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损伤容限技术在飞行器结构设计中的应用

发表时间：2021/4/16 来源：《中国科技信息》2021年5月作者：杨婧梓

[导读] 随着航空技术的不断发展，针对损伤容限技术的应用也提上了日程。损伤容限技术是一个先进技术，我国通过对此的深入研究，最终取得初步成果。

中国特种飞行器研究所湖北荆门杨婧梓 448000

摘要：随着航空技术的不断发展，针对损伤容限技术的应用也提上了日程。损伤容限技术是一个先进技术，我国通过对此的深入研究，最终取得初步成果。本文就损伤容限技术在飞行器的设计上，浅析损伤容限技术在如今飞行器结构中的应用。
关键词：损伤容限；航空技术；飞行器结构设计
        随着航空科技的不断发展，在一些经济条件较为不足的地区也运用上了比较先进的航空飞机。而损伤容限的设计技术以其优秀的设计理念、良好的飞行功能还有质量优秀的制造成果，在国内外市场上取得一片好评。飞机的设计采用了最新的数字化应用研发，搭配了先进的电子设施，攻克了以往其他类型飞机所存在的不足之处[1]。飞机整机运用了电子化数字化的设计技术，在主要结构上保持原有的基础，同时也满足了一部分用户对于个性化使用的要求。只需要改装一部分就可以满足当前市场上多功能的运输要求，无论是客运、救护、航拍还是科学地理探测活动，都可以进行。新型的飞机针对结构设计更多的运用了损伤容限技术，保证了整机的安全，体现出先进科技在我国航机上的使用。通过多次实验总结出一套完整的设计流程，并投入开发。
        1 损伤容限技术在机身结构上的设计
        1.1 机身功能
        机身是每一架飞机中的重要部件，是不可或缺的一部分。良好的机身设计可以支撑起飞机内舱的空间，达到一个优秀的外形。使得整机中的每一个部分，包括机翼、起落架以及飞机内部操作系统，完整的连接起来，使得飞机的功能更为可靠。这些零部件的载荷基本都传输在机身中，这样就可以使得整机的平衡性有了保障。机身还可以为乘务人员来往机舱以及货物的运输搭配了一个便捷的通道，还为飞机系统设备的维护和修理打造了专属通道。由于机身功能性的特殊，它的外载主要有：装载承在机身上的重量、零部件的重量还有气运带来的负荷。
        1.2 机身材料要求
        损伤容限的设计技术需要在全部机身上打造的材料是全金属材料，还有隔框式半硬壳的结构。为了保障其安全性，机身的材料全部运用的是寿命安全或者损伤容限的设计技术。设计人员通过对机身细节上的分析和各种实验，保证了机身的结构上一些存在的微小缺陷在飞机飞行时间内的延伸控制在可以把控的范围内。并且规定了机检时间，定期就要对机身进行大幅度的维修和调整，如此一来不论是多大的缺陷，在可控的范围内都可以被检查出来，确保了飞机飞行的安全性。除此之外FAA和CAAC对机身受力零件的规定是有详细说明的，为了满足两方的规定，飞机接受定期检查的次数可以得到保障，确保机身的安全达到一个合理的范围。
        2 飞机的设计要求
        根据飞机类别的不同，所涉及到的结构特点和设计理念的运用也是不同的，再者，根据飞机不同的用途，结构上的设计也会有明显的差别。设计者在进行设计的时候，应该达到型号规范上的有关规定，至少应当达到飞机型号合格证上对于安全级别的规定。总体上应当按照理论图、强度和刚度还有数据图的计算要求，在满足各方面的维修要求之上，以求飞机的飞行寿命和重量上达到最好的要求。设计的目标需要保证技术上的总体要求，还有对安全、可靠性、低成本性和先进性等等的要求。除了以上的要求之外，还应当充分考虑到下列几点要求：
        1.应当保证总体飞机在机身整体结构上的安全标准，在加入了损伤容限技术之后在疲劳度和腐蚀损耗程度上略加调整。
        2.应当对结构安全性方面检查上所需要的成本费用进行限制，最好减少总体检查的时间和需要检查的必要，提高检察人员的工作效率。
        3.在原有的飞机设计之上，要充分考虑机组乘务人员操作上的便利性和乘坐上的可靠性安全性。

