可持续飞机设计理念开始风行
 
    欧洲航空研究咨询委员会(ACARE)在2001年发布的一份报告中提出了要降低航空业对环境影响的目标;于是,欧洲航空航天领域的领军企业——欧洲宇航防务集团(EADS)及其业务部门和行业合作伙伴积极投入到“更环保、更清洁”的商用飞机的研制中。如果降低飞机的重量,提高燃油利用效率并延长飞行距离,就不难实现ACARE提出的目标:飞机燃油消耗节省50%,二氧化碳排放量降低50%,氮氧化物排放量降低80%。要实现这些目标,可以采取这样的策略:用创新型复合结构来取代先前使用的金属部件。
 
    Tamas Havar博士是位于德国慕尼黑附近的EADS创新工作中心的专家,他与其团队承担了利用合成材料研发新型飞机结构的任务。该项目由德国第二大空客制造工厂——位于不来梅的Airbus High-Lift Center领衔,并由EADS的多个业务部门联合研究。Havar博士指出:“我们当前的分析计划要实现的目标是,集中力量进行创新型复合设计以及制造方法,进而降低排放量和制造成本。”
 
    在复合航空结构的设计过程中,一个关键因素是如何把各个部件联结到飞机周边结构上。目前采用的高扬程(high-lift)复合结构(比如,阻力板)往往利用的是金属负荷引入结构(metal load introduction structure)来保持与机翼的连结。这些结构,再加上故障安全设计,一并加大了飞机重量,且提高了制造成本;此外,在相连接的金属及合成部件之间还存在着热膨胀系数方面的差异。另一方面,如果一个线板出现故障,其它完好的线板则会做以补充,所以,复合负荷引入结构(composite load introduction structure)具备实现容损设计(damage tolerance design)的空间。同时,由于高扬程结构和负荷引入结构均由相同的复合材料制成,因此复合材料的使用还可消除热负荷可能带来的麻烦。
 
Abaqus FEA助推复合材料分析
 
    LIR是重要的襟翼支承结构,在复合LIR的设计分析中,EADS创新工作中心团队选用了Abaqus FEA。Havar说:“Abaqus是我们首选的非线性解决方案,它具有强大的复合分析能力,尤其适用于分析我们的LIR研究中的3D元素。”Abaqus FEA的使用贯穿于EADS的整个产品设计周期:在创意阶段,可助力缩小设计范围;在设计前阶段,可设计出首选概念;在最后的详细设计阶段,能够确保充分满足各项规定和要求。
 
    该团队的目标是通过简化LIR成型加工的几何复杂性以保证其厚度均一(除非其成型加工相对简单且廉价),进而降低制造成本。团队的具体解决方案则是采用支持自动执行成型加工的LIR配置文件,从而最大限度地减少制造成本。
 
    为了对新设计进行模拟,EADS团队需要考虑诸多复合结构的复杂情况,比如可变厚度和用树脂袋去角的板层。Havar指出:“考虑到复合材料所固有的变量,我们需要采用3D元素来计算复合负荷引入,并对所有应力变量进行精确分析。由于脱层是复合负荷引入的一种常见故障,因此横向剪切和剥离应力的问题关系重大。”考虑到这些因素,EADS工程团队利用一系列自由度(DOF)总数达到将近450,000的各种Abaqus元素构建了LIR模型。
 
    另外,该工程团队还必须逐一验证装配线上将LIR连结到周边结构的324个铆钉的负荷承受能力。Havar说:“这种承受能力不仅依赖于附属结构,还依赖于铆钉材质和其本身的尺寸。”为了顺利完成LIR分析,EADS团队运用Abaqus隐式算法和后置处理法对若干种情况下的负荷承受能力进行了计算。
 
复合材料分析的积极结果
 
    在设计未来可持续的“更环保、更清洁”——重量更轻、油耗更省、排放更少——的飞机的过程中,如果复合材料至关重要的话,那么EADS的复合材料分析结果从各个方面来看都是积极的:对LIR而言,新型复合材料的设计可以承受平面内的横向应力分量;而对所有铆钉而言,将LIR连结到周边结构的强度规格则达到或超过了标准。
 
    由于EADS致力于把更多复合结构融入到飞机设计当中,创新工作中心减重设计团队将积极投入到各种各样的有限元分析项目(FEA projects)中。Havar指出:“在未来的飞机上,复合结构显然将更有用武之地。为了让我们的创新与时俱进,我们将需要进一步增强FEA能力。”为了应对分析中的各种挑战,设计工程师和FEA软件开发人员齐心协力,共同攻关;复合材料必将在未来更新、更环保的飞机制造过程中占据一席之地。