飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想變遷（一）

　　飛機(jī)結(jié)構(gòu)是體現(xiàn)飛機(jī)總體布局、氣動(dòng)外形的技術(shù)載體，是飛機(jī)各系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的物理平臺(tái)，是制約飛機(jī)使用可靠性、成本和壽命的主要因素。因此，在飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展歷程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)一直占有十分重要的地位。（圖1）
　　從普通航空迷的角度來(lái)講，對(duì)于飛機(jī)的關(guān)注一般是從飛機(jī)原型機(jī)的出現(xiàn)開(kāi)始，到其試飛定型以及之后的飛行表現(xiàn)和改進(jìn)改型，對(duì)于飛機(jī)研制過(guò)程中的其他環(huán)節(jié)了解不多。研制一種新型飛機(jī)是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，一般而言，研制一種新型飛機(jī)需要經(jīng)歷：預(yù)先研究、方案論證、飛機(jī)設(shè)計(jì)、試制和試驗(yàn)、設(shè)計(jì)定型、工藝定型和批量生產(chǎn)、改進(jìn)和改型等幾個(gè)階段。其中飛機(jī)設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)人員綜合應(yīng)用氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、材料、工藝等學(xué)科的知識(shí)，將飛機(jī)設(shè)計(jì)要求（戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求）轉(zhuǎn)化為一組能完整地描述飛機(jī)的參數(shù)（飛機(jī)形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)、材料等）的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程又包括概念設(shè)計(jì)（conceptual Design）、初步設(shè)計(jì)（Preliminary Design）和詳細(xì)設(shè)計(jì)（Detail Design）三個(gè)階段。
　?。▓D2）
　　飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就屬于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的工作，詳細(xì)設(shè)計(jì)階段又稱為工作設(shè)計(jì)或技術(shù)設(shè)計(jì)，其主要任務(wù)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（部件設(shè)計(jì)、零構(gòu)件設(shè)計(jì)等）和系統(tǒng)設(shè)計(jì)（液壓系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)等），其工作內(nèi)容包括繪制出各個(gè)部件和系統(tǒng)的總圖、裝配圖、零件圖，制定出詳細(xì)的重量計(jì)算和強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告：進(jìn)行零件和構(gòu)件的強(qiáng)度驗(yàn)算進(jìn)一步確定飛機(jī)的重量和重心位置；進(jìn)行各種必要的試驗(yàn)，如強(qiáng)度和壽命試驗(yàn)、各系統(tǒng)的地面臺(tái)架試驗(yàn)等。
　　在介紹指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想之前，我們先來(lái)了解一下飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，也只有在了解了這些基本要求之后，我們才能較為準(zhǔn)確的理解為什么我們要遵循一些必要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析工作。就像我們生活中所能夠接觸到的大多數(shù)民用產(chǎn)品一樣，只有了解了產(chǎn)品性能和功能所必須達(dá)到的基本要求，我們才能設(shè)計(jì)出符合市場(chǎng)需求和國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的合格產(chǎn)品。
　　在進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)要求中規(guī)定的對(duì)結(jié)構(gòu)的基本要求可以大致概括為氣動(dòng)要求、重量要求、使用維護(hù)要求和工藝要求。這幾項(xiàng)要求之間是相互聯(lián)系、相互制約的，甚至有些還是相互矛盾的。全面考慮這些要求從而設(shè)計(jì)出理想的結(jié)構(gòu)則需要分析這些要求之間的相互聯(lián)系，綜合考慮。其中，“氣動(dòng)要求”雖然不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員主要考慮的，但卻是一種“前提性”要求，即設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)必須滿足氣動(dòng)要求，并在滿足氣動(dòng)條件的前提下，要求結(jié)構(gòu)質(zhì)量盡量輕、使用方便、工藝性良好等。