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        4.综合考虑设计结构，在飞机各部分上应当采用一样的设计理念，达到总体的平衡和协调。系统的接口上应当是标准的，方便整合的。
        3 模块化的布局
        3.1布局要求
        结构布局通常是整个机身结构的总体，在机身总体布局上占有着非常重量级的地位。因此，对机身结构设计水平的提高是非常紧迫的。经过以往的实验证明，型号结构布局是否恰当，对一个型号推出成功与否起到非常重要的作用。结构布局设计被确定下来之后，整个机身的重量也就确定下来，后期阶段能够对结构进行优化的地方，只能在小范围内针对重量进行改变，这样结构布局上的不同，对部件在重量上的变化是比较大的[2]。
        飞机结构布局总体上包括横向、纵向的构成零件还有蒙皮。设计的范围应当包括：第一，要对飞机受力的方式和传导重量的途径进行确定，必要时应当进行改造。第二，受力的布局，像受力的位置和受力所需要的量。第三应当确定机身维修的方式和布局。第四，要使分离面的设计确定下来。第五，要使分离面在制作工艺上的方案确定下来。第六，确定好能够对机身结构制造的主要原材料。
        3.2 材料要求
        针对不同位置的功能性，飞机在结构设计当中的选材情况也是不同的[3]。损伤容限技术要求设计者在选择材料上需要充分根据材料是否具有足够的抗疲劳性、抗腐蚀性、耐磨性等进行考量，这样的要求是可以保证机身结构设计有足够的时间去检查裂纹，来达到损伤容限技术在评定上的界限。
针对这一特点，开发者会选择新型的材料，像GLARE这样的由铝箔和玻璃纤维作为组要材料组合而成的材料，它的重量非常的轻，对抗疲劳和抗腐蚀上也有很好的性能。这样的新型材料充分提高了机身结构的持久性和可维修要求。
        在一些相对来说比较敏感和易损伤的部件上，设计者应当选择裂纹扩展比较慢的新型材料，来达到损伤容限设计的要求。
        4 硬壳式前机身结构和损伤容限结构
        前机身主要在12框之前，从机头的位置到12框之间，包括了雷达、设备舱、电子仓还有驾驶舱等重要的位置。1框之前是雷达，应当运用复合的材料来进行布局，舱罩可以上翻来用于机舱内随时维护和修复。1框-3框是设备主舱，3框-5框右侧是行李舱，左侧是电子设备。驾驶舱内地板应当是可以拆卸的结构设计，材料也应该抗损伤，这样便于随时对地板下的设备和结构进行维修[4]。在预留空间上前期需要更充分的考虑到。如果飞机具有除载客之外的只能，例如海洋和地理上的检测、航拍需求等，则要对前机身2框之前预留下充分的空间，已达到改造的要求。
        5 结尾
        以往的类型飞机在使用的过程中暴露出许多问题，像改造的成本大、运作周期长、运输的成本大等。现行的飞机设计，对飞机的机身、机翼、起落架等部分进行了加强措施，全部机身打造的材料是全金属材料，还有隔框式半硬壳的结构，保证飞机在运输中充分承载力量，也更加实用的增加了运载空间，提升了一次性可运货的容量。使用损伤容限的设计技术的飞机整机运用了电子化数字化的设计技术，在主要结构上保持原有的基础，同时也满足了一部分用户对于个性化使用的要求，有效提高了飞机飞行的效率和实用度。在定期维护和检修上所需要的时间也在缩小，以保证费用成本的降低，但在取材和设计上更加充分考虑到安全性的要求。
参考文献：
[1]陈普会，肖闪闪.飞机复合材料结构的概率设计方法[J].南京航空航天大学学报，2012，44(5): 683-693.
[2]雷先华，航空工业CAE应用简述，航空制造技术，2004(2): 40-41.
[3]Guo W, Sheng K. (2000). A new finite element method for transientmutual-radiation in structures. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica21(4):342.
[4]吴德锋，隋福成，毛春见。先进飞机典型结构关键部位损失容限分析研究[J].飞机设计， 2010，30 (5) : 16-19.