隨着航空技術的不斷發展，現代飛機結構要求具有長壽命、高可靠性和低維修成本等特點。本文介紹了現代飛機結構設計的概念、特點、新技術及發展趨勢。

　　早期飛機結構設計概念要求強度和剛度好，重量輕，工藝性好，維修方便。但存在的問題是：未考慮疲勞、腐蝕，細節設計重視不足，減重是結構設計師的主要目標，設計的飛機壽命短、安全性差。此外，早期設計的飛機，只從靜強度進行考慮，即只要通過計算和試驗，證明飛機結構在使用中能經受住可能產生的最重載荷，就認為飛機結構具有足夠的強度。隨着航空技術不斷發展，以及新結構、新材料、新工藝、新設備的大量採用，飛機性能、安全性、舒適性大大提高，飛機結構要求具有長壽命、高可靠性、低維修成本。設計師的觀念逐步更新，按現代飛機結構設計方法進行設計。
　　一、現代飛機結構設計概念

　　1.現代軍用飛機結構設計

　　按強度剛度規範和結構完整性大綱要求，承包商制定出耐久性、損傷容限、顫振、聲疲勞、腐蝕、維修及武器效應等準則。同時確定合適的結構型式，選擇較好的材料，控制適當的應力水平，給出有效的檢查和維修方式。

　　1)耐久性　當承受設計、使用載荷譜時，經濟壽命大於使用壽命，使結構疲勞開裂和材料退化降到最低；

　　2)損傷容限　未被發現的裂紋，其損傷概率降低到最小限度，使裂紋、腐蝕脫層、磨損及外來物偶然損傷的影響也降低到最小限度，採用多路傳力或止裂措施，局部容納不穩定裂紋擴展；

　　3)允許常規使用中檢查；

　　4)追求機體結構效率，以降低結構重量，提高性能。

　　2.現代民用飛機結構設計

　　多年來，民用飛機的發展主要是安全性、經濟性、舒適性的不斷提高。

　　安全性

　　●靜強度　外載荷、材料許用值、破損準則／分析方法；

　　●損傷容限：剩餘強度分析、臨界裂紋形成和尺寸、檢測要求；

　　●顫振邊界：剛度要求、剛度變化範圍、顫振分析；

　　經濟性　飛機全壽命費用、研製費、採購費、使用維護費和價格；

　　舒適性　結構具有良好的聲學特徵，抗聲振和聲疲勞，旅客搭乘條件和機組人員工作條件要好。

　　二、現代飛機結構設計的主要特點

　　1.計算機輔助結構設計

　　利用計算機進行“無紙設計”和數據管理與傳輸，使得設計精確，與工藝、製造並行工作，改變傳統模線、樣板協調，實現圖模合一，縮短研製周期。同時早期發現問題，及時解決，設計更改少。用計算機進行預加工、預裝配，選擇合適的工藝方法，不需要製造全尺寸樣機，用計算機模擬真人進入結構內部，檢查其維修區的可接近性和可工作性。總之，通過計算機輔助結構設計，可使設計錯誤和方案修改而帶來的工程改動減少到最低。

　　2.選用新結構

　　1)複合材料結構　可根據使用要求和受力情況進行材料的設計與剪裁，目前已擴大到主承力結構，與一般金屬結構相比，比強度、比剛度高，耐腐蝕、抗疲勞，但損傷不易檢測與修理。主要成型法有：熱壓罐成型、纏繞成型、編織成型、RTM法等。其中RTM即樹脂傳遞模塑，是在一定溫度及壓力下，將低粘度的樹脂體系注入置有預成型坯的模具中，而後加熱固化。具有工藝簡單，製件表面質量和尺寸精度高、成型周期短等特點，是目前正在發展的複合材料成型方法。

　　2)整體結構　具有連接數目少、傳力直接、疲勞性好等特點。整體部件有機身、機翼、尾翼等整體壁板、梁、接頭等。加工方法主要是數控、化銑等，選用材料一般為鋁合金預拉伸板、鈦合金等。

　　3)夾層結構　主要有鋁合金、Nomeｘ紙蜂窩夾芯，面板為鋁合金、複合材料或鋁合金複合層板。優點是，在同樣重量條件下，剛度大，抗聲疲勞，吸振降噪，還具有整體結構的特點。但夾層結構膠接質量的好壞直接影響結構的完整性，目前主要用於地板、框、進氣道、方向舵、襟翼、副翼和腹鰭等剛度要求大的結構。

　　4)智能結構　將傳感器元件、驅動元件和控制系統融合在基體材料中，這種結構不僅具有承受載荷的能力，還具有識別、分析、判斷和行動等功能，結構本身還具有自診斷、自適應和自修復等能力。

　　3.選用新材料

　　新材料選取按耐久性、損傷容限要求，併兼顧經濟性。

　　1)複合材料　分為樹脂基熱固性、熱塑性、金屬基和陶瓷基等，增強材料有碳纖維、硼纖維、芳綸、玻璃、混雜纖維等，還可利用複合材料製作隱身吸波結構和智能結構。

　　2)鋁鋰合金　具有比重小、彈性模量高、疲勞裂紋擴展速率低等特點，製造方法無特殊要求，飛機結構上用量正在擴大。

　　3)鈦合金　目前使用較廣泛的為Ti-10V-2Fe-3AlTi-1023，該合金兼有亞穩β鈦合金的諸多優點，而不喪失α＋β型鈦合金的固有特性，是一種高強度、高韌性、高性能合金。該合金可通過熱處理獲得極佳的溫度、塑性及韌性相匹配。

