助力飛機(jī)“瘦身”的輕量化技術(shù)

陳軒

數(shù)十年來，隨著市場對飛機(jī)性能要求的不斷提高，飛機(jī)上的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)逐漸增多，飛機(jī)也變得越來越“臃腫”。與人類似，飛機(jī)超重也會引起一系列的問題。為此，設(shè)計(jì)師們?nèi)找骊P(guān)注飛機(jī)的“體重”，輕量化設(shè)計(jì)便是助力飛機(jī)“瘦身”的一種有效途徑。

輕量化的優(yōu)勢

輕量化這一概念起源于賽車運(yùn)動，如今已廣泛應(yīng)用到汽車、建筑、航空航天等領(lǐng)域。飛機(jī)輕量化的優(yōu)勢不難理解，單從經(jīng)濟(jì)角度來看，以可搭載400余人的波音747-400為例，其最大燃油容量為216840升，滿載航程1.3萬公里，大概為美國洛杉磯到上海的距離，單程燃油成本超過10萬美元。

由于飛機(jī)的油耗巨大，輕量化所帶來的燃油成本減少不容小覷。因此，我們不難理解為什么波音在787飛機(jī)研制過程中，愿意投入3億美元來研究飛機(jī)某個(gè)部位以鈦合金替代鋁合金的可行性，以此達(dá)到減重2500千克的目標(biāo)。

另外，飛機(jī)輕量化設(shè)計(jì)也與綠色航空的理念相契合。全球氣候變暖以及環(huán)境污染的加劇，使得減少航空碳排放迫在眉睫。國際民航組織計(jì)劃到2050年商用飛機(jī)的碳排放減少一半。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一方面要使用清潔能源，另一方面也要通過輕量化設(shè)計(jì)等方法來提高燃油效率。從技術(shù)角度來講，輕量化有助于提升飛機(jī)的性能，如飛行速度、載重量、推重比和升力等。

對于商用飛機(jī)來說，更大的推重比意味著更大的運(yùn)力。波音737-900系列飛機(jī)的載客量為203人，已經(jīng)是第一代737-100系列飛機(jī)的一倍以上。輕量化設(shè)計(jì)在增加飛機(jī)運(yùn)客量的同時(shí)，也給乘客帶來了更寬敞的空間、更完善的空中設(shè)施以及更快捷的飛行體驗(yàn)。

三種主要途徑

大體而言，飛機(jī)輕量化技術(shù)可以分為輕量化材料應(yīng)用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造工藝三種主要途徑。其中，常見的輕量化材料包括鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼和復(fù)合材料等，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，先進(jìn)制造工藝包括增材制造、先進(jìn)金屬制造工藝等。

新型材料

在飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，材料選擇是關(guān)鍵一環(huán)，“一代材料，一代飛機(jī)”的說法更是把材料對于飛機(jī)的重要性表現(xiàn)得淋漓盡致。自1903年美國萊特兄弟用木材、鋼材和布制造出第一架飛機(jī)以來，飛機(jī)材料的發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)階段。目前，商用飛機(jī)使用的材料主要有復(fù)合材料、鋁、鈦、鋼等。

以碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）為主的復(fù)合材料，具有可設(shè)計(jì)性好、密度低、高強(qiáng)度、高模量、抗疲勞性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。與普通鋼材相比，其重量減輕了75%，而強(qiáng)度卻提高了4倍。復(fù)合材料最開始被應(yīng)用于軍用飛機(jī)，用量由少到多，部位由一般結(jié)構(gòu)到主承力結(jié)構(gòu)，經(jīng)過幾十年的經(jīng)驗(yàn)積累后，才逐步應(yīng)用到商用飛機(jī)上。

