飛機強度研究在飛機設(shè)計中具有怎樣的意義

近日，美國《西雅圖時報》報道，波音777系列最新機種777X在9月5日進行地面高壓應(yīng)力測試時一扇客艙門脫落，脫落原因是機身結(jié)構(gòu)受損，機身撕裂。

波音777X機身上的撕裂部位

這在各種飛機的研制和試驗中并非罕見一幕。而這件事情背后，卻讓一個飛機研制中重要的學科再度走到我們面前——飛機強度研究。

那么，飛機強度研究到底是一個怎樣的學科？在飛機設(shè)計中又具有怎樣的地位？

力學是大工業(yè)時代的真正科學的基礎(chǔ)——馬克思

強度專業(yè)從力學衍生而來，深耕于工程技術(shù)，屬于工程力學領(lǐng)域（技術(shù)科學范疇）和工程技術(shù)領(lǐng)域。其中，飛機強度專業(yè)又屬于工程力學領(lǐng)域和航空技術(shù)領(lǐng)域。

以前的飛機強度專業(yè)，研究的主要范疇是狹義的機械力和廣義的自然力。

狹義的機械力

廣義的自然力

隨著飛行速度越來越高，使用環(huán)境和操控形式越來越復(fù)雜，人們開始密切關(guān)注結(jié)構(gòu)、控制、環(huán)境之間的耦合作用，由高超聲速飛行器發(fā)展引出的靜、熱、振、噪多場耦合問題，以及隨著飛機全空域飛行、跨地域部署帶來的氣候環(huán)境適應(yīng)性問題等，也就是進入“大強度”的領(lǐng)域。

多物理場耦合

多系統(tǒng)耦合

這幾年來，飛機強度研究的方向更從過去較為單一的安全性，演進為安全性、穩(wěn)定性、可靠性、舒適性、適應(yīng)性等相互交融，這被稱為“新強度”的領(lǐng)域。而強度研究手段，也從最初的解析法發(fā)展到工程法，再到數(shù)值法；進入二十一世紀之后，其研究手段已經(jīng)全面演進為基于模型的數(shù)字化階段，也就是“數(shù)字強度”領(lǐng)域。

數(shù)字強度

同時，隨著航空科技的發(fā)展，飛機已由傳統(tǒng)機械系統(tǒng)演變到由現(xiàn)代飛控系統(tǒng)使能的半自動化系統(tǒng)，目前正向人-機交互系統(tǒng)發(fā)展，未來將向智能系統(tǒng)方向演進。飛機強度專業(yè)將面臨諸多挑戰(zhàn)，在克服這些挑戰(zhàn)的同時也將被賦予更多新的內(nèi)涵。

因此，航空發(fā)展百余年來，強度的廣義內(nèi)涵應(yīng)按這樣闡述：

研究對象在設(shè)計狀態(tài)下保持其目標品質(zhì)的能力。

我國飛機強度研究始于我國首型自行研制的飛機殲教1。著名的飛機設(shè)計大師陸孝彭任飛機的總設(shè)計師，重點負責飛機的總體強度和結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計，只用了兩年多就讓殲教1飛機首飛成功。

陸孝彭

接下來，在強5身上，陸孝彭進行了我國首次飛機靜力強度破壞試驗：通過不斷試驗，陸孝彭帶領(lǐng)團隊不斷修改設(shè)計和制造工藝，終于在1965年6月4日，強5試飛成功！由于設(shè)計出色，強5于1985年獲得中國國家科技進步特等獎，也是我國首型出口的作戰(zhàn)飛機。

1965年6月10日，完全自主研制的強5飛機首飛成功

新歲來臨舊歲離，華燈明滅晚煙低。

拼將白發(fā)填雙鬢，定叫雄鷹展翅飛。

——陸孝彭，于1961年除夕（強5研究階段）

自此，我國飛機設(shè)計就進入規(guī)范化路徑。尤其是從上世紀末到如今近二十年時間，是飛機型號研制和專業(yè)技術(shù)發(fā)展的黃金時段——我國相繼成功研制殲10、殲15、殲20、運20和C919等一大批新型軍民用飛機，攻克了一大批強度關(guān)鍵技術(shù)，形成了系統(tǒng)的強度專業(yè)能力。

運20全機靜力試驗

殲10飛機全機靜力試驗

殲11飛機全機靜力試驗

強度專業(yè)能力要經(jīng)由怎樣的路徑來驗證和提高呢？

這就要提到地面靜力試驗。這被稱之為所有飛機型號必經(jīng)的“體檢科目”，體檢對象就是飛機的強度。

2017年12月，央視報道C919靜力試驗，C919接受靜力測試機翼被拉斷的視頻曝光。

12月30日22時，試驗正式開始，按試驗大綱要求逐級加載，飛機單邊機翼載荷最大達到了95噸，機翼翼尖最大變形達到了3.26米，隨著“按程序逐級加載至153%”、“測量，保載3秒”指令的發(fā)出，現(xiàn)場爆發(fā)出了熱烈掌聲。

C919靜力試驗

這只是靜力試驗中的一個“小case”。多年來，航空工業(yè)強度所著力于大型客機的強度設(shè)計、分析與驗證，突破了一大批關(guān)鍵技術(shù)，形成了一批具有良好應(yīng)用價值的研究成果，為C919飛機翱翔藍天提供了強有力的支撐。

C919靜力試驗現(xiàn)場

在進行靜力試驗前——

強度所針對飛機材料、工藝以及結(jié)構(gòu)特點，編制了機體結(jié)構(gòu)靜強度分析手冊和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度分析手冊（具有自主知識產(chǎn)權(quán)，填補了我國民機結(jié)構(gòu)設(shè)計長期依賴國外手冊的空白）。

其次，針對C919選用的鋁鋰合金、鋁鎂鈧合金等航空新材料，以及機身和機翼的新結(jié)構(gòu)形式，強度所規(guī)劃了設(shè)計性能試驗矩陣和試驗標準，并完成了大量的材料力學性能測試。

緊接著，在靜力試驗過程中——

首先為C919這個龐然巨物進行了針對性的工具建造：集智能框架、液壓控制、協(xié)調(diào)加載、精確測量、數(shù)據(jù)分析、