原创《新一代大型客机复合材料结构一体化设计的若干特点》
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［摘 要］大量采用复合材料结构是新一代大型客机机体结构设计的突出特点.飞机机体复合材料结构规模化应用的核心问题是突破飞机机体关键结构复合材料应用技术.复合材料结构一体化综合设计是在确保使用寿命期内、飞机安全飞行使用的前提下,实现复合材料结构规模化应用并取得良好经济的、多设计要素变量的综合设计.本文对波音787和空客A350复合材料机身的设计与制造进行了对比,分析了各自的优缺点.
［关键词］大型客机；复合材料结构；机体结构；规模化应用；一体化设计
doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.04.091
［中图分类号］V25 ［文献标识码］A ［文章编号］1673-0194（2017）04-0-03
新一代大型客机主要指使用效率（Efficiency）、经济（Economics）、超凡的乘坐舒适和便利（Extraordinary comfort and convenience）以及环保（Environmental）等综合性能比当前航线使用的客机有很大提高的大型商用运输机.
新一代大型客机的概念指导了波音787飞机和空客A350飞机的研发.新一代大型客机机体结构的突出特点是广泛采用复合材料,复合材料不仅减轻了飞机结构的质量、提高了飞机结构的使用寿命、降低了飞机的维护费用,还可以增加舱内压力和空气湿度,提高民用飞机的经济性、舒适性、环保性.先进复合材料在飞机结构上的应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整体、由结构到功能和由军机应用扩展到民机的发展道路.
基于近20多年经验的积累和认知的共识,按照适航规章要求,结合民机工程实际,聚合物基纤维增强复合材料在飞机结构中实现了规模化的应用.要实现复合材料结构规模化的应用,结构设计必须要着重考虑复合材料结构在使用寿命期内、安全使用前提下,同时取得较好的经济效益.结构设计在满足型号设计要求的同时,必须要考虑结构规模化应用对制造、使用、维修提出的新需求,在设计主导下,形成“设计—制造—使用—维修”一体化的结构设计,实现飞机复合材料结构的安全性与经济性.
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新一代大型客机复合材料结构规模化应用的决策
新一代大型客机机体结构需用新材料的决策是依据未来20～30年内大型客机在总体布局上与目前航线飞机不会有很大差别,但在综合性能、安全性、经济性和环保要求等方面,将有很大的提高发展趋势和航线宽体客机的需求增长制定.
新一代大型客机复合材料结构规模化应用的决策主要考虑：
①实现飞机结构明显减重,机翼、机身主结构均采用复合材料制造；②中模量高强碳纤维/增韧环氧（180℃固化）复合材料已经过工程应用的验证,可满足大型客机主结构对材料的要求；③复合材料制造工艺技术革新和新工艺技术发展,可使复合材料大型结构件制造成本明显下降；④先进设计技术和设计—制造一体化、并行工程技术的应用,使结构设计结果更科学合理,可实现异地设计和制造,为复合材料结构制造国际化创造了条件；⑤半个世纪复合材料应用经验的积累和复合材料结构设计理念与验证技术的更新,使新一代飞机研制周期大大缩短、研发费用减少.
因此,波音公司率先将21世纪初开始研制的现代宽体客机波音787复合材料的用量占到机体结构重量的50%,大大提高了结构效率,与同级别客机相比可节省燃油20%.
空中客车公司于2005年5月宣布空客A350项目启动（A350后称A350XWB,extra Wide-Body,型号系列为A350-900）.空中客车公司面对竞争对手的压力和用户的要求,在A350项目推出的三年间,曾对A350的设计方案进行多次重要修改,选材方案的修改多达6次,包括机身由计划初期采用铝和铝锂合金,改为机体由复合材料制造.
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复合材料关键结构设计的新问题
飞机机体复合材料结构规模化应用的核心问题是突破飞机机体关键结构复合材料的应用技术.
飞机机体关键结构是指其完整性对保持飞机总体安全是至关重要的承受飞行、地面和增压载荷的结构或元件（其破坏会降低飞机结构完整性）.如：机翼、翼盒、机身等主结构,对运输类飞机还包括主要结构元件.
复合材料在飞机机体关键结构的应用,首先要考虑飞机总体安全对结构完整性的要求.同时,还应考虑复合材料用量大幅增加带来的固有特性潜在的危害威胁,如对结构制造缺陷、闪电防护及使用、维修提出的一系列要求.复合材料关键结构设计的新问题、新考虑,大致可归纳为以下几方面.
（1）基于对飞行安全性的认知,机体结构疲劳和损伤容限设计是重点,按《运输类飞机适航标准》对复合材料飞机结构的要求,飞机在整个使用寿命期内将避免由于疲劳、环境影响、制造缺陷或意外损伤引起的灾难性破坏.特别关注考虑的是外来物冲击、目视可见损伤及其扩展特性,两垮元件损伤、结构胶结以及“地—空—地”或“飞—续—飞”重复加载引起的材料性能退化和“高—低—高”温度交变引起的附加应力.