畢竟，即使你的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得再好，如果破壞了飛機(jī)的氣動(dòng)外形也是不允許的，因?yàn)檫@樣就會(huì)使飛機(jī)的氣動(dòng)特性改變而無(wú)法達(dá)到其設(shè)計(jì)中能夠達(dá)到的性能指標(biāo)?！笆褂镁S護(hù)要求”也是一種前提性要求，即根據(jù)飛機(jī)的機(jī)種、使用特點(diǎn)規(guī)定了使用、維護(hù)要求。因此要求結(jié)構(gòu)有與之對(duì)應(yīng)的“開(kāi)敞性”/“可到達(dá)性”，即在結(jié)構(gòu)上必須有相應(yīng)的設(shè)計(jì)分離面和開(kāi)口，以保證維護(hù)人員有接近內(nèi)部裝載或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的通道，并使相應(yīng)結(jié)構(gòu)的拆裝迅速可靠。比如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命一般低于飛機(jī)機(jī)體的使用壽命，那么在發(fā)動(dòng)機(jī)到壽之后就需要給飛機(jī)更換新的發(fā)動(dòng)機(jī)。而且一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在其全壽命周期內(nèi)，也需經(jīng)歷若干次的大修和一般性維修。這就需要在進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮分離面的設(shè)計(jì)，以滿足方便拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)的需要。早期的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)尤其是前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)制造的戰(zhàn)斗機(jī)，設(shè)計(jì)這種分離面的做法往往是在飛機(jī)機(jī)身的中部設(shè)置分離面，需要拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候就將飛機(jī)機(jī)身從中部一分為二，然后把發(fā)動(dòng)機(jī)從后機(jī)身沿機(jī)身軸線方向抽出來(lái)。這樣做的好處是不影響飛機(jī)整體的載荷傳遞、結(jié)構(gòu)增重小，缺點(diǎn)是每次拆裝都必須先把機(jī)身前后分開(kāi)才能把發(fā)動(dòng)機(jī)拆下或裝入，每次拆裝工作至少需要48～72小時(shí)，極大地拖延了維護(hù)時(shí)間，對(duì)保證出勤率有很不利的影響。而現(xiàn)代飛機(jī)尤其是西方國(guó)家設(shè)計(jì)的戰(zhàn)斗機(jī)，拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)一般是在飛機(jī)后機(jī)身發(fā)動(dòng)機(jī)的下部設(shè)計(jì)開(kāi)口。這樣在拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候就可以把發(fā)動(dòng)機(jī)下方的口蓋打開(kāi)，拆除螺栓等緊固件后把發(fā)動(dòng)機(jī)直接從后機(jī)身下部取出，再換上可以使用的發(fā)動(dòng)機(jī)。完成整個(gè)拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程最快只需要幾個(gè)小時(shí)，大大縮短了維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間，提高了戰(zhàn)機(jī)出勤率。缺點(diǎn)是由于開(kāi)口破壞了機(jī)體原有的傳力路線，一般需設(shè)計(jì)成完全補(bǔ)償形式即可以傳遞各種載荷，造成的結(jié)構(gòu)增重較大，對(duì)減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量不利?！肮に囈蟆笔且环N“條件性和發(fā)展性”要求?！皸l件性”是說(shuō)結(jié)構(gòu)的工藝性好壞要結(jié)合飛機(jī)生產(chǎn)的條件，如產(chǎn)品數(shù)量、產(chǎn)量工期、加工條件等：“發(fā)展性”是針對(duì)產(chǎn)品數(shù)量和加工條件。比如，某些加工工藝適合小批量生產(chǎn)而某些加工工藝適合大批量生產(chǎn)，采用何種工藝取決于生產(chǎn)的數(shù)量：某些加II藝在設(shè)計(jì)時(shí)還不具備，但在后續(xù)生產(chǎn)時(shí)可實(shí)現(xiàn)，這就決定了不同批次生產(chǎn)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)可能采用不同的加工工藝，那么在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也會(huì)有細(xì)節(jié)上的差異。
　　雖然前述的“氣動(dòng)要求”、“使用維護(hù)要求”、“工藝要求”在整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中所占時(shí)間不多，但依然是很重要的。如果在結(jié)構(gòu)方案確定后，因?yàn)槟承┮蟛荒軡M足二更改結(jié)構(gòu)方案，將大大增加工作量，甚至因?yàn)椴荒芎芎玫馗亩鵂奚承┰O(shè)計(jì)指標(biāo)。最后，“重量要求”
