民用飛機結構設計選材分析

王國慶

【摘 要】結構選材是民用飛機結構設計基礎，對后續結構設計起著至關重要作用。本文對民用飛機結構設計選材中的發展趨勢、適航要求、選用原則、重點部段材料要求進行研究，為民用飛機結構設計提供借鑒。

【關鍵詞】民用飛機；復合材料；適航要求；選材原則；材料性能

0 引言

民用飛機結構材料隨著時代的發展也在不斷地變化。安全、先進、經濟的航空材料正被不斷應用于民用飛機結構設計中。

1 國外民機結構選材發展趨勢

近些年以波音、空客為代表的國外先進民用飛機制造企業所推出的新機型，在復合材料的應用比例上呈現出逐步提高的趨勢。其中空客公司在A380大型客機上先進復合材料應用比例達到23%，同時其即將運營的A350寬體客機的符合材料應用比例更是達到52%。波音公司近年推出的B787“夢想”飛機上，先進復合材料的用量達到機體總重的50%，其復合材料幾乎覆蓋了飛機大部分的表面，其中包括了機翼、機身和尾翼等機體主要結構。飛機復合材料應用發展變化，詳見圖1。

2 結構選材適航要求

中國民用航空規章第25《運輸類飛機適航標準》§25.603 材料小節中對其損壞可能對安全性有不利影響的零件所用材料的適用性和耐久性必須滿足下列要求：

1）建立在經驗或試驗的基礎上；

2）符合經批準的標準（如工業或軍用標準，或技術標準規定），保證這些材料具有設計資料中采用的強度和其它性能；

3）考慮服役中預期的環境條件，如溫度和濕度的影響。

§25.613 材料的強度性能和設計值的要求如下：

1）材料的強度性能必須以足夠的材料試驗為依據（材料應符合經批準的標準），在試驗統計的基礎上制定設計值；

2）設計值的選擇必須使因材料偏差而引起結構破壞的概率降至最小。必須通過選擇確保材料強度具有下述概率的設計值來表明符合本款的要求：

a.如果所加的載荷最終通過組件內的單個元件傳遞，因而該元件的破壞會導致部件失去結構完整性，則概率為99%，置信度95%。

b.對于單個元件破壞將使施加的載荷安全地分配到其它承載元件的靜不定結構，概率為90%，置信度95%。

3）至關重要的部件或結構在正常運行條件下熱影響顯著的部位，必須考慮溫度對設計許用應力的影響；

4）結構強度、細節設計和制造，必須使災難性疲勞破壞的概率減至最小，特別是在應力集中處；

5）如果在使用前對每一單項取樣進行試驗，確認該特定項目的實際強度性能等于或大于設計使用值，則通過這樣“精選”的材料可以采用較高的設計值。

3 民用飛機結構設計選材原則

1）根據相應結構的技術、使用要求選材；

2）結構所用材料應是已用于飛機生產的成熟材料，符合經批準的標準；

3）選用新材料必須經過充分的試驗驗證；

4）所選用材料需經適航審定部門批準認可；

5）民用飛機結構設計對材料的要求是多方面的，不可能找到一種材料全面滿足多方要求，應根據材料的性能、可獲得性、易生產性、和成本等權衡利弊，綜合比較，合理選擇；

6）注意繼承性，減少材料的品種規格，優先選用現有機種已經采用過的材料；

7）材料選擇要結合工廠的制造能力。

4 民機主要結構件選材重點考慮的材料性能分析

民用飛機各部段結構件對材料的性能要求是不完全相同的，應根據各部段對材料性能的具體要求選擇合適的材料。詳見表1、表2、表3、表4飛機各部段材料性能要求。

5 總結

本文對民用飛機結構設計選材從國外發展形勢、適航要求、選材原則、飛機主要部段對材料性能要求等方面進行了分析研究，對民用飛機結構設計選材具有一定的參考作用。

【參考文獻】

[1]中國民用航空規章《運輸類飛機適航標準》CCAR-25-R4[Z]. 2011.

[2]《飛機設計手冊》總編委員會.飛機設計手冊10，結構設計[Z].2001.

[責任編輯：楊玉潔]