（2）质量、产量、成本综合平衡的大型整体结构制造技术.主结构零构件大型化、整体化设计,如翼面加筋壁板、翼梁、机身筒壳壁板、地板梁、翼盒壁板等,对制造技术提出了应通过充分的试制和试验,并进行合格鉴定,以保证其可重复生产性和设计的可靠性,结构制造生产能力应满足飞机按期交付的需求.采用成熟的制造技术,如数字化、自动化（包括检测自动化）、减少或消除人为因素影响的制造方法,可实现降低结构的制造成本,设计、制造一体化是必由的技术途径.
（3）复合材料结构闪电防护设计的地位很重要.复合材料（以碳/环氧复合材料为代表）导电性比标准铝合金大约低1 000倍的固有特性,决定了如果不提供恰当的导电闪电防护,闪电雷击可能造成结构破坏或大面积损伤,并可能在金属液压管路、燃油系统管路和电缆诱导上产生高闪电电流和电压.闪电防护可细分为结构完整性、燃油系统、电气和电子系统三个方面进行考虑,复合材料结构闪电防护给飞机带来了重量和成本的增加.
（4）结构耐撞损性的设计要求.飞机的耐撞损性由机身的冲击响应特性控制.对耐撞损性,规章一直随着实际飞机运行使用得到的经验而改变.机群经验还没有证实需要整机级耐撞损性的标准.因此,现行规章反映了传统铝合金飞机结构在可存活撞损条件下的条件.
相对于传统的机体设计,复合材料耐撞损性的设计应考虑其独特行为（如各向异性与准脆性）与结构特性,包括大修或设计更改.必须评估复合材料机身的冲击响应、油箱的结构完整性,以及遭受可存活撞损时,局部强度能量吸收和多种破坏模式的竞争破坏等.
（5）结构的可燃性和防火要求.随着运输类飞机机翼和机身结构中复合材料的扩大应用,对乘客的安全性带来了额外的问题.现有的规章并没有论述机体结构本身潜在的可燃性问题.机翼和机身使用复合材料,应考虑在飞机飞行期间着火和紧急着陆随后溢出燃油可能起火的条件,复合材料设计和结构引起的对乘客安全性的影响.
（6）售后服务、使用维护、修理技术的标准化、维修基地的建设.
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复合材料结构一体化综合设计的特点
复合材料结构一体化综合设计是在确保使用寿命期内、飞机安全飞行使用的前提下,实现复合材料结构规模化应用并取得良好经济的、多设计要素变量的综合设计.
复合材料结构一体化综合设计是一项同时实现设计—制造—使用—维修一体化和结构承载—结构功能闪电防护一体化的综合优化设计系统工程.在飞机使用寿命期内避免由疲劳、环境影响、制造缺陷或意外损伤引起的灾难性破坏.同时,又要避免复合材料结构规模化应用,材料固有特性带来的潜在的闪电、阻燃性、热损伤等危害引起的安全问题.
复合材料固有的性能可设计性和材料结构成形中形成的同时性（内在技术制备材料的属性）,决定了复合材料必须采用设计、制造一体化,以实现结构的可制造性和设计的重复性.当机体主结构、机翼、机身采用复合材料,闪电防护成为机体结构主要设计要求时,采用设计—制造—功能综合一体化,方可取得明显的减重效果.
维修纳入复合材料结构一体化的综合设计,一方面,源于复合材料铺层的可设计性,造成了结构构型风格多样化的特色；另一方面,损伤修理,通常要进行损伤部位修整,损伤尺寸反被扩大,甚至会影响周围结构的承载特性,而修补的补强设计措施若有不当,同样也会对结构承载带来不良影响,这说明了复合材料结构与金属结构维修的差异.
新一代宽体客机复合材料结构规模化应用的结果是客机机体结构成为复合材料结构为主体的复合材料—金属材料混合结构.从而为新一代客机承载—功能（闪电防护、电磁屏蔽）一体化综合设计提供了条件.
使用维护（包括检查方法和检查周期）、修理是飞机持续安全飞行的保障.复合材料结构修理要同时恢复结构承载能力和功能需求（如闪电防护、电池屏蔽要求等）.复合材料结构修理与结构构型、结构细节、损伤等形式密切相关,且损伤部位的修整往往会需要扩大损伤范围,修补材料与结构原用材料匹配,以及修理补强可能引起应力集中等问题.故此,复合材料结构维修时适航规章要求设计一体化需予以考虑.
复合材料结构一体化综合设计技术具有以下特点
（1）结构一体化综合设计取决于复合材料固有的材料性能可设计性、结构成形与材料成形的同时性.给定的复合材料最终力学性能很大程度上取决于制品零件所采用的制造方法.
（2）结构一体化综合设计应归于飞机机体总体设计的范围,其与结构传力路线和受力构件布局密切相关.
复合材料结构设计分离面和制造工艺分离面选择以及主要连接方式对降低制造成本有重要影响.整体筒壳机身和壁板组合机身对比实例充分说明了这一点.
