板出現(xiàn)故障,其它完好的線板則會做以補充,所以,復(fù)合負荷引入結(jié)構(gòu)(composite load introduction structure)具備實現(xiàn)容損設(shè)計(damage tolerance design)的空間。同時,由于高揚程結(jié)構(gòu)和負荷引入結(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)計分析中,EADS創(chuàng)新工作中心團隊選用了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?！盇baqus FEA的使用貫穿于EADS的整個產(chǎn)品設(shè)計周期:在創(chuàng)意階段,可助力縮小設(shè)計范圍;在設(shè)計前階段,可設(shè)計出首選概念;在最后的詳細設(shè)計階段,能夠確保充分滿足各項規(guī)定和要求。
 
    該團隊的目標是通過簡化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),進而降低制造成本。團隊的具體解決方案則是采用支持自動執(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)計進行模擬,EADS團隊需要考慮諸多復(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元素來計算復(fù)合負荷引入,并對所有應(yīng)力變量進行精確分析。由于脫層是復(fù)合負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工程團隊利用一系列自由度(DOF)總數(shù)達到將近450,000的各種Abaqus元素構(gòu)建了LIR模型。
 
    另外,該工程團隊還必須逐一驗證裝配線上將LIR連結(jié)到周邊結(jié)構(gòu)的324個鉚釘?shù)呢摵沙惺苣芰?。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?！睘榱隧樌瓿蒐IR分析,EADS團隊運用Abaqus隱式算法和后置處理法對若干種情況下的負荷承受能力進行了計算。
 
復(fù)合材料分析的積極結(jié)果
 
    在設(shè)計未來可持續(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)果從各個方面來看都是積極的:對LIR而言,新型復(fù)合材料的設(shè)計可以承受平面內(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)的強度規(guī)格則達到或超過了標準。
 
    由于EADS致力于把更多復(fù)合結(jié)構(gòu)融入到飛機設(shè)計當(dāng)中,創(chuàng)新工作中心減重設(shè)計團隊將積極投入到各種各樣的有限元分析項目(FEA projects)中。Havar指出:“在未來的飛機上,復(fù)合結(jié)構(gòu)顯然將更有用武之地。為了讓我們的創(chuàng)新與時俱進,我們將需要進一步增強FEA能力?！睘榱藨?yīng)對分析中的各種挑戰(zhàn),設(shè)計工程師和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)保的飛機制造過程中占據(jù)一席之地。