轻量化设计是一个广泛探索和使用的概念,在许多行业,特别是航空航天应用,并与绿色航空的概念。航空对全球变暖现象和环境污染的贡献导致了不断减少航空排放的努力。实现这一目标的方法包括提高能源效率。提高能源效率和减少燃料消耗的一个有效方法是减少飞机的质量,因为质量越低,在飞行过程中所需要的升力和推力就越小。例如,波音787的重量减少了20%,燃油效率提高了10 - 12%。除了减少碳足迹,飞行性能的改进,如更好的加速度,更高的结构强度和刚度,以及更好的安全性能也可以通过轻量化设计实现。

太阳能无人机(UAV)的轻量化优化就是利用清洁能源和轻量化结构实现绿色航空运营的一个例子。目前的太阳能无人机设计面临着能量密度不足和机翼刚度不足等挑战。轻量化设计对于超轻航空来说是必不可少的,它能使飞行持续时间更长。

轻量化设计的原则是使用更少的材料和更低的密度,同时确保相同或增强的技术性能。将先进的轻量化材料应用于数值优化结构是实现航空航天部件轻量化设计的典型方法。因此,轻量化材料的应用可以有效地实现减重和提高性能。虽然金属材料——尤其是铝合金——仍然是航空航天应用中的主导材料,但复合材料已经引起了越来越多的兴趣,并在许多新的飞机应用中与铝合金竞争。

结构优化是实现轻量化的另一种有效途径,通过分布材料减少材料的使用,提高结构性能,如更高的强度和刚度,更好的振动性能。传统的结构优化方法有尺寸、形状和拓扑。可制造性是材料选择和结构优化的关键约束。增材制造、泡沫金属和先进金属成形等先进制造技术的发展,不仅使先进材料的应用成为可能,而且放松了约束,增强了多尺度结构优化的灵活性。

图1所示。轻量化设计实例:(a) SAW Revo特技飞机,(b) Zephyr高空伪卫星无人机,(c)空客未来飞机模型概念,和(d)盒翼飞机概念。

许多轻量化设计实例已成功地应用于轻型飞机的设计中。图1(a)展示了SAW Revo概念飞机(由Orange aircraft生产),这是一架超轻型特技飞行飞机,采用碳纤维增强复合材料机翼和拓扑优化的桁架状机身。这架翼展6米的飞机的空重为177公斤。图1(b)显示了空中客车公司的一架高空伪卫星太阳能无人机。目前,Zephyr 7保持着最长绝对飞行时间(336小时22分8秒)和最高飞行高度(21562米)的世界纪录,部分原因是通过轻量化提高了能源效率。图1(c)展示了一种未来概念轻型飞机的模型,来自空中客车公司,灵感来自鸟类骨架。图1(d)演示了一个盒子翼飞机的概念,形状优化在机翼设计中被使用。采用箱形翼结构可以提高结构效率;与传统机翼结构相比,箱型机翼具有更高的刚度和更低的诱导阻力。

选择轻质材料

选择航空航天材料在航空航天部件设计中是至关重要的,因为它影响了飞机性能的许多方面,从设计阶段处理,包括结构效率,飞行性能,有效载荷,能耗,安全性和可靠性,生命周期成本,可再循环性和可处理性。航空航天结构材料的关键要求包括机械,物理和化学性质,如高强度,刚度,疲劳耐久性,损伤耐受性,低密度,高热稳定性,高腐蚀和氧化物电阻,以及商业标准,如成本,维修和可制造性。研究表明,提高结构效率的最有效方法是降低密度(与增加的刚度或强度相比,比较速度约为3至5倍),即使用轻质材料。

图2。多种波音产品的材料分布。

最常用的商用航空航天结构材料是铝合金、钛合金、高强度钢和复合材料,一般占机身重量的90%以上。从20世纪20年代到20世纪末,金属——因为其高强度和刚度,尤其是铝合金——一直是机身制造的主要材料,安全性和其他飞行性能指标驱动着飞机设计决策。轻型铝合金是领先的航空结构材料,2000年以前占大多数民用飞机机身重量的70%-80%,现在仍然发挥着重要作用。自20世纪60年代中期到70年代,由于高性能复合材料的发展,复合材料在航空航天结构中的使用比例有所增加。图2显示了一些波音产品的材料分布。

铝合金。虽然高性能复合材料如碳纤维正受到越来越多的兴趣,但铝合金仍然占航空航天结构重量的一个重要比例。相对较高的比强度和刚度,良好的延展性和耐腐蚀性,低廉的价格,以及优良的制造性和可靠性,使先进的铝合金在许多航空航天结构应用中,如机身蒙皮,上下机翼蒙皮和机翼弦,成为轻型材料的流行选择。热处理技术的发展提供了高强度的铝合金,在许多航空航天应用中与先进的复合材料保持竞争。通过调整成分和热处理方法,铝合金可以提供广泛的材料性能,以满足不同的应用要求。

钛合金。与其他金属相比,钛合金有许多优点,如高比强度、耐热性、耐低温脆化和低热膨胀。这些优点使钛合金在机身和发动机应用中成为钢材和铝合金的优秀替代品;然而,钛合金的工艺性差,成本高(通常是商用铝合金的8倍左右),限制了钛合金的广泛应用。因此,钛合金被用于需要高强度但空间有限的地方,以及需要高耐腐蚀的地方。目前钛合金在航空航天中的应用主要是在机身和发动机部件上,整体重量分别占7%和36%。

