復合材料的優點

　　飛機設計師之所以喜歡復合材料，主要是因為它們具有極高的剛度重量比。異常堅硬的碳纖維與塑料基體相結合，形成了一種非常輕但堅硬的材料，與傳統材料相比具有許多優點。碳纖維復合材料的剛度和強度等于或超過大多數金屬，但密度小于鋁，這使得飛機更輕、更省油。

　　復合材料還具有非常優異的耐疲勞性能。當裂紋在基體中形成時，它們很快被纖維阻止，因此裂紋不會像在金屬結構中那樣傳播。復合材料可能會斷裂，但在結構復合材料中產生裂紋所必須施加的力是相當大的，而大部分能量用于破壞纖維與基體的結合，而不是變形，因此材料本身吸收了大部分能量。

　　飛機工程師從復合材料中獲得了設計上的靈活性。復合材料的剛度特性可以在一定程度上進行調整，因為它們在沿著增強纖維的方向上更為堅硬。復合材料的制造方式通常包括層壓，其中單向織物層沿各種方向堆疊，可以在結構需要時提供大剛度。此外，工程師可以定制復合材料，使其在施加載荷時形狀略有改變。這一特性使機翼的開發在空氣動力學上更加有效。

　　使用OptiStruct優化復合材料的三相方法

　　復合材料結構的一個獨特優點是能夠將傳感器嵌入飛機的蒙皮中，從而允許飛行員監測任何損傷。在小問題發展成緊急問題之前發現小問題的能力使這種傳感器非常寶貴。

　　復合材料另外一個主要優點是具有耐腐蝕性。由于不含金屬，因此材料不會發生電偶腐蝕。腐蝕是金屬飛機面臨的一個主要問題，而飛機運行的環境具有很強的腐蝕性，因此必須經常檢查金屬飛機的腐蝕損傷。由于復合材料的耐腐蝕性，減少了復合材料機身的檢查周期，節省了操作人員的時間和費用。

　　除了在成本和性能上的優勢外，復合材料結構還可以使乘客的飛行更加舒適和方便。使用復合材料機身時，飛機內外的空氣壓力差可能更大，因為復合材料可以比金屬更有效地應對反復的客艙增壓和減壓，金屬在這些操作中容易疲勞。因此，可以提高機艙內的壓力，從而使飛機降落時的耳鳴聲降低。在復合材料機身中，機艙內的濕度也可以設置在更高的水平，這樣就不會受到腐蝕。在長時間飛行后，較高的濕度可以防止頭痛和口干。另一個好處是復合材料飛機的窗戶可以更大，因為它們由非常堅硬的材料支撐。

 

　　復合材料帶來的問題

　　雖然復合材料解決了許多金屬結構常見的問題，但它們也有自己的問題。其中重要的一點是，由于復合材料是由多個鋪層構成的，因此復合材料可能會在這些層之間薄弱的位置發生分層。當施加垂直于各層的荷載或剪切荷載時，特別有可能發生分層。

 

　　為了應對分層并避免屈曲帶來的挑戰，復合材料結構設計師必須確認，復合材料所承受的載荷在很大程度上是纖維強的面內載荷。如果設計工程師想降低分層的可能性，就必須考慮結構中所有的潛在載荷路徑，這也是計算機模擬對復合材料飛機設計越來越重要的原因之一。

　　工程師們面臨的另一個問題是，與金屬不同的是，沒有辦法檢查復合材料的弱處或內部損傷。當出現分層或裂紋時，它們通常隱藏在復合材料內部看不見的地方。嵌入式傳感器有助于捕捉這些故障，但它們需要一種對飛機工業來說是新的方法，需要對工藝進行調整。

　　在將復合材料構件連接到金屬結構上時，圍繞復合材料的棘手問題之一變得顯而易見。由于復合材料是較硬的材料，它們承受了大部分載荷。制造商通過簡單地用更多的復合材料建立復合材料與金屬的連接來補償這種增加的應力。然而，這增加了重量，而且金屬的膨脹和收縮速度往往與它所連接的復合材料不同。這種不平衡會導致關節失效。

　　當然，這個困難可以通過簡單地用復合材料制造更多的組件，創建一個全復合材料接頭來解決。然而，這樣的解決方案并不容易。復合材料通常與粘合層連接，當受到某種載荷時，粘合層本身容易分層。兩個復合材料部件可以用緊固件連接，但這一過程會引入鉆孔產生的應力集中以及復合材料和緊固件之間不同的膨脹率。

　　理想的解決方案是開發更全面、完整的復合材料結構，從而避免零件的連接，飛機開發人員在開發整體制造方法方面正在取得巨大進展。

　　仿真模擬解決方案

　　顯然，想要在飛機上使用復合材料的工程師、設計師和制造商必須考慮和測試多種因素。他們越來越依賴計算機模擬來幫助評估所有可能影響復合材料結構的變量。

 

　　和其他行業一樣，在投資建造昂貴的飛機之前，模擬技術可以用來在計算機屏幕上設計和測試復合材料結構。然而，對于復合材料，模擬變得更加復雜。與金屬和塑料部件不同，復合材料不是均勻的材料。它們由具有特定方向性的纖維層組成，這些方向性可能影響結構的反應方式。這種異質性成倍地增加了必須考慮的設計變量。因此，我們看到了許多非常保守的飛機設計，這些飛機無法充分利用復合材料的寶貴特性。

　　然而如今，工程師們已經可以使用仿真軟件來管理優化基于復合材料的設計的負擔，從而得到更可靠和系統的結果。該軟件能可靠地計算出應采用的鋪層數量和位置、應采用的鋪層角度以及鋪層的佳方式。基于計算機的軟件可以同時評估數百個荷載工況，考慮無數的變量，并自動生成針對特定應用的佳組合結構的計算結果。

 

　　借助這種先進的模擬軟件，工程師可以很容易地將復合材料層的形狀和參數映射到模擬模型上，模擬產生的結果不容易測試，可以提供對設計和可能存在的潛在問題的深刻見解。例如，在沒有可靠的物理測試方法的情況下，模擬可以預測結構內部各層之間的平面外應力。此外，優化方法可以開發出一種將這些應力降至小化，以消除在正常載荷條件下分層的可能性。

　　在新一代復合材料飛機的設計中，仿真模擬正成為一個關鍵的過程，它可以產生更安全、更舒適和更省油的設計，這些設計也必將在未來幾年推動復合材料在更多結構中的應用。