可持續飛機設計理念開始風行
 
    歐洲航空研究咨詢委員會(ACARE)在2001年發布的一份報告中提出了要降低航空業對環境影響的目標;于是,歐洲航空航天領域的領軍企業——歐洲宇航防務集團(EADS)及其業務部門和行業合作伙伴積極投入到“更環保、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ACARE提出的目標:飛機燃油消耗節省50%,二氧化碳排放量降低50%,氮氧化物排放量降低80%。要實現這些目標,可以采取這樣的策略:用創新型復合結構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創新工作中心的專家,他與其團隊承擔了利用合成材料研發新型飛機結構的任務。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領銜,并由EADS的多個業務部門聯合研究。Havar博士指出:“我們當前的分析計劃要實現的目標是,集中力量進行創新型復合設計以及制造方法,進而降低排放量和制造成本。”
 
    在復合航空結構的設計過程中,一個關鍵因素是如何把各個部件聯結到飛機周邊結構上。目前采用的高揚程(high-lift)復合結構(比如,阻力板)往往利用的是金屬負荷引入結構(metal load introduction structure)來保持與機翼的連結。這些結構,再加上故障安全設計,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方面的差異。另一方面,如果一個線板出現故障,其它完好的線板則會做以補充,所以,復合負荷引入結構(composite load introduction structure)具備實現容損設計(damage tolerance design)的空間。同時,由于高揚程結構和負荷引入結構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構,在復合LIR的設計分析中,EADS創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的整個產品設計周期:在創意階段,可助力縮小設計范圍;在設計前階段,可設計出首選概念;在最后的詳細設計階段,能夠確保充分滿足各項規定和要求。
 
    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。
 
    為了對新設計進行模擬,EADS團隊需要考慮諸多復合結構的復雜情況,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)總數達到將近450,000的各種Abaqus元素構建了LIR模型。
 
    另外,該工程團隊還必須逐一驗證裝配線上將LIR連結到周邊結構的324個鉚釘的負荷承受能力。Havar說:“這種承受能力不僅依賴于附屬結構,還依賴于鉚釘材質和其本身的尺寸。”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果
 
    在設計未來可持續的“更環保、更清潔”——重量更輕、油耗更省、排放更少——的飛機的過程中,如果復合材料至關重要的話,那么EADS的復合材料分析結果從各個方面來看都是積極的:對LIR而言,新型復合材料的設計可以承受平面內的橫向應力分量;而對所有鉚釘而言,將LIR連結到周邊結構的強度規格則達到或超過了標準。
 
    由于EADS致力于把更多復合結構融入到飛機設計當中,創新工作中心減重設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,復合結構顯然將更有用武之地。為了讓我們的創新與時俱進,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,設計工程師和FEA軟件開發人員齊心協力,共同攻關;復合材料必將在未來更新、更環保的飛機制造過程中占據一席之地。