高强度钢。由于良好的可制造性和可用性,高强度钢形式,高度高度的尺寸特性以及商业航空航天材料中的良好尺寸特性以及商业航空航天材料中的良好尺寸特性以及商业航空航天材料中的良好尺寸特性以及商业航空航天材料中的良好尺寸特性以及商业航空航天材料中的良好尺寸特性以及商业航空航天材料中的最低尺寸特性,钢是最常用的结构材料。但是高密度和其他缺点,例如对腐蚀和脆化的易感性相对较高,限制了高强度钢在航空航天部件和系统中的应用。钢通常占商业飞机结构重量的约5%至15%,稳步下降的百分比。尽管有局限性,高强度钢仍然是安全关键部件的选择,其中需要极高的强度和刚度。航空航天高强度钢的主要应用是传动,轴承和底盘应用。

航空航天复合材料。高性能复合材料如纤维增强聚合物和纤维金属层压板(FML)在航空航天应用中受到了更多的关注,与铝合金等主要的轻质航空航天材料相竞争。通常,航空复合材料具有比中等温度在大多数金属上具有更高的比强度和特定刚度。复合材料的其他优点包括改善的疲劳电阻,耐腐蚀性和防潮性以及在所需方向上覆盖最佳强度和刚度的能力;然而,与金属相比复合材料的更高成本是应用复合材料的主要障碍之一。

Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) represents the most extensively used aerospace structural material apart from aluminum alloys, with the major applications being structural components of the wing box, empennage, and fuselage as well as control surfaces (e.g. rudder, elevator, and ailerons). Glass fiber reinforced polymer (GFRP) is used in radomes and semi-structural components such as fairings. Aramid fiber polymers are used where high impact resistance is required. Fiber metal laminates, especially glass fiber reinforced aluminum (GLARE), are other types of composites that have applications in aerospace (especially in the Airbus A380) due to enhanced mechanical properties such as reduced density, high strength, stiffness, and fatigue resistance compared with monolithic metals. The main applications of GLARE are the fuselage skin and empennage.

形状记忆聚合物复合材料(SMPC)是智能材料,其可以通过释放存储在材料中的内应力,例如温度,电磁场,特定光波长等的某个刺激而改变它们的形式。SMPC在航空航天部件和系统中的应用包括变形翼飞机的机翼皮,以及卫星的太阳能阵列和反射器天线。SMPCS过度形状记忆合金(SMA)的优点包括较低的密度,更高的形状可变形性和可恢复性,更好的处理和更低的相对成本。

纳米技术的作用

纳米技术的发展提供了在纳米级上改善多功能性质(物理,化学,机械性能等)的机会。与常规复合材料不同,纳米复合材料通过仅加入少量纳米颗粒(例如,层状硅酸盐,官能化碳纳米管(CNT)和石墨薄片),纳米复合材料提供了改善的性能而没有过多的密度缩小的性能。为了增加复合材料的氧化抗性,例如,可以包括纳米颗粒,例如可以形成钝化层的硅酸盐,CNT或多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)。

在复合材料基体中添加碳纳米管、二氧化硅和层状硅酸盐可以促进结构破坏的能量耗散,提高复合材料的韧性,从而在高损伤容忍度结构中具有潜在的应用价值。除了高模量外,连续碳纳米管等高强纳米颗粒还可以提高复合材料的刚度和强度。

纳米复合材料的开发提供了冗余消除和减轻减少的机会,这提供了促进航空航天部件性能的显着潜力,特别是在轻质上。

先进制造

可制造性是整个设计过程中的一个至关重要的约束,控制设计是否可以制造成真实产品的可能性。在材料选择,结构设计和优化期间,必须考虑制造限制。拓扑优化设计倾向于导致复杂的几何形状,其不能通过常规制造方法制造,例如铸造和形成,无需修改。因此,制造方法对轻质设计具有显着影响。

先进制造技术的发展,如增材制造(AM)、泡沫金属制造和先进金属成形,可以显著扩大轻量化设计的灵活性,无论是在材料选择和结构优化。

我最初被开发出来快速生产原型,现在已成为标准的制造工具。虽然AM吸引了很多关注的优点,但AM要与传统的制造方法竞争,包括制造部件的质量,耗时的过程,相对昂贵的原材料以及建立标准,资格要求和认证的挑战。

结论

航空航天系统材料的选择是基于特定组件或系统的工作条件——如加载条件、工作温度、湿度、腐蚀条件和噪声——结合经济和调节因素;例如,机翼在使用过程中主要承受弯曲、拉伸、扭转、振动和疲劳。因此,机翼材料的主要约束是刚度、抗拉强度、抗压强度、屈曲强度和振动。复合材料如cfrp和GLAREs通常比金属具有更高的比强度和刚度,这使得复合材料成为许多航空航天部件和系统轻量化设计的一个有吸引力的选择;然而,金属具有易于制造和获得以及低成本的优点,使它们仍然广泛应用于许多航空航天应用。

轻质代表实现能耗减少和性能增强的有效方法。这种概念在许多行业中得到了很好的接受和利用,特别是在航空航天部件和系统设计中。轻量化设计涉及使用先进的制造方法实现先进的轻质材料和数值结构优化。

本文由英国帝国理工学院朱立、李乃宁和查尔兹共同撰写。了解更多在这里


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本文首先出现在2019年3月刊上yabovip16.com杂志。

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