　?。ㄒ喾Q“質(zhì)量要求”）是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要要求。飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證結(jié)構(gòu)在規(guī)定的載荷狀態(tài)下具有足夠的強(qiáng)度，不產(chǎn)生不能容許的殘余變形：具有足夠的剛度與采取其他措施避免出現(xiàn)不能容許的氣動(dòng)彈性問(wèn)題與振動(dòng)問(wèn)題：具有足夠的壽命等。在保證上述條件得到滿足的同時(shí)，應(yīng)使結(jié)構(gòu)質(zhì)量盡可能輕。這項(xiàng)要求可以概括為強(qiáng)度（剛度）一質(zhì)量要求或最小質(zhì)量要求，即在保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度等要求的前提下盡量做到結(jié)構(gòu)重量最輕。在航空工業(yè)領(lǐng)域，有一句非常有名的話：“航空工程師要為了減輕每一克重量而奮斗”
　?。ㄆ鋵?shí)準(zhǔn)確的說(shuō)應(yīng)該是為了減輕每一克“質(zhì)量”而努力，因?yàn)樵趪?guó)際通用的單位制下質(zhì)量的單位是克或者千克，而重量是物體受萬(wàn)有引力后力的度量，其單位是牛頓或者千牛。我們?cè)谌粘Ｉ钪辛?xí)慣了說(shuō)重量、減重等詞匯，此處就按照大家的語(yǔ)言習(xí)慣未作修改）。對(duì)于民用飛機(jī)，假設(shè)我們能夠使一架結(jié)構(gòu)質(zhì)量為30t的民機(jī)減輕100kg（只減輕了總結(jié)構(gòu)質(zhì)量的0，33%），則能多載一名乘客或100kg貨物，那么在飛機(jī)的全壽命周期就可以增加上百萬(wàn)元的收入。飛機(jī)的服役壽命越長(zhǎng)，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)利益也越大。對(duì)于軍用飛機(jī)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)全機(jī)推重比和翼載荷這兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)影響很大。質(zhì)量與起飛著陸性能有很大關(guān)系，與航程及爬升率等機(jī)動(dòng)性能指標(biāo)關(guān)系也較大，所以減輕質(zhì)量對(duì)軍機(jī)設(shè)計(jì)更為重要。這也就是為什么在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)基本要求中，質(zhì)量要求是主要要求的原因。用一句通俗的話講就是，如果飛機(jī)不能做得輕，怎么能飛上天呢。
　　了解這些基本要求，有助于我們理解飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想的演變?，F(xiàn)代飛機(jī)的成本越來(lái)越高，從而要求飛機(jī)有更長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)壽命和更高的使用可靠性，而且有些飛機(jī)還要求具備高超聲速飛行、低探測(cè)性等特種使用功能，它們都對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高和更特殊的需求?；厮蒿w機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的百年歷程，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)歷了從低到高、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從單一功能到多功能綜合的演變過(guò)程，但無(wú)論其設(shè)計(jì)思想如何演變，也都是為了更好地、更全面地滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求。
　　飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想是保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全的指導(dǎo)思想，它來(lái)源于飛機(jī)的使用實(shí)踐，同時(shí)受當(dāng)時(shí)科技水平設(shè)生產(chǎn)力水平的制約。雖然各階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想之間并無(wú)明顯的時(shí)間界限，但是按其發(fā)展過(guò)程大致可以分為靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、疲勞一安全壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、安全壽命/破損一安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（圖5～8）。再對(duì)上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則加以簡(jiǎn)化，可以分為5個(gè)階段：靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)：靜強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)：靜強(qiáng)度、剛度和安全壽命設(shè)計(jì)；靜強(qiáng)度、剛度和損傷容限與經(jīng)濟(jì)壽命設(shè)計(jì)：可靠性設(shè)計(jì)。（未完待