轻量化设计是一个广泛探索和应用的概念在许多行业,特别是在航空航天应用,并与绿色航空概念相联系。由于航空对全球变暖现象和环境污染所作的贡献,因此正在努力减少航空排放。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有效方法是减少飞机的质量,因为在飞行过程中,较低的质量需要较少的升力和推力。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,飞行性能的改善,如更好的加速度,更高的结构强度和刚度,更好的安全性能也可以通过轻量化设计实现。

太阳能无人机轻量化优化是利用清洁能源和轻量化结构实现绿色航空运营的一个实例。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至关重要,它能使飞行时间更长。

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的结构上是实现航天部件轻量化设计的典型途径,该结构可通过适当的制造方法进行制造。因此,轻量化材料的应用可以有效地达到减轻重量和提高性能的双重目的。虽然金属材料,特别是铝合金,仍然是航空航天应用的主导材料,复合材料受到越来越多的兴趣,并在许多新的飞机应用与铝合金竞争。

结构优化是实现轻量化的另一有效途径,通过分配材料减少材料使用,提高结构性能,如更高的强度和刚度和更好的振动性能。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条件。增材制造、泡沫金属、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,而且放宽了约束,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) see Revo特技飞行飞机;(b)西风(Zephyr)高空伪卫星无人机;(c)空中客车未来概念飞机模型;(d)盒式机翼概念飞机。

轻量级设计的许多例子已成功应用于轻质飞机的设计。图1(a)示出了锯Revo概念飞机(由橙色飞机产生),这是一种带有碳纤维增强复合翼的超轻的特技飞机和拓扑优化的桁架样机具。这架6米翼飞机的空重量为177千克。图1(b)显示了来自空中客车的高空,伪卫星太阳能UAV。Zephyr 7目前拥有世界上最长的绝对飞行持续时间(336小时,22分钟,8秒)和最高飞行高度(21,562米)的世界纪录,部分原因是通过轻量价提高能源效率。图1(c)显示了来自空中客车的2050年未来概念轻量级飞机的模型,由鸟骨架启发。图1(d)演示了翼翼设计中使用形状优化的盒翼飞机的概念​​。通过使用箱翼结构可以增加结构效率;与常规机翼结构相比,箱翼较高的刚度和较低的诱导拖曳力导致。

选择轻质材料

航空材料的选择在航空零部件设计中至关重要,从设计阶段到处置阶段,包括结构效率、飞行性能、有效载荷、能源消耗、安全性和可靠性、生命周期成本、可回收性和可处置性等诸多方面。航空航天结构材料的关键要求包括机械、物理和化学性能,如高强度、刚度、疲劳耐久性、损伤容错性、低密度、高热稳定性、高耐腐蚀和抗氧化性,以及商业标准,如成本、服务和可制造性。研究表明,提高结构效率最有效的方法是降低密度(比增加刚度或强度有效3 - 5倍),即使用轻量化材料。

图2。波音产品的选材分布。

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年代到本世纪末,金属——由于其高强度和刚度,尤其是铝合金——一直是机身制造中的主导材料,并以安全和其他飞行性能指标来驱动飞机的设计决策。轻型铝合金是主要的航空结构材料,在2000年以前占大多数民用飞机机身重量的70%-80%,并且仍然发挥着重要作用。自20世纪六七十年代中期以来,高性能复合材料的发展使复合材料在航空航天结构中的应用比例不断增加。图2显示了一些波音产品的材料分布。

铝合金。虽然碳纤维如碳纤维的高性能复合材料正在接受越来越关注的兴趣,但铝合金仍然构成了航空航天结构重量的显着比例。相对较高的特定强度和刚度,良好的延展性和耐腐蚀性,低价格和优异的可制造性和可靠性使得先进的铝合金在许多航空航天结构应用中的一种流行的轻质材料选择,例如,机身皮肤,上部和下翼皮,和翼桁条。热处理技术的发展提供了高强度铝合金,在许多航空航天应用中,以先进的复合材料持竞争力。铝合金可以通过调节组成和热处理方法提供各种符合各种应用要求的材料特性。

钛合金。钛合金在其他金属上具有许多优点,例如高比强度,耐热性,低温脆性抵抗和低热膨胀。这些优点使钛合金成为机身和发动机应用中的钢和铝合金的优异替代品;然而,可差的可制造性和高成本(通常比商业铝合金高约8倍)导致钛合金的限制广泛使用。因此,使用钛合金,其中需要高强度但是有限的空间,以及需要高耐腐蚀性的情况下。目前在航空航天中的钛合金应用主要是在机身和发动机部件中,总共包含7%和36%的重量。

高强度钢。由于良好的可制造性和可用性,高强度钢具有极高的强度和刚度,在高温下具有良好的尺寸性能,以及在商业航空航天材料中成本最低,钢是许多工业应用中最常用的结构材料。但高强度钢的高密度等缺点,如相对较高的腐蚀和脆化敏感性,限制了高强度钢在航空航天部件和系统中的应用。钢通常占商用飞机结构重量的5% - 15%,并且这个比例在稳步下降。尽管有局限性,高强度钢仍然是安全关键部件的选择,在那里需要极高的强度和刚度。高强度钢在航空航天领域的主要应用是齿轮、轴承和起落架。

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合板(FML)在航空航天应用中受到越来越多的关注,与铝合金等主要轻型航空航天材料竞争。一般来说,航天复合材料在中等温度下比大多数金属具有更高的比强度和比刚度。复合材料的其他优点包括提高抗疲劳性、耐腐蚀性和耐湿气性,以及根据要求方向调整铺层以获得最佳强度和刚度的能力;然而,与金属相比,复合材料的成本较高是复合材料应用的主要障碍之一。

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)。

将CNT,二氧化硅和层状硅酸盐添加到复合基质中可以促进对结构失败的能量耗散,增加复合材料的韧性并导致高损害耐受结构的潜在应用。除了高模量之外,高强度纳米颗粒如连续CNT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,可以在材料选择和结构优化方面极大地扩展轻量化设计的灵活性。

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操作条件-如加载条件、操作温度、湿度、腐蚀条件和噪声-并结合经济和调节因素;例如,机翼在服役期间主要承受弯曲、张力、扭转、振动和疲劳。因此,机翼材料的主要约束条件是刚度、抗拉强度、抗压强度、屈曲强度和振动。碳纤维复合材料和眩光等复合材料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设计的诱人选择;然而,金属具有易于制造和易于获得以及成本低得多的优点,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。

这篇文章是由英国伦敦帝国理工学院的L. Zhu, N. Li和P.R.N. Childs所写。了解更多在这里


技术简报杂志

本文首先出现在2019年3月刊上技术简介杂志。

阅读更多本期文章在这里

阅读更多文献在这里