民用飞机结构设计选材分析

王国庆

【摘 要】结构选材是民用飞机结构设计基础，对后续结构设计起着至关重要作用。本文对民用飞机结构设计选材中的发展趋势、适航要求、选用原则、重点部段材料要求进行研究，为民用飞机结构设计提供借鉴。

【关键词】民用飞机；复合材料；适航要求；选材原则；材料性能

0 引言

民用飞机结构材料随着时代的发展也在不断地变化。安全、先进、经济的航空材料正被不断应用于民用飞机结构设计中。

1 国外民机结构选材发展趋势

近些年以波音、空客为代表的国外先进民用飞机制造企业所推出的新机型，在复合材料的应用比例上呈现出逐步提高的趋势。其中空客公司在A380大型客机上先进复合材料应用比例达到23%，同时其即将运营的A350宽体客机的符合材料应用比例更是达到52%。波音公司近年推出的B787“梦想”飞机上，先进复合材料的用量达到机体总重的50%，其复合材料几乎覆盖了飞机大部分的表面，其中包括了机翼、机身和尾翼等机体主要结构。飞机复合材料应用发展变化，详见图1。

2 结构选材适航要求

中国民用航空规章第25《运输类飞机适航标准》§25.603 材料小节中对其损坏可能对安全性有不利影响的零件所用材料的适用性和耐久性必须满足下列要求：

1）建立在经验或试验的基础上；

2）符合经批准的标准（如工业或军用标准，或技术标准规定），保证这些材料具有设计资料中采用的强度和其它性能；

3）考虑服役中预期的环境条件，如温度和湿度的影响。

§25.613 材料的强度性能和设计值的要求如下：

1）材料的强度性能必须以足够的材料试验为依据（材料应符合经批准的标准），在试验统计的基础上制定设计值；

2）设计值的选择必须使因材料偏差而引起结构破坏的概率降至最小。必须通过选择确保材料强度具有下述概率的设计值来表明符合本款的要求：

a.如果所加的载荷最终通过组件内的单个元件传递，因而该元件的破坏会导致部件失去结构完整性，则概率为99%，置信度95%。

b.对于单个元件破坏将使施加的载荷安全地分配到其它承载元件的静不定结构，概率为90%，置信度95%。

3）至关重要的部件或结构在正常运行条件下热影响显著的部位，必须考虑温度对设计许用应力的影响；

4）结构强度、细节设计和制造，必须使灾难性疲劳破坏的概率减至最小，特别是在应力集中处；

5）如果在使用前对每一单项取样进行试验，确认该特定项目的实际强度性能等于或大于设计使用值，则通过这样“精选”的材料可以采用较高的设计值。

3 民用飞机结构设计选材原则

1）根据相应结构的技术、使用要求选材；

2）结构所用材料应是已用于飞机生产的成熟材料，符合经批准的标准；

3）选用新材料必须经过充分的试验验证；

4）所选用材料需经适航审定部门批准认可；

5）民用飞机结构设计对材料的要求是多方面的，不可能找到一种材料全面满足多方要求，应根据材料的性能、可获得性、易生产性、和成本等权衡利弊，综合比较，合理选择；

6）注意继承性，减少材料的品种规格，优先选用现有机种已经采用过的材料；

7）材料选择要结合工厂的制造能力。

4 民机主要结构件选材重点考虑的材料性能分析

民用飞机各部段结构件对材料的性能要求是不完全相同的，应根据各部段对材料性能的具体要求选择合适的材料。详见表1、表2、表3、表4飞机各部段材料性能要求。

5 总结

本文对民用飞机结构设计选材从国外发展形势、适航要求、选材原则、飞机主要部段对材料性能要求等方面进行了分析研究，对民用飞机结构设计选材具有一定的参考作用。

【参考文献】

[1]中国民用航空规章《运输类飞机适航标准》CCAR-25-R4[Z]. 2011.

[2]《飞机设计手册》总编委员会.飞机设计手册10，结构设计[Z].2001.

[责任编辑：杨玉洁]