如今使用的許多計(jì)算機(jī)仿真模擬工具都是從航空航天工業(yè)中起步的，它們的使用總是伴隨著大量的物理測(cè)試。然而，復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)的引入使得人們需要更多地依賴仿真工具和方法。飛機(jī)設(shè)計(jì)師在復(fù)合材料中發(fā)現(xiàn)了許多好處，但他們也對(duì)復(fù)合材料可能帶來(lái)的一些潛在困難保持警惕，這些問(wèn)題是最新的模擬軟件設(shè)計(jì)用來(lái)處理的。
復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)
飛機(jī)設(shè)計(jì)師之所以喜歡復(fù)合材料，主要是因?yàn)樗鼈兙哂袠O高的剛度重量比。異常堅(jiān)硬的碳纖維與塑料基體相結(jié)合，形成了一種非常輕但堅(jiān)硬的材料，與傳統(tǒng)材料相比具有許多優(yōu)點(diǎn)。碳纖維復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度等于或超過(guò)大多數(shù)金屬，但密度小于鋁，這使得飛機(jī)更輕、更省油。
復(fù)合材料還具有非常優(yōu)異的耐疲勞性能。當(dāng)裂紋在基體中形成時(shí)，它們很快被纖維阻止，因此裂紋不會(huì)像在金屬結(jié)構(gòu)中那樣傳播。復(fù)合材料可能會(huì)斷裂，但在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中產(chǎn)生裂紋所必須施加的力是相當(dāng)大的，而大部分能量用于破壞纖維與基體的結(jié)合，而不是變形，因此材料本身吸收了大部分能量。
飛機(jī)工程師從復(fù)合材料中獲得了設(shè)計(jì)上的靈活性。復(fù)合材料的剛度特性可以在一定程度上進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)樗鼈冊(cè)谘刂鰪?qiáng)纖維的方向上更為堅(jiān)硬。復(fù)合材料的制造方式通常包括層壓，其中單向織物層沿各種方向堆疊，可以在結(jié)構(gòu)需要時(shí)提供最大剛度。此外，工程師可以定制復(fù)合材料，使其在施加載荷時(shí)形狀略有改變。這一特性使機(jī)翼的開(kāi)發(fā)在空氣動(dòng)力學(xué)上更加有效。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)鞲衅髑度腼w機(jī)的蒙皮中，從而允許飛行員監(jiān)測(cè)任何損傷。在小問(wèn)題發(fā)展成緊急問(wèn)題之前發(fā)現(xiàn)小問(wèn)題的能力使這種傳感器非常寶貴。
復(fù)合材料另外一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是具有耐腐蝕性。由于不含金屬，因此材料不會(huì)發(fā)生電偶腐蝕。腐蝕是金屬飛機(jī)面臨的一個(gè)主要問(wèn)題，而飛機(jī)運(yùn)行的環(huán)境具有很強(qiáng)的腐蝕性，因此必須經(jīng)常檢查金屬飛機(jī)的腐蝕損傷。由于復(fù)合材料的耐腐蝕性，減少了復(fù)合材料機(jī)身的檢查周期，節(jié)省了操作人員的時(shí)間和費(fèi)用。
除了在成本和性能上的優(yōu)勢(shì)外，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)還可以使乘客的飛行更加舒適和方便。使用復(fù)合材料機(jī)身時(shí)，飛機(jī)內(nèi)外的空氣壓力差可能更大，因?yàn)閺?fù)合材料可以比金屬更有效地應(yīng)對(duì)反復(fù)的客艙增壓和減壓，金屬在這些操作中容易疲勞。因此，可以提高機(jī)艙內(nèi)的壓力，從而使飛機(jī)降落時(shí)的耳鳴聲降低。在復(fù)合材料機(jī)身中，機(jī)艙內(nèi)的濕度也可以設(shè)置在更高的水平，這樣就不會(huì)受到腐蝕。在長(zhǎng)時(shí)間飛行后，較高的濕度可以防止頭痛和口干。另一個(gè)好處是復(fù)合材料飛機(jī)的窗戶可以更大，因?yàn)樗鼈冇煞浅?jiān)硬的材料支撐。
復(fù)合材料帶來(lái)的問(wèn)題
雖然復(fù)合材料解決了許多金屬結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的問(wèn)題，但它們也有自己的問(wèn)題。其中最重要的一點(diǎn)是，由于復(fù)合材料是由多個(gè)鋪層構(gòu)成的，因此復(fù)合材料可能會(huì)在這些層之間最薄弱的位置發(fā)生分層。當(dāng)施加垂直于各層的荷載或剪切荷載時(shí)，特別有可能發(fā)生分層。
為了應(yīng)對(duì)分層并避免屈曲帶來(lái)的挑戰(zhàn)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師必須確認(rèn)，復(fù)合材料所承受的載荷在很大程度上是纖維最強(qiáng)的面內(nèi)載荷。如果設(shè)計(jì)工程師想降低分層的可能性，就必須考慮結(jié)構(gòu)中所有的潛在載荷路徑，這也是計(jì)算機(jī)模擬對(duì)復(fù)合材料飛機(jī)設(shè)計(jì)越來(lái)越重要的原因之一。
