飞机设计中的可修理性与损坏容限

作者：Michael Hoke    来源：Aerospace Manufacturing and Design杂志

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 在飞机设计中，欠缺后部可达性， 内部黏合众多且复杂的结构，都 可能会导致机身局部可修理性降低。L.J. Hart-Smith博士，曾供职于波音公司，堪称飞机结构设计领域的领军人物，在其最新的一篇文献《一个飞机结构工程师从业40年的经验与收获》中，围绕这一问题展开了探讨。 “机身易损坏组件应该再细分成易于修理的微小零部件，特别是有些情况下，损坏部分无法进行现场修理或快速修理，从而必须从机体移除，离机修理和零部件更换可以帮助修理过程更快完成，缩短飞机重新投入使用的间隔。机身前端的雷达天线整流罩就是这样的例子，行人或运输通道门附近的整流罩也是同理，如果这个部件的结构太大，就需要动用几百个扣件来将其固定在机身上。” 特别是对于易损区域的部件，要么具备快速修理的便捷性，要不就具备高损伤容限。如果二者都不具备，势必带来繁琐且成本高昂的维护修理，从而增加飞机生命周期成本。 便于零件移除的细分结构提高了可修理性，但也由于在连接处进行负荷转移而增加了扣件数量，从而增加了机身重量和成本。但Hart-Smith博士为此进行了辩解，他认为易于组装的结构设计分散了制造的失误发生率，从而可以提高整体结构的性能。 换言之，复杂的整体结构设计原意是为了凸显提升性能并减轻重量的优势，但是如果零件不易于制造且失误率高，那么这种优势便也无从体现，何况这种结构的前提是在一定程度上牺牲了可修理性。 Hart-Smith博士强调这样以来，预期的成本节约往往也无法实现，“目前来看，大型整体结构设计已然导致了生产制造成本的增加，已经高于制造简单零件并且进行连接的成本（轻薄结构用黏合连接，厚重结构用螺栓连接）。” “当一个复杂结构设计分别用整体结构和连接结构进行制造时，往往都是整体结构的制造成本要高出2.5%到3%，这一结果与其设计的预估显然背道而驰。” 关于预测外损坏和修理，如果不采用可修理性设计，亦可选择增强损伤容限的设计。这种设计虽然往往会增加机身重量和制造成本，但也会提升安全性能，这足以压倒一切权衡分析。例如，大型民用飞机的检查板不再在机翼上，而是开口向前置于水平稳定装置的底部。从表面来看的损坏似乎更低，仅仅就像涂层上的一道刮擦痕迹和水平翼底部的一片染色部分，染色是由于水平稳定装置（在一些大型货机上用来放置燃料）的燃料耗散造成。在燃料耗散对机身造成染色之前，飞机足以航行一段时日，这个部件可以移除检查并易于修理。在健全完善的损伤容限设计中，一个内部碳纤维组成翼梁被消减到原有长度的85%，但是其他翼梁将会相应分摊其负荷。尽管使用多重翼梁会更重，成本也会更高，但是如果只使用一根翼梁，可能引发的损坏后果会更加严重。 回顾上一篇文章中的一个例子，复合材料结构的损坏从外表上几乎看不出来，但是却从内部结构上直接影响到飞行。许多新型飞机的设计目标之一就是使得飞机在已经造成这种肉眼无法辨识的损坏时仍能够正常飞行，而毋须进行修理，直至进行细致全面的检查。 这种损伤容限设计虽然会导致机身重量和制造成本的增加，但也聚焦在提升民用飞机所要求的高安全性能。如果不去计较损伤容限，也许可以设计出更轻量化的结构，但这势必是在牺牲飞行安全主要结构的前提下减少了损坏备用供给。次要结构也许更能经得起轻量化设计的考验，但也会无形中增加更严重损坏的风险，因此可修理性的设计势在必行。 然而正如先前所述，Hart-Smith博士也是简易结构设计的拥护者。在简易结构中，整体结构被分解成易于组装的组件，更便于投入使用，这不仅有助于实现性能的提升和轻量化目标，也兼具了可修理性。他所提出的实际结构设计中也融合了损伤容限设计——“由于可修理性备用供给相应会带来机身重量的增加，因而在最初设计的时候，就应该通过计划可能性而将其减少到最低限度。因为损伤容限也同样要求结构的某些部分不能够满负荷，事实上这样便可以利用可修理性的低受力来增强损伤容限，或者来降低包括损伤容限供给在内的重量增加。（换言之，在某种程度上健全的损伤容限设计需要更重的结构，由于易于移除和修理的特性所带来的附加重量有时可以结合在一起，如果二者早在设计环节中就加以结合考量，重量和成本的增加幅度就会比较低。）但目前的标准设计程序中并未整合进这些综合考量。 从飞机设计历史上来看，最初的设计是为了最大限度的提升强度，这在后来被曲解为延长疲劳损坏期限，最终也可以看作是损伤容限。标准设计生产程序中，在设计和分析的完成之前，生产就已经迫不及待地展开，因而未被解决的问题最后往往就被额外附加的检验审查或是后期进行的校准所取代，而不是从一开始就拿出更完善的设计再着手生产。” 如果一个部件不易于修理的，那么它必须具备高损伤容限，否则，滚雪球一样增长的维护成本最终会导致彻底调整，那样带来的成本会比最初设计就考虑进这些因素更加高昂。Hart-Smith博士建议二者可以一同被考虑进去，尽管这也许需要慎重考量对标准制造设计程序的偏离，但的确有助于将重量和成本的增加都控制在最小化。 在过去的20年间，民用飞机复合材料修理委员会（CACRC）致力于发展和完善维护、检查和修理民用飞机的复合材料结构，在其已经发行的文献中列出了损伤与修理的部分特定问题，并提出了设计方面的解决方案，例如，“耐用、可修理和易维护的航空用复合材料设计”。这些文献可从国际机动车工程师学会（SAE）获得，其目标在于最大程度降低未来飞机复合材料结构设计的生命周期成本。基于从大量操作人员处收集的数据，可修理性、可达性和损伤容限并称这些文献中列出的三大重要问题。因为这三个问题都是相互关联的，因此在结构设计和程序改进过程中加以考量显得尤为重要。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/5/2013)