胃酸|航空航天系统结构材料研究进展综述(一)( 二 )


2.航空航天系统材料
自动力飞行的最初几天以来 , 飞机设计师一直致力于实现机身和推进系统的最小重量 。 例如 , 最初的赖特飞行器采用了铝块发动机 , 这在20世纪初几乎是闻所未闻的 。 从1903年到1930年左右 , 实际飞行需要绝对最小重量 , 这在很大程度上是由于可用推进系统的能力有限 。 因此 , 强度/重量比是发动机和飞机材料选择的主要驱动因素 。 虽然这一考虑仍然是首要的 , 但重量轻是必要的 , 目前还不理想 。 正如导言中提到的 , 当前的设计标准要复杂得多 , 成功的产品需要新的设计方法以及改进的材料和加工方法 。
飞机领域的一个重大“游戏规则改变”是 , 从内燃机活塞式发动机到涡轮式发动机的转变 。 从20世纪40年代初德国Messerschmitt Me-262战斗机开始 , 涡轮成为推进系统的首选类型 。 早期涡轮发动机的性能受到材料性能的严重限制 , 特别是在工作温度方面 。 喷气式战斗机在40年代后期投入使用 , 但大型喷气式飞机(如轰炸机和运输机)直到近十年后才变得可行 , 这主要是因为生产具有足够可靠性的大型涡轮发动机越来越困难 。 如下文所述 , 涡轮技术已经发展 , 如今 , 推进技术已不再是过去的限制因素 。
2.1.飞机的发展和材料的作用
设计师们一贯的目标 , 是设计出能飞行更远更快的飞机 。 要实现这一目标 , 除了强度和重量轻之外 , 还需要具有其他属性的新材料 。 例如 , 由于摩擦加热 , 高速飞行的飞机需要更高温度性能的材料 。 因此 , 蒙皮材料已从早期飞机上使用的木材和织物发展到先进的铝、钛合金和含有高强度碳纤维的聚合物基复合材料 。
图1 全钛SR-71黑鸟的前视图
也许西方世界有史以来最先进的飞机是SR-71黑鸟(图1) 。 它拥有全钛合金外壳 。 这架军用飞机用于高空侦察任务 , 速度超过3马赫 。 从SR-71的军事行动中吸取的经验教训表明 , 商业超音速飞行存在实际限制 , 特别是在马赫数2以上的情况下 , 蒙皮温度超过了铝合金的能力 。 因此 , 目前还没有一种大型超音速飞行器能够以这种速度飞行并投入预定服务 。 苏联Tupolev设计局确实生产了几架全钛Tu-144飞机 , 但即使在他们的经济系统中 , 也被认为不实用 。 协和式飞机的运行速度为1.8马赫 , 是一种小型飞机 。 该公司的运营不经济 , 因此尽管技术上取得了成功 , 但正在退出营收服务 。
1954年 , 三架用7075型铝制造的彗星喷气式飞机坠毁 , 损伤容限成为一个重要问题 。 碰撞的原因是增压机身的过早疲劳 , 与窗户和舱口处的应力集中有关 。 如今 , 断裂韧性和疲劳裂纹扩展已被纳入许多产品的主要设计标准 , 其方式与35年前使用的强度相同 。 事实上 , 用于机身蒙皮的新型、高韧性铝合金通过移除一些用于阻止运行裂纹的周向框架 , 实现了显著的重量减轻 。 这将在后面详细讨论 , 并在这里作为一个示例加以说明 。
从80年代开始 , 喷气式飞机已经成为飞机的“既定”和其他考虑因素 , 如燃料成本、与增加航程和有效载荷相关的收入机会以及降低着陆重量费用 , 再次将技术重点转向重量减轻 , 但不牺牲寿命 。 在20世纪90年代 , 随着延长老化机队寿命益处的实现 , 技术重点转向提高损伤容限和耐腐蚀性 。 对这一要求的一个回应是 , 有可能用更先进的合金对现有飞机进行改装 。 在B-52轰炸机和其他军用飞机的案例中 , 这一点得到了广泛的应用 。 就商业产品而言 , 衍生机型和新型、大型双引擎飞机的出现更能代表产品趋势 。
【胃酸|航空航天系统结构材料研究进展综述(一)】经过多年发展 , 机身设计方法在实践中不断优化 , 也能分析更好的可用性 。 自飞行开始以来 , 静强度一直是一个重要的一阶考虑因素 , 飞机通常设计为承受最大工作载荷加上安全系数 , 通常为1.5 。 在现代飞机中 , 静强度是必要的 , 但还远远不够 , 这主要是因为飞机的预期使用寿命较长 。 疲劳对飞机完整性的影响早在70年前就开始被考虑 。
因此本文介绍了以疲劳为约束的设计方法 。 目前 , 有两种计算疲劳极限结构寿命的概念方法:安全寿命和故障安全 。 安全寿命设计要求在N个寿命期内不会发生疲劳失效 , 其中N始终大于1 , 并且通常为4个数量级 。 安全寿命设计于20世纪30年代和40年代引入 , 强烈依赖于对服务经验的详细了解 , 并需要严格的产品测试 。 故障安全设计于20世纪50年代引入 , 确保单个结构元件故障不可能导致灾难性故障 。 为了实现这一结果 , 故障安全设计在设计中纳入了冗余裂纹路径 。