随着航空技术的不断发展，现代飞机结构要求具有长寿命、高可靠性和低维修成本等特点。本文介绍了现代飞机结构设计的概念、特点、新技术及发展趋势。

　　早期飞机结构设计概念要求强度和刚度好，重量轻，工艺性好，维修方便。但存在的问题是：未考虑疲劳、腐蚀，细节设计重视不足，减重是结构设计师的主要目标，设计的飞机寿命短、安全性差。此外，早期设计的飞机，只从静强度进行考虑，即只要通过计算和试验，证明飞机结构在使用中能经受住可能产生的最重载荷，就认为飞机结构具有足够的强度。随着航空技术不断发展，以及新结构、新材料、新工艺、新设备的大量采用，飞机性能、安全性、舒适性大大提高，飞机结构要求具有长寿命、高可靠性、低维修成本。设计师的观念逐步更新，按现代飞机结构设计方法进行设计。
　　一、现代飞机结构设计概念

　　1.现代军用飞机结构设计

　　按强度刚度规范和结构完整性大纲要求，承包商制定出耐久性、损伤容限、颤振、声疲劳、腐蚀、维修及武器效应等准则。同时确定合适的结构型式，选择较好的材料，控制适当的应力水平，给出有效的检查和维修方式。

　　1)耐久性　当承受设计、使用载荷谱时，经济寿命大于使用寿命，使结构疲劳开裂和材料退化降到最低；

　　2)损伤容限　未被发现的裂纹，其损伤概率降低到最小限度，使裂纹、腐蚀脱层、磨损及外来物偶然损伤的影响也降低到最小限度，采用多路传力或止裂措施，局部容纳不稳定裂纹扩展；

　　3)允许常规使用中检查；

　　4)追求机体结构效率，以降低结构重量，提高性能。

　　2.现代民用飞机结构设计

　　多年来，民用飞机的发展主要是安全性、经济性、舒适性的不断提高。

　　安全性

　　●静强度　外载荷、材料许用值、破损准则／分析方法；

　　●损伤容限：剩余强度分析、临界裂纹形成和尺寸、检测要求；

　　●颤振边界：刚度要求、刚度变化范围、颤振分析；

　　经济性　飞机全寿命费用、研制费、采购费、使用维护费和价格；

　　舒适性　结构具有良好的声学特征，抗声振和声疲劳，旅客搭乘条件和机组人员工作条件要好。

　　二、现代飞机结构设计的主要特点

　　1.计算机辅助结构设计

　　利用计算机进行“无纸设计”和数据管理与传输，使得设计精确，与工艺、制造并行工作，改变传统模线、样板协调，实现图模合一，缩短研制周期。同时早期发现问题，及时解决，设计更改少。用计算机进行预加工、预装配，选择合适的工艺方法，不需要制造全尺寸样机，用计算机模拟真人进入结构内部，检查其维修区的可接近性和可工作性。总之，通过计算机辅助结构设计，可使设计错误和方案修改而带来的工程改动减少到最低。

　　2.选用新结构

　　1)复合材料结构　可根据使用要求和受力情况进行材料的设计与剪裁，目前已扩大到主承力结构，与一般金属结构相比，比强度、比刚度高，耐腐蚀、抗疲劳，但损伤不易检测与修理。主要成型法有：热压罐成型、缠绕成型、编织成型、RTM法等。其中RTM即树脂传递模塑，是在一定温度及压力下，将低粘度的树脂体系注入置有预成型坯的模具中，而后加热固化。具有工艺简单，制件表面质量和尺寸精度高、成型周期短等特点，是目前正在发展的复合材料成型方法。

　　2)整体结构　具有连接数目少、传力直接、疲劳性好等特点。整体部件有机身、机翼、尾翼等整体壁板、梁、接头等。加工方法主要是数控、化铣等，选用材料一般为铝合金预拉伸板、钛合金等。

　　3)夹层结构　主要有铝合金、Nomeｘ纸蜂窝夹芯，面板为铝合金、复合材料或铝合金复合层板。优点是，在同样重量条件下，刚度大，抗声疲劳，吸振降噪，还具有整体结构的特点。但夹层结构胶接质量的好坏直接影响结构的完整性，目前主要用于地板、框、进气道、方向舵、襟翼、副翼和腹鳍等刚度要求大的结构。

　　4)智能结构　将传感器元件、驱动元件和控制系统融合在基体材料中，这种结构不仅具有承受载荷的能力，还具有识别、分析、判断和行动等功能，结构本身还具有自诊断、自适应和自修复等能力。

　　3.选用新材料

　　新材料选取按耐久性、损伤容限要求，并兼顾经济性。

　　1)复合材料　分为树脂基热固性、热塑性、金属基和陶瓷基等，增强材料有碳纤维、硼纤维、芳纶、玻璃、混杂纤维等，还可利用复合材料制作隐身吸波结构和智能结构。

　　2)铝锂合金　具有比重小、弹性模量高、疲劳裂纹扩展速率低等特点，制造方法无特殊要求，飞机结构上用量正在扩大。

　　3)钛合金　目前使用较广泛的为Ti-10V-2Fe-3AlTi-1023，该合金兼有亚稳β钛合金的诸多优点，而不丧失α＋β型钛合金的固有特性，是一种高强度、高韧性、高性能合金。该合金可通过热处理获得极佳的温度、塑性及韧性相匹配。