如今，復(fù)合材料的用量、應(yīng)用部位及工藝水平已經(jīng)成為衡量大型飛機(jī)先進(jìn)程度的一個(gè)重要指標(biāo)，波音787和空客A350XWB的復(fù)合材料用量都占50%以上。復(fù)合材料不僅可以減輕飛機(jī)的重量，而且還改善了飛機(jī)的耐腐蝕性和抗疲勞性能，降低了維護(hù)費(fèi)用，大幅度提高了飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

盡管復(fù)合材料已成為未來航空材料的主流，但從目前來看，其成本還是過高，因此，經(jīng)過長期考驗(yàn)的、不斷改進(jìn)的傳統(tǒng)金屬材料還是首選。在傳統(tǒng)金屬材料中，鋁、鈦、鋼等材料仍占主導(dǎo)地位。鋁合金質(zhì)輕、耐腐蝕、比強(qiáng)度高，是應(yīng)用最廣的有色金屬結(jié)構(gòu)材料，很多飛機(jī)型號的機(jī)身蒙皮、外翼蒙皮、機(jī)翼長桁等都采用鋁合金。由于熱處理技術(shù)的發(fā)展，新品種的鋁合金不斷出現(xiàn)，特別是第三代鋁鋰合金，不僅具有低密度、高彈性模量、高比強(qiáng)度和高比模量等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還兼具低疲勞裂紋擴(kuò)展速率、較好的高溫低溫性能，被認(rèn)為是最理想的航空航天材料之一。中國商飛C919飛機(jī)大量使用了第三代鋁鋰合金，減重效果十分明顯。

鈦合金作為近幾十年發(fā)展的新型輕金屬材料，具有高強(qiáng)高模、高損傷容限、耐高溫、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)。然而，較差的可制造性和高成本（通常是鋁合金成本的8倍以上）限制了鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的大量使用。目前，鈦合金主要用在有高強(qiáng)度、抗腐蝕需求但空間有限的區(qū)域，如飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)和航空發(fā)動機(jī)部件。

優(yōu)化設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師會依靠自身經(jīng)驗(yàn)或參考現(xiàn)有機(jī)型的結(jié)構(gòu)，先初步設(shè)定每個(gè)零件的尺寸大小和位置分布，再通過模擬試驗(yàn)收集數(shù)據(jù)，計(jì)算校核設(shè)計(jì)方案的可行性，這種方法往往需要進(jìn)行多次反復(fù)才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求?？傮w而言，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程往往更注重結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和壽命等安全性因素，減重效果并不理想。

在使用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法時(shí)，設(shè)計(jì)師首先會根據(jù)設(shè)計(jì)的空間、約束以及目標(biāo)，建立初步有限元模型，通過優(yōu)化計(jì)算，得出初步的最優(yōu)拓?fù)潢P(guān)系（即材料分布），然后在這一基礎(chǔ)上建立幾何模型，再經(jīng)過尺寸和形狀優(yōu)化，進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，最終通過有限元校核和試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從而得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在航空領(lǐng)域中主要采用三種方法：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。

尺寸優(yōu)化是確定結(jié)構(gòu)最佳尺寸的最基本方法，主要對象是桿件截面積、板殼厚度等。形狀優(yōu)化主要針對結(jié)構(gòu)外邊界或孔洞形狀，但最終結(jié)構(gòu)的連通性不會改變。拓?fù)鋬?yōu)化用于確定設(shè)計(jì)域內(nèi)最佳材料分布，從而使結(jié)構(gòu)能在滿足特定約束條件下，將外載荷傳遞到結(jié)構(gòu)支撐位置，同時(shí)結(jié)構(gòu)的某種形態(tài)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重的同時(shí)，也增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的性能。

先進(jìn)制造工藝

可制造性是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)關(guān)鍵要素，它決定了設(shè)計(jì)方案是否能制造成真實(shí)的產(chǎn)品。因此，在材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師必須考慮可制造性方面的問題。例如，鈦合金具有非常高的比強(qiáng)度和其他優(yōu)良性能，但它們的應(yīng)用受到高制造成本的限制，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果往往是復(fù)雜的幾何形狀，有時(shí)不能通過鑄造等傳統(tǒng)制造工藝制造。

