荷兰航空航天中心发布《未来飞机结构设计白皮书》

宋刚
　　近日，荷兰航空航天中心（NLR）发布了《未来飞机结构设计白皮书》（下称《白皮书》）。NLR是欧洲最具竞争力的航空科研机构之一，主要开展军民用航空技术的研发和试验验证工作，以提高航空器的安全性、可持续性和高效性，具备完整的航空结构设计、分析和试验能力。
　　《白皮书》针对当前飞机结构设计现状与需求，提出了结合绿色疲劳设计理念、虚拟试验、数字孪生系统和新材料新工艺的结构完整性设计方法，以突破传统飞机结构设计采用半经验设计准则和保守的安全系数的局面，使飞机结构设计兼具集成性、可制造性、可监测性、可修复性、可回收性等特点，为进一步减轻结构重量、提高承载效率、准确预测结构寿命提供可能。
　　《白皮书》发布背景
未来飞机对节能减排的要求越来越苛刻，实现这一目标的途径主要有两种：一是在传统飞机设计的基础上进一步减轻重量；二是采用新概念构型和创新推进系统，革命性提高飞机效率。轻量化设计面临着安全设计精细化的挑战。“为减轻每一克重量而奋斗”是飞机结构设计一贯的追求。然而，在使用寿命期间，飞机结构承受着复杂的载荷工况，除极限载荷导致的失效外，还必须考虑在复杂循环载荷下的结构疲劳问题。目前对于疲劳裂纹的萌生、扩展与结构寿命预测的能力有限，为保证安全性，结构设计不可避免地趋于保守。如何高效、可靠地将疲劳特性集成到飞机结构优化设计之初，成为未来提高飞机结构精细化设计水平的一个关键。
　　新概念构型和创新推进系统将对飞机的结构布局和设计产生颠覆性影响。以当前研究热点电动飞机为例，美国航空航天局研究认为，电动飞机有望节能60%、减排90%、降噪65%。但是，电动飞机可能将采用新的飞机总体构型，推动飞机结构设计逐步从传统的圆柱机身加机翼形式向翼身融合体／飞翼、垂直起降等新形式发展，新构型下的结构设计、制造和认证将成为挑战。
　　飞机结构完整性设计方法
《白皮书》提出，随着计算机、数据存储、传感器、模拟仿真等能力的提升，未来飞机结构设计将突破种种限制，甚至可以设计出像自然界中的鸟类一样完美的飞行器。设想中的未来飞机结构完整性设计过程将包含如下内容：
　　创建具有百万数量级设计变量的优化算法。这种先进算法的优化目标将包括飞机的性能、乘客舒适程度、飞机噪声等级、制造成本、运行成本、环境影响等；针对任务剖面进行超级计算优化。给定一个或多个任务剖面，并针对这些剖面使用量子计算机进行多目标优化，求最优解；进行虚拟飞行试验。通过虚拟试飞，根据结构、预期任务工况和动态响应来确定整个使用寿命期间每个结构位置的疲劳损伤和静强度；建立飞机的数字孪生系统。为此，需使用大量传感器监测飞机承受的载荷和运行情况，将数据实时更新至数字孪生系统，对结构开展按需维修。
　　关键技术
《白皮书》提出，未来飞机结构设计需要在设计理论、虚拟试验、数字孪生、新材料新工艺等关键技术上取得突破。
　　《白皮书》认为，关于结构疲劳裂纹的萌生、扩展与结构应力之间的关系，目前使用的公式均不是根据第一性原理导出，缺乏物理依据，结构设计只能采取保守的设计思想，带来的后果就是飞机结构减重困难。未来飞机结构完整性设计最重要的一点就是引入新的疲劳设计理念，实现更有效的减重，同时保持当前的结构安全水平。《白皮书》进一步提出，目前的损伤容限疲劳设计理念通常假设在关键结构点预先存在一个保守尺寸的裂纹，忽略了在严格质量标准下结构部件不存在较大缺陷的情况。绿色疲劳设计理论认同初始的不连续状态和缺陷分布，并充分考虑外部环境、加载频率和变振幅疲劳载荷，可弥补目前损伤容限设计方法存在的明显不足。
　　结构虚拟试验技术是指能够评估飞行器结构强度、预测结构破坏的数值分析技术。《白皮书》提出，未来虚拟试验技术不采用加载点简化的等效载荷，而是将整个设计寿命期间模拟飞行的分布式载荷施加在模型上，还可以增加温度和湿度等环境条件。以虚拟全尺寸疲劳试验（FSFT）为例，可在有限元模型的每个单元上进行概率性变幅疲劳计算，准确评估结构每个位置的疲劳强度。虚拟试验将给出不同设计方案的失效概率，失效类型包括静态、疲劳、腐蚀、蠕变、磨损等。采用虚拟试验技术后，可考虑降低安全系数，采用失效概率作为结构设计的依据。
　　《白皮书》认为，可以通过创建飞机结构的数字孪生系统，使用传感器持续监测飞机的载荷和运行状况，跟踪飞机结构在飞行参数、载荷、环境、结构更改和维修、维护等方面的历史，结合概率失效机制计算结构的当前物理状态，并与虚拟试验得到的数据进行比较，实现结构的预测性维护和优化检修方案。
　　《白皮书》提出，材料性能是结构设计的基础，采用计算材料学技术可以优化合金成分和微观结构，获得具备更好强度和延展性的材料，从而优化结构选材。热塑性复合材料可焊接、可回收、更加耐损伤，非常适用于疲劳损伤自愈，或将成为最接近于具有血管系统特性的天然材料。增材制造等先进的制造技术为结构设计提供了更大的自由度，使得结构优化软件设计出的结构形状具有更高的比刚度和比强度，还有助于实现多功能设计。自动丝束铺放技术与复合材料结构优化技术相结合，可将复合材料的减重效果最大化。
　　研究人员正不断更新结构设计理念，采用综合考虑静强度、刚度、耐久性／损伤容限的结构完整性设计思想。《白皮书》针对当前结构疲劳只能采用半经验公式导致设计保守的问题，提出了绿色疲劳设计理念，弥补了损伤容限设计在结构疲劳寿命评估方面的缺陷。
　　高性能计算和仿真在结构设计、优化、试验、保障等方面正发挥着越来越重要的作用。多目标、大变量的结构优化设计，由于通常需要多次循环迭代，计算时长和中间数据存储量往往令人难以接受，超级计算机将打破这种限制，完成百万甚至上千万设计变量的结构优化问题，真正实现结构精细化设计。虚拟试验和数字孪生将提高结构强度试验、寿命评估预测和维护维修的便利性、准确性和经济性，变革未来飞机结构设计、试验、保障方法，但相关技术还有待成熟。
　　结构设计须满足选材限制和制造约束，新材料新工艺对于结构设计至关重要。碳纤维复合材料已为国外减轻飞机结构重量、提高结构抗腐蚀疲劳等发挥重要作用，热塑性复合材料则在可回收和可自愈结构方面展现巨大潜力。未来结构的精细化设计将产生各种形状的拓扑构型，增材制造技术将成为确保结构可制造性的重要途径。