工程師們面臨的另一個(gè)問(wèn)題是，與金屬不同的是，沒(méi)有辦法檢查復(fù)合材料的弱處或內(nèi)部損傷。當(dāng)出現(xiàn)分層或裂紋時(shí)，它們通常隱藏在復(fù)合材料內(nèi)部看不見(jiàn)的地方。嵌入式傳感器有助于捕捉這些故障，但它們需要一種對(duì)飛機(jī)工業(yè)來(lái)說(shuō)是新的方法，需要對(duì)工藝進(jìn)行調(diào)整。
在將復(fù)合材料構(gòu)件連接到金屬結(jié)構(gòu)上時(shí)，圍繞復(fù)合材料的最棘手問(wèn)題之一變得顯而易見(jiàn)。由于復(fù)合材料是較硬的材料，它們承受了大部分載荷。制造商通過(guò)簡(jiǎn)單地用更多的復(fù)合材料建立復(fù)合材料與金屬的連接來(lái)補(bǔ)償這種增加的應(yīng)力。然而，這增加了重量，而且金屬的膨脹和收縮速度往往與它所連接的復(fù)合材料不同。這種不平衡會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)失效。
當(dāng)然，這個(gè)困難可以通過(guò)簡(jiǎn)單地用復(fù)合材料制造更多的組件，創(chuàng)建一個(gè)全復(fù)合材料接頭來(lái)解決。然而，這樣的解決方案并不容易。復(fù)合材料通常與粘合層連接，當(dāng)受到某種載荷時(shí)，粘合層本身容易分層。兩個(gè)復(fù)合材料部件可以用緊固件連接，但這一過(guò)程會(huì)引入鉆孔產(chǎn)生的應(yīng)力集中以及復(fù)合材料和緊固件之間不同的膨脹率。
理想的解決方案是開(kāi)發(fā)更全面、完整的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，從而避免零件的連接，飛機(jī)開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)整體制造方法方面正在取得巨大進(jìn)展。
顯然，想要在飛機(jī)上使用復(fù)合材料的工程師、設(shè)計(jì)師和制造商必須考慮和測(cè)試多種因素。他們?cè)絹?lái)越依賴計(jì)算機(jī)模擬來(lái)幫助評(píng)估所有可能影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的變量。
和其他行業(yè)一樣，在投資建造昂貴的飛機(jī)之前，模擬技術(shù)可以用來(lái)在計(jì)算機(jī)屏幕上設(shè)計(jì)和測(cè)試復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。然而，對(duì)于復(fù)合材料，模擬變得更加復(fù)雜。與金屬和塑料部件不同，復(fù)合材料不是均勻的材料。它們由具有特定方向性的纖維層組成，這些方向性可能影響結(jié)構(gòu)的反應(yīng)方式。這種異質(zhì)性成倍地增加了必須考慮的設(shè)計(jì)變量。因此，我們看到了許多非常保守的飛機(jī)設(shè)計(jì)，這些飛機(jī)無(wú)法充分利用復(fù)合材料的寶貴特性。
然而如今，工程師們已經(jīng)可以使用仿真軟件來(lái)管理優(yōu)化基于復(fù)合材料的設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)，從而得到更可靠和系統(tǒng)的結(jié)果。該軟件能可靠地計(jì)算出應(yīng)采用的鋪層數(shù)量和位置、應(yīng)采用的鋪層角度以及鋪層的最佳方式?；谟?jì)算機(jī)的軟件可以同時(shí)評(píng)估數(shù)百個(gè)荷載工況，考慮無(wú)數(shù)的變量，并自動(dòng)生成針對(duì)特定應(yīng)用的最佳組合結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果。
借助這種先進(jìn)的模擬軟件，工程師可以很容易地將復(fù)合材料層的形狀和參數(shù)映射到模擬模型上，模擬產(chǎn)生的結(jié)果不容易測(cè)試，可以提供對(duì)設(shè)計(jì)和可能存在的潛在問(wèn)題的深刻見(jiàn)解。例如，在沒(méi)有可靠的物理測(cè)試方法的情況下，模擬可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部各層之間的平面外應(yīng)力。此外，優(yōu)化方法可以開(kāi)發(fā)出一種將這些應(yīng)力降至最小化，以消除在正常載荷條件下分層的可能性。
在新一代復(fù)合材料飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，仿真模擬正成為一個(gè)關(guān)鍵的過(guò)程，它可以產(chǎn)生更安全、更舒適和更省油的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)也必將在未來(lái)幾年推動(dòng)復(fù)合材料在更多結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。
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