歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（EADS）旗下眾多的業(yè)務(wù)實(shí)體及航空航天合作伙伴積極參與更環(huán)保、更清潔的商用航空器的開發(fā)。他們正通過(guò)統(tǒng)稱為EADS Innovation Works的技術(shù)能力中心的全球網(wǎng)絡(luò)，積極尋求為航空器設(shè)計(jì)帶來(lái)可持續(xù)性——逐一研究每個(gè)組件的各種途徑。
       可持續(xù)航空器設(shè)計(jì)方興未艾
       Tamas Havar博士是位于德國(guó)慕尼黑附近的EADS InnovationWorksite的專家，主要負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)整合與機(jī)械系統(tǒng)部門的各種項(xiàng)目。他和他的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)開發(fā)使用復(fù)合材料的新型航空器結(jié)構(gòu)。Havar表示：“我們正在進(jìn)行的分析計(jì)劃目標(biāo)是集中精力開發(fā)創(chuàng)新型復(fù)合材料設(shè)計(jì)及制造方法，降低排量與制造成本。”
       作為德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部航空研究計(jì)劃“LuFo IV-HIT”的一部分，Airbus High-LiftR&T 團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)來(lái)自不同EADS業(yè)務(wù)部門以及大學(xué)。
       在航空應(yīng)用中，增強(qiáng)型碳纖維（CFRP）預(yù)浸料通常是首選的復(fù)合材料。然而在此情況下，EADS工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在考慮降低成本的同時(shí)，選擇了一種必需采用紡織復(fù)合材料的非熱壓罐成型工藝。此外，紡織復(fù)合材料還運(yùn)用于 A380壓力艙壁板中，A380是空中客車迄今為止使用復(fù)合材料最多的機(jī)型。
       設(shè)計(jì)復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵因素就是各部件如何連接至周邊航空器結(jié)構(gòu)。襟翼等目前復(fù)合材料高升力結(jié)構(gòu)通常采用金屬負(fù)載導(dǎo)入結(jié)構(gòu)連接機(jī)翼。這些提供故障安全設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致機(jī)身重量加大和制造成本上升。此外，金屬和所連接的復(fù)合材料部件之間也存在著熱系數(shù)差異。另一方面，復(fù)合材料負(fù)載導(dǎo)入結(jié)構(gòu)也允許損傷容限設(shè)計(jì)，因?yàn)橐惶庝亴悠茡p可由其它完好的鋪層補(bǔ)償。此外，采用復(fù)合材料還可消除導(dǎo)熱負(fù)載問(wèn)題，因?yàn)楦呱拓?fù)載導(dǎo)入結(jié)構(gòu)均采用相同的復(fù)合材料。
       Abaqus FEA推進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的發(fā)展
       EADS Innovation Works團(tuán)隊(duì)選用了Abaqus FEA對(duì)其復(fù)合材料LIR進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。Havar表示：“Abaqus是我們青睞的非線性求解器。它具備強(qiáng)大的復(fù)合材料分析功能，特別適合分析諸如我們LIR研究中所涉及的3D單元。”Abaqus FEA可用于EADS產(chǎn)品設(shè)計(jì)生命周期中的整個(gè)流程。在概念階段可用于縮小設(shè)計(jì)方案，在初步設(shè)計(jì)階段可用于設(shè)計(jì)首選概念，而在最后或詳細(xì)設(shè)計(jì)階段則可用于確保滿足所有規(guī)范要求。
       新型復(fù)合材料LIR不但包括提供整體吊耳的驅(qū)動(dòng)翼肋，這些吊耳可固定襟翼驅(qū)動(dòng)器，而且還包括可將裝配組件固定在襟翼蒙皮的鉚釘。該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是簡(jiǎn)化LIR復(fù)雜的幾何預(yù)成型，以便在除了預(yù)成型相對(duì)簡(jiǎn)單和低成本的地方之外確保其厚度一致，從而降低制造成本。該團(tuán)隊(duì)的解決方案是采用LIR 配置文件實(shí)現(xiàn)預(yù)成型鋪放的自動(dòng)化，從而最大限度降低了制造成本。
