復合材料
可持續(xù)飛機設(shè)計理念開始風行
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)——歐洲宇航防務集團(EADS)及其業(yè)務部門和行業(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，他與其團隊承擔了利用合成材料研發(fā)新型飛機結(jié)構(gòu)的任務。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)務部門聯(lián)合研究。Havar博士指出：“我們當前的分析計劃要實現(xiàn)的目標是，集中力量進行創(chuàng)新型復合設(shè)計以及制造方法，進而降低排放量和制造成本。”
在復合航空結(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)均由相同的復合材料制成，因此復合材料的使用還可消除熱負荷可能帶來的麻煩。
Abaqus FEA助推復合材料分析
LIR是重要的襟翼支承結(jié)構(gòu)，在復合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合結(jié)構(gòu)的復雜情況，比如可變厚度和用樹脂袋去角的板層。Havar指出：“考慮到復合材料所固有的變量，我們需要采用3D元素來計算復合負荷引入，并對所有應力變量進行精確分析。由于脫層是復合負荷引入的一種常見故障，因此橫向剪切和剝離應力的問題關(guān)系重大。”考慮到這些因素，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Αavar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，如果復合材料至關(guān)重要的話，那么EADS的復合材料分析結(jié)果從各個方面來看都是積極的：對LIR而言，新型復合材料的設(shè)計可以承受平面內(nèi)的橫向應力分量;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致力于把更多復合結(jié)構(gòu)融入到飛機設(shè)計當中，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。”為了應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。
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