飞机制造过程中的结构设计与优化

飞机制造过程中的结构设计与优化

空中客车公司最新研制出的A350飞机，被认为是世界航空工业史上最为先进

的客机之一。其成功背后离不开高效的结构设计与优化。在飞机制造的整个过程中，结构设计与优化是非常关键的环节。本文将从飞机结构设计与优化的概念入手，探讨其在现代航空工业中的应用。

一、概念及意义

结构设计是指在设计前期，对飞机结构要求进行分析，给出结构草图、主要结

构部分截面尺寸及位置，布置机内设备、管线、缆线等的过程。而结构优化指的是在结构设计完成后，对结构进行计算、试验，因此得到结构中应力、振动、强度等参数，分析设计方案的缺陷，以便对设计方案进行评估、分析和优化，提高其性能、安全性和经济效益。

结构设计与优化的意义在于，通过不断完善设计和优化，可以提高飞机的整体

性能和安全性，并且节约成本，降低能源消耗率，确保乘客、机组人员以及货物等的安全。

二、章程与实践

从结构设计产生第一个想法开始，设计师就必须考虑到所有设计决策影响其体

系的因素，包括最重要的：重量、强度、使用寿命和成本。随着科技的发展和制

造技术的提高，结构的应用范围不断扩大。

在飞机制造中，结构设计与优化主要有以下两方面：

1. 结构优化的设计

飞机设计中，结构设计依照载荷类型、金属材料的特性，控制结构的弯曲、剪切、扭转、振动等，然后进行适当的优化。对于任何新的设计结构，结构优化是必

不可少的。飞机制造发展所满足的需求不断变化，因此结构优化的方法和手段也不断更新。

从组合设计、拓扑优化到拓扑和大小优化，每一步都会出现新技术或新材料，

通过不断变化的结构，实现优化。

2. 系统级优化设计

在设计中，每个系统都要进行结构设计与优化。在整个飞机的构建过程中，综

合去评估一个航空系统的性能是十分必要的。如何权衡各个系统及其分支之间的权衡，是关键问题。从飞机高度和速度、循环停放、机舱和货舱的参数、曲率、膜片、劳伦斯角度等等都需要考虑。

三、飞机结构设计与优化的实例

在飞机制造中，结构优化旨在最大化航空系统的性能，同样也将航空器的总重

量保持在最小。 A350飞机就是一个很好的案例。A350的设计中，优化是构建安全，轻松和提高舒适度的关键。其中包括：

1.高效结构钻石布局

A350的结构首次采用研究开发的高效结构钻石布局，将载荷分散到大范围内，大大减小了结构的重量，同时提高了结构的强度。这种布局可使结构简化且更轻，有助于减轻飞机重量，其中大部分由铝合金制成。

2.复杂曲线和减少前缘厚度

A350的机翼采用双前缘设计，这使得机翼表面形成了复杂曲线。这种设计应

用了各种先进数值方法和计算机技术，最终可以实现机翼在高速飞行时的稳定性。同时，这种设计可以减少前缘的厚度，还能在风洞中进行优化实验。

3.液压系统

液压系统是除了动力和电子系统外的另一个主要系统，这个系统在A350中采用了最新的设计技术，这样可以既减少液压能源消耗，又能避免不必要的飞行器潜在故障。

结尾

结构设计与优化可以在飞机制造的每一阶段中得到应用：从飞机的设计和构建到最终评估和验证，并进行长期损坏分析。近年来，随着制造技术和计算机技术的不断进步，越来越高级的结构优化技术被应用于飞机结构和零件的优化设计，同时更加重视对其余分支的影响的综合研究。因此，飞机结构设计与优化是提高飞机性能、降低安全风险和成本的非常重要的枢纽之一。