       要建模新的設(shè)計(jì)方案，EADS團(tuán)隊(duì)不得不考慮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，包括從4~10mm不等的厚度變化、鋪層下陷和倒棱處附加樹脂、在圓角處使用襯料等。Havar指出：“考慮到復(fù)合材料自身的變量，我們應(yīng)采用3D單元計(jì)算復(fù)合材料負(fù)載導(dǎo)入，并對(duì)所有應(yīng)力組件進(jìn)行準(zhǔn)確分析。由于復(fù)合材料負(fù)載導(dǎo)入經(jīng)常發(fā)生層離問(wèn)題，因此我們必須關(guān)注橫向剪切和剝離應(yīng)力。”
       考慮到上述因素，EADS工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用各種不同的Abaqus元件構(gòu)造了LIR模型。就襟翼而言，他們采用了大約2萬(wàn)個(gè)2D單元，而對(duì)LIR本身為了計(jì)算負(fù)載導(dǎo)入，他們使用了大約10萬(wàn)個(gè)連續(xù)殼3D單元，包括復(fù)合材料鋪層的六面體單元（每個(gè)單元4~8層，每層具有各向異性特性，支持3D元件方位）以及鋪層下陷處的五面體單元等。各向同性特性應(yīng)用于樹脂基體。綜上所述，LIR模型可提供大約45萬(wàn)個(gè)自由度（DOF）。
       此外，工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還必需演示裝配中使用的324個(gè)鉚釘，其可將LIR與周邊結(jié)構(gòu)固定起來(lái)，并能夠承受負(fù)載。Havar指出：“這不僅取決于所固定的結(jié)構(gòu)，而且還取決于鉚釘材料及其本身的尺寸。”為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，每個(gè)鉚釘都采用部件之間的彈性連接器建模。在一側(cè)，鉚釘固定在復(fù)合材料襟翼蒙皮上，另一側(cè)其采用多點(diǎn)約束（MPC）固定，從而可在不同的蒙皮厚度上分配負(fù)載。分析得到的連接載荷用來(lái)計(jì)算蒙皮擠壓實(shí)效和鉚釘斷裂的安全系數(shù)。
       為了完成LIR分析，EADS團(tuán)隊(duì)還使用Abaqus隱式求解器和后處理法計(jì)算了一些載荷工況。在上述情境中，襟翼固定在賦予梁?jiǎn)卧倪吔缣?，?lái)模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜅l件下在端部約束3個(gè)平移自由度。對(duì)于某些載荷工況，外側(cè)端的梁?jiǎn)卧粚?duì)稱平移，在襟翼上產(chǎn)生了額外的扭力。該分析獲得了層內(nèi)失效（在復(fù)合材料鋪層中）和層間實(shí)效（鋪層間）以及鉚釘及吊耳負(fù)載結(jié)果。
       復(fù)合材料分析的積極結(jié)果
       如果復(fù)合材料對(duì)設(shè)計(jì)未來(lái)更環(huán)保、更清潔的可持續(xù)性航空器非常重要，其具有更輕的重量、更高的燃料效率以及更少的排量，那么EADS合材料分析的結(jié)果就對(duì)各方面產(chǎn)生了積極的影響。對(duì)于LIR而言，面內(nèi)及橫向應(yīng)力分量在新型復(fù)合材料設(shè)計(jì)容限之內(nèi)；對(duì)于所有鉚釘而言，連接LIR與周邊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能系數(shù)都已達(dá)標(biāo)或超額達(dá)標(biāo)；而對(duì)于復(fù)合材料吊耳而言，性能也在行業(yè)安全規(guī)范范圍之內(nèi)。
       ADS希望在航空器設(shè)計(jì)中整合更多的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因此毫無(wú)疑問(wèn)，Innovation Works Lightweight Design團(tuán)隊(duì)將忙于開展一系列FEA項(xiàng)目。在設(shè)計(jì)工程師和FEA軟件開發(fā)人員合作應(yīng)對(duì)分析挑戰(zhàn)之際，復(fù)合材料也勢(shì)必將成為更環(huán)保新型航空器的重要組成部分。相信在不久的將來(lái)您將登上這樣的航班。