　　4)合金钢　如300M钢40Cr-Ni2Si2MoV4，该钢不仅强度高、疲劳性能好、裂纹扩展速率低，而且适宜制造整体锻件，如主起落架支柱、平尾大轴等关键件，发挥此材料综合性能好的特点。

　　5)铝合金　如高纯高强铝合金7075、7475、7157等，具有耐腐蚀、抗疲劳、强度高和综合性能好等特点。

　　4.新工艺、新设备

　　新工艺、新设备的发展是现代飞机结构设计的有力保证。诸如钛合金超塑成形／扩散连接、等温锻造、热等静压、超塑成形、大尺寸变厚度数控加工、铝合金多层次立体化铣、大型整体壁板喷丸成形、超长蒙皮的滚弯成形、整体油箱密封、强化工艺、激光加工、粉末注射和自动铆接装配等。

　　5.新型连接件

　　飞机结构由许多零部件组成，零部件之间主要靠机械连接件连接，包括承力锁、铆钉、螺栓等。连接件也必须具有耐久性、可靠性及好的相容性。目前连接件主要有：钛合金紧固件代替钢紧固件，减轻重量，提高性能，铆接装配自动化；长寿命干涉配合连接，如无头铆钉、冠头铆钉（全冠头、半冠头、浅冠头）、环槽铆钉、应力铆钉、高锁螺栓、锥形螺栓及各种单面连接件等。

　　6.质量检测

　　质量检测是确保产品精度、性能可靠的重要手段，设计要全面进行方案评审、打样评审、细节评审等，材料、制造、装配也要得到严格的检验，民用飞机要符合适航条例，军用飞机要满足强度刚度规范要求，同时还要进行静力试验、疲劳试验、环境试验、耐久性／损伤容限试验等，以期得到合格产品。此外，制订飞机结构维修大纲、维护手册、修理手册、零件清单，做好产品支援与综合保障工作，使得飞机结构在全寿命期内结构完整。

　　三、现代飞机结构的细节设计

　　飞机结构总的结构型式的不断改进，飞行过程空地勤反馈信息和顾客意见等，不断完善了设计，形成了成熟可靠的结构型式。而细节设计的不足将导致结构过早地损坏，维修费用提高，性能降低。实践表明，绝大多数结构损坏或开裂都发生在细节设计不足处。因此，现代飞机结构十分注重细节设计。

　　1.防腐蚀、抗疲劳设计

　　腐蚀、疲劳是造成飞机提前破坏因素之一，结构设计中，必须全过程、全方位地考虑防腐蚀、抗疲劳设计，明确飞机外部和机内环境，正确选择材料，控制适当的应力水平，严格涂镀层表面处理，减少应力集中。

　　2.抗声疲劳设计与防护

　　声疲劳是指快速交变应力引起的材料断裂，交变应力主要是气动声载和发动机噪声引起的脉动压力，除选用噪音低的发动机外，还要对发动机短舱进行降噪设计，声疲劳敏感部位如进气道唇口、辅助进气门、腹鳍、方向舵、炮口区等按动态设计，刚度要大。采用夹层结构、复合材料结构、构件对称布置等比较有效，必要时还需增加动力吸振器，主动控制降噪。

　　3.增压舱设计

　　除对增压舱铆钉、环槽钉、螺栓采用干涉配合连接外，还应大量采用压铆机压铆，以便提高铆接质量。多采用整体件和大面积胶接件；活动部位如门、窗、口盖等用密封带密封。此外，对气密结构规定的区域进行缝内缝外涂胶密封。不同区域、不同结构，需采用不同的密封胶密封。增压舱结构要选用疲劳性好的材料，控制合适的应力水平。

　　4.无余量装配

　　零件加工到最终状态，装配前不留余量，防止装配时加工破坏零件表面处理层，或加垫片引起偏心。保证装配的准确度，包括几何形状准确度、尺寸精度和互换性要求。因此要充分协调零件之间关系，合理分配容差。

　　5.强化技术

　　在不增加飞机结构重量，不改变飞机结构型式和材料的前提下，通过局部强化工艺处理，提高飞机结构寿命。主要有干涉配合铆接、螺接及衬套、喷丸强化、激光强化、孔挤压强化、改善紧固孔的疲劳品质等。

　　6.维修性设计

　　维修性是衡量飞机品质优劣和维修工作量大小的重要标志。目前主要以可靠性为中心，涉及重要零件检查的可达性、开敞性，防差错设计，口盖及舱门开启灵活及关闭可靠等。

　　7.结构优化设计

　　计算机与有限元法结合，追求最佳几何尺寸，得到重量轻、效率高的结构。主要解决好应力、屈曲、位移、破损安全、工艺等多约束、多变量优化问题。

　　四、结束语

　　现代飞机结构设计，军、民用飞机侧重点不同。军机追求总体性能好，满足强度刚度规范要求。民机讲究安全性、经济性、舒适性，一定要符合适航条例。在继承好的结构型式基础上，不断扩大新结构、新材料、新工艺的应用范围，同时十分注重细节完善设计。第四代战斗机F-22和新一代客机B-777是现代飞机结构设计成功的典范。当然，飞机设计与工艺水平要同步发展，互相促进，才能达到长寿命、高可靠性、好的结构综合效率和低维修成本等目标。