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技术解密 | 新舟700飞机结构长寿命设计

 2019-12-02 16:18:56 来源:民航资源网 作者:何彧  [投稿排行榜]

技术解密 | 新舟700飞机结构长寿命设计

      【编者按】新舟700飞机,是新舟系列涡桨支线飞机的最新产品,定位于承担800公里以内中等运量市场的区域航空运输业务,能够适应高原高温地区的复杂飞行环境和短距频繁起降。据最新消息,新舟700飞机预计于2020年1月总装下线。作为我国完全自主研发的新一代支线涡桨飞机,新舟700依托的关键性技术有哪些?又实现了哪些重大的突破和创新?11月22日起,民航资源网推出系列报道,解密新舟700背后的“硬核技术”。   

      轻重量、长寿命、高可靠性结构设计技术是飞机运营安全性、经济性的重要保障,是现代民机设计的关键技术之一。长寿命与轻重量是结构设计的一对矛盾,长寿命结构不能以牺牲重量为代价,需要综合权衡。而实现结构长寿命,需在飞机研制和运营的全寿命周期中,综合考虑材料、设计、工艺、使用和维护等诸多因素,运用耐久性和损伤容限设计技术全面分析评定,给出设计和使用具体要求。

      为了参与国际竞争,除了满足适航规章要求外,新一代涡桨支线飞机新舟700结构设计,要求其设计寿命指标达到世界先进水平。从概念研发阶段开始,设计团队就全面贯彻抗疲劳设计思想,采用抗疲劳设计和工艺措施,开展多轮分析和大量研发试验,从而为实现长寿命结构提供了保证。

      顶层规划,全寿命周期控制

      结构使用寿命控制工作贯穿于飞机整个研制和使用全寿命周期,需要有全面、详细的顶层规划和控制方案,否则难以实现长寿命的安全使用。在新舟700飞机研制初期,设计团队结合民机研制流程,全面规划了初步设计、详细设计、试制与验证、批量生产等阶段飞机全寿命周期内相关工作,制定了耐久性和损伤容限设计控制大纲。从材料选择、结构布置、细节设计、防腐设计、维修设计等影响使用寿命的各个方面进行了详细要求,针对各类结构规定了具体设计、评定准则。与多位国内外知名行业专家进行了广泛交流,跟踪研究了适航规章要求的变化,对最新广布疲劳损伤有效性限制要求进行深入研究,制定了相关设计控制要求和评定流程方法。

      精细设计,全面详细分析

      影响结构使用寿命的因素有很多种,需要从各个方面进行系统的考虑。在新舟700飞机结构设计过程中,设计团队根据受载情况确定出结构疲劳敏感区域,选用抗疲劳和损伤容限性能优异的材料,并对这些区域提出了总体应力水平控制要求。新舟700飞机机身截面是由不同半径的上、下圆弧加中间小圆弧过渡构成,该过渡区结构和受力非常复杂,是以往同类飞机最薄弱的部位,在试验和使用中经常出现裂纹,就该问题,设计团队在飞机概念设计阶段进行了重点研究,通过分析发现上、下圆弧交点及过渡圆弧半径对该区域应力分布有很大影响,为此以交点位置和半径为可变参数,建立900多套细节模型寻找应力变化规律,最终确定了机身截面最优过渡参数,之后又对该区域结构进行了细节优化,并开展了等直段疲劳和损伤容限试验研究验证。由于出现疲劳裂纹的部位都在结构几何发生变化的细节位置点,如开孔、缺口、台阶等,而这种细节点在飞机结构上是数以万计的,如一块机身壁板上就多达数百个,分析团队针对每一个这种细节点都开展了详细的分析。由于分析工作量巨大,分析团队编制了一系列可批处理的计算辅助工具,极大提高了分析效率,并保证了分析质量。

    西飞供图

      制造细节控制,采取多项强化措施

      制造过程对结构使用寿命也有非常重要的影响,合理选用工艺措施可以极大地提高结构寿命。在新舟700飞机结构设计中,对制孔工艺、铆接工艺、倒角、光洁度等都在结构数模中进行了明确的标注和要求,并由专业团队对影响寿命的细节进行逐一详细审查。对壁板类铆接结构,如机身壁板、机翼壁板,广泛采用自动钻孔铆接工艺,提高铆接质量;对重要的承力结构,如机翼下壁板蒙皮、加强框、重要接头等,还采用了喷丸强化工艺;对主要传力结构的连接孔,如翼梁与壁板连接、机翼对接等,采用开缝村套冷挤压工艺。这些工艺措施将对提高结构抗疲劳性能起到很大作用。

      开展大量积木式试验研究验证

      为了研究和验证结构抗疲劳和损伤容限设计的效果,新舟700飞机在研发阶段开展了大量的研究试验,其中研究细节的元件试验达33类400多件,研究组合结构的壁板组件试验达12类50余件,并开展了两项部段全尺寸试验。通过这些试验验证了分析方法的准确性、结构设计的合理性,也找出了一些设计薄弱点,为设计改进提供了依据。后续还将开展部件、全机等多项疲劳及损伤容限适航试验,对所有主要结构进行全面验证和最终的评定,以支持新舟700飞机在全寿命周期中安全运营。

    西飞供图

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