以增材制造為代表的新型制造工藝是飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化的關(guān)鍵。相對于傳統(tǒng)對原材料去除、切削、組裝的加工模式，增材制造是一種“自上而下”材料累積的制造方法，可以制造出具有復(fù)雜幾何形狀的結(jié)構(gòu)，并且可以釋放制造約束，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性。設(shè)計(jì)靈活性的提升使結(jié)構(gòu)的整體化制造成為可能，而零件數(shù)量的減少往往意味著整體結(jié)構(gòu)變得更輕。

以復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造為例，常見的復(fù)合材料制造工藝一般是先鋪放預(yù)成型，然后放入熱壓罐固化成型。由于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要配套復(fù)雜的模具工裝，一方面模具成本高，另一方面制件鋪放預(yù)成型的難度大、工時(shí)長，無形中增加了制造成本。而復(fù)合材料增材制造不需要工裝，也沒有后續(xù)的熱壓罐固化，節(jié)約了熱壓罐設(shè)備采購和運(yùn)行成本、固化過程中的輔助材料以及工藝運(yùn)轉(zhuǎn)成本。因此，從長期發(fā)展來看，增材制造技術(shù)的應(yīng)用前景十分看好。

未來發(fā)展趨勢

隨著技術(shù)水平的不斷提高，飛機(jī)輕量化在材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造工藝等方面呈現(xiàn)出越來越快的發(fā)展趨勢。

在輕量化材料方面，首先，飛機(jī)的更新?lián)Q代對其使用材料的性能提出了更高的要求；其次，對傳統(tǒng)材料的持續(xù)改進(jìn)仍在進(jìn)行；第三，更加強(qiáng)調(diào)飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)轉(zhuǎn)移和產(chǎn)業(yè)化。目前，復(fù)合材料向耐高溫、智能化方向發(fā)展，碳纖維、陶瓷基復(fù)合材料和樹脂基復(fù)合材料是發(fā)展重點(diǎn)。金屬結(jié)構(gòu)則向著輕量化、復(fù)合化方向發(fā)展，輕質(zhì)耐高溫金屬和金屬納米復(fù)合材料是發(fā)展重點(diǎn)。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)朝著數(shù)字化方向發(fā)展，OptiStruct、MSC Nastran等計(jì)算機(jī)輔助軟件的應(yīng)用越來越廣泛。提高結(jié)構(gòu)效率、減輕結(jié)構(gòu)重量是優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，數(shù)字化算法是提升優(yōu)化設(shè)計(jì)效率的關(guān)鍵，大型整體承力結(jié)構(gòu)和功能一體化結(jié)構(gòu)是現(xiàn)階段優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用的重點(diǎn)對象。

先進(jìn)制造工藝水平也有望在近幾年得到大幅提高。對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，整體化和精密自動化是發(fā)展方向。大型制造工藝設(shè)備和非熱壓罐低溫固化技術(shù)發(fā)展迅猛，有利于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體化制造。高精度自動化成型技術(shù)，如自動鋪帶、自動鋪絲、擠壓成型等，在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)制造上的運(yùn)用越來越廣泛。

對于金屬材料結(jié)構(gòu)，整體加工、數(shù)控加工和新型制造技術(shù)是發(fā)展方向。大型壁板采用噴丸成形、壓彎成形等技術(shù)實(shí)現(xiàn)整體制造。未來，飛機(jī)上仍會有大量數(shù)控加工件，數(shù)控加工將向更加精密、高效的方向發(fā)展。泡沫金屬成型、熱成型淬火、超塑性成型等制造工藝的發(fā)展，為制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)件提供了保障。與此同時(shí)，無論是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，還是金屬結(jié)構(gòu)，增材制造技術(shù)都具有巨大的潛力，這將是未來飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造工藝的一個(gè)重要發(fā)展方向。