（3）结构一体化综合设计目的在于发挥复合材料结构和金属结构优势的互补,并均衡、综合为一体,实现结构承载—功能（闪电防护、电磁屏蔽）一体化.
4 复合材料结构一体化综合设计的实例分析
4.1 整体筒壳机身结构设计方案的实例
整体筒壳机身结构设计方案立足于利用复合材料自动纤维铺放/缠绕成形工艺,将机身段设计成整体筒壳,这是一种机身结构设计的创新尝试.经过小型飞机整体筒壳机身设计试验验证,取得一定经验后,波音787大型客机放弃了壁板组合机身结构的方案,大胆采用了整体筒壳机身设计方案.
波音787复合材料机身采用整体筒壳机身设计方案,结构总体布局分为前机身、中机身、后机身三部分、6个整体筒壳结构段,如图1所示.
波音公司对飞机结构选择新结构方案取决于飞机性能要求、成本考虑和技术的成熟程度.20世纪80年代末,波音公司民用飞机部进行了NASA的ACT先导计划的一部分——先进技术复合材料飞机结构（ATCAS）计划,对复合材料机身结构分区壁板研制中设计和制造的问题进行了分析、研究,其最终还是选择了整体筒壳机身结构的设计方案,其主要有以下考虑.①整体筒壳机身结构可以采用纤维自动铺放技术实现自动铺层,提高生产效率、降低成本,满足了批量生产供货的要求；②由壁板组合机身结构改为整体筒壳机身结构可大大减少装配,机身结构减重预期可达20%.整体筒壳机身使波音787机身减少了31 500个零件.
选择整体筒壳机身结构设计方案的不足之处：①热压罐尺寸限制了机身分段的长度,出现机身分段多,且在受力大的部位有机身分段对接面,每个对接接头增重80 kg；②整体筒壳出现大的缺陷时,修理或更换困难；③需要大直径热压罐固化设备.
4.2 壁板组合机身结构设计方案的实例
空客A350XWB机身筒体结构设计是在分析、吸取复合材料整体筒壳机身结构的经验,并借鉴A380机身筒体壁板组合结构设计的基础上,确定复合材料机身为3个分段、4块壁板组合机身结构设计的方案.A350技术设计分前、中、后3段,直径为5.89 m.长度分别为13、18、16 m,A350机身设计如图2所示.
空客公司认为复合材料壁板组合机身结构的方案与整体筒壳机身结构的方案相比,具有以下优点：①可按照各分区结构和载荷特点进行铺层优化和加筋桁梁—隔框布局；②机身可以根据受力情况进行分段,分为前机身段、中机身段和后机身段,从而避免在受力大的部位处进行分段之间对接,减少了两分段对接的复杂程度,且由于减少了机身分段数,维修工作也更为方便；③机身筒体每块复合材料壁板均有较好的平直度,易于采用纤维自动铺放技术实现自动铺层；④有利于分段外包、促进竞争、减小风险.
空客公司认为复合材料壁板组合机身结构的方案与整体筒壳机身结构的方案相比的不足之处或问题：①壁板之间不仅对接长度增加,且在应力水平高的环向对接,造成结构增重明显；②座舱气密性也受到影响.
4.3 波音787和空客A350复合材料机身设计与制造对比分析
（1）波音787机身结构设计面向当时已成熟的纤维自动铺放技术,整体筒壳机身实现了“异地设计、异地制造”的自动化生产,有利于消除人为因素对结构件质量的影响.空客A350充分吸取了波音787的经验和教训,方案确定花费了三年时间,优化了材料的利用,选择了复合材料壁板组合机身筒体,机头段采用铝合金结构,实现了设计—制造—使用—维护一体化和结构—功能（承载和闪电防护）一体化的综合设计.
（2）波音787整体筒壳段对接,两筒段间几何尺寸和形状偏差,大大增加了机身段对接连接的困难.空客A350壁板组合机身筒段,大大降低了对热压罐尺寸的要求,并可显著提高热压罐的利用率,降低了成本.
（3）波音787闪电防护采用铜网“全屏蔽”,结合结构中金属构件方案.空客A350闪电防护采用金属型材和条带,结合结构中金属构件形成电结构网络方案.
（4）波音787整体筒壳机身维修困难.空客A350壁板组合结构维修相对容易.
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结 语
复合材料结构一体综合设计,从设计—制造一体化延伸到与结构疲劳、损伤容限密切相关细节的设计和可维修性,综合优化制造、损伤阻止扩展及其维修,科学合理的使用寿命期的综合优化设计方案将大幅度提高结构的重复性,降低制造和维修成本.
结构承载和飞机航电、飞控系统防护、闪电防护等的一体化设计,利用金属材料构件弥补和消除复合材料弱导电、导热固有特性带来的潜在危害,既可达到结构安全使用,又可减重,并取得显著的经济效益.
继波音787飞机复合整体筒壳机身结构后,空客A350飞机壁板组合复合材料机身结构把复合材料大型壁板和金属骨架支承、闪电防护、电磁屏蔽作用合理利用,综合一体化设计的优点更加突出.
主要参考文献
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复合材料论文参考资料：
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