　　4)合金鋼　如300M鋼40Cr-Ni2Si2MoV4，該鋼不僅強度高、疲勞性能好、裂紋擴展速率低，而且適宜製造整體鍛件，如主起落架支柱、平尾大軸等關鍵件，發揮此材料綜合性能好的特點。

　　5)鋁合金　如高純高強鋁合金7075、7475、7157等，具有耐腐蝕、抗疲勞、強度高和綜合性能好等特點。

　　4.新工藝、新設備

　　新工藝、新設備的發展是現代飛機結構設計的有力保證。諸如鈦合金超塑成形／擴散連接、等溫鍛造、熱等靜壓、超塑成形、大尺寸變厚度數控加工、鋁合金多層次立體化銑、大型整體壁板噴丸成形、超長蒙皮的滾彎成形、整體油箱密封、強化工藝、激光加工、粉末注射和自動鉚接裝配等。

　　5.新型連接件

　　飛機結構由許多零部件組成，零部件之間主要靠機械連接件連接，包括承力鎖、鉚釘、螺栓等。連接件也必須具有耐久性、可靠性及好的相容性。目前連接件主要有：鈦合金緊固件代替鋼緊固件，減輕重量，提高性能，鉚接裝配自動化；長壽命干涉配合連接，如無頭鉚釘、冠頭鉚釘（全冠頭、半冠頭、淺冠頭）、環槽鉚釘、應力鉚釘、高鎖螺栓、錐形螺栓及各種單面連接件等。

　　6.質量檢測

　　質量檢測是確保產品精度、性能可靠的重要手段，設計要全面進行方案評審、打樣評審、細節評審等，材料、製造、裝配也要得到嚴格的檢驗，民用飛機要符合適航條例，軍用飛機要滿足強度剛度規範要求，同時還要進行靜力試驗、疲勞試驗、環境試驗、耐久性／損傷容限試驗等，以期得到合格產品。此外，制訂飛機結構維修大綱、維護手冊、修理手冊、零件清單，做好產品支援與綜合保障工作，使得飛機結構在全壽命期內結構完整。

　　三、現代飛機結構的細節設計

　　飛機結構總的結構型式的不斷改進，飛行過程空地勤反饋信息和顧客意見等，不斷完善了設計，形成了成熟可靠的結構型式。而細節設計的不足將導致結構過早地損壞，維修費用提高，性能降低。實踐表明，絕大多數結構損壞或開裂都發生在細節設計不足處。因此，現代飛機結構十分注重細節設計。

　　1.防腐蝕、抗疲勞設計

　　腐蝕、疲勞是造成飛機提前破壞因素之一，結構設計中，必須全過程、全方位地考慮防腐蝕、抗疲勞設計，明確飛機外部和機內環境，正確選擇材料，控制適當的應力水平，嚴格塗鍍層表面處理，減少應力集中。

　　2.抗聲疲勞設計與防護

　　聲疲勞是指快速交變應力引起的材料斷裂，交變應力主要是氣動聲載和發動機噪聲引起的脈動壓力，除選用噪音低的發動機外，還要對發動機短艙進行降噪設計，聲疲勞敏感部位如進氣道唇口、輔助進氣門、腹鰭、方向舵、炮口區等按動態設計，剛度要大。採用夾層結構、複合材料結構、構件對稱布置等比較有效，必要時還需增加動力吸振器，主動控制降噪。

　　3.增壓艙設計

　　除對增壓艙鉚釘、環槽釘、螺栓採用干涉配合連接外，還應大量採用壓鉚機壓鉚，以便提高鉚接質量。多採用整體件和大面積膠接件；活動部位如門、窗、口蓋等用密封帶密封。此外，對氣密結構規定的區域進行縫內縫外塗膠密封。不同區域、不同結構，需採用不同的密封膠密封。增壓艙結構要選用疲勞性好的材料，控制合適的應力水平。

　　4.無餘量裝配

　　零件加工到最終狀態，裝配前不留餘量，防止裝配時加工破壞零件表面處理層，或加墊片引起偏心。保證裝配的準確度，包括幾何形狀準確度、尺寸精度和互換性要求。因此要充分協調零件之間關係，合理分配容差。

　　5.強化技術

　　在不增加飛機結構重量，不改變飛機結構型式和材料的前提下，通過局部強化工藝處理，提高飛機結構壽命。主要有干涉配合鉚接、螺接及襯套、噴丸強化、激光強化、孔擠壓強化、改善緊固孔的疲勞品質等。

　　6.維修性設計

　　維修性是衡量飛機品質優劣和維修工作量大小的重要標誌。目前主要以可靠性為中心，涉及重要零件檢查的可達性、開敞性，防差錯設計，口蓋及艙門開啟靈活及關閉可靠等。

　　7.結構優化設計

　　計算機與有限元法結合，追求最佳幾何尺寸，得到重量輕、效率高的結構。主要解決好應力、屈曲、位移、破損安全、工藝等多約束、多變量優化問題。

　　四、結束語

　　現代飛機結構設計，軍、民用飛機側重點不同。軍機追求總體性能好，滿足強度剛度規範要求。民機講究安全性、經濟性、舒適性，一定要符合適航條例。在繼承好的結構型式基礎上，不斷擴大新結構、新材料、新工藝的應用範圍，同時十分注重細節完善設計。第四代戰鬥機F-22和新一代客機B-777是現代飛機結構設計成功的典範。當然，飛機設計與工藝水平要同步發展，互相促進，才能達到長壽命、高可靠性、好的結構綜合效率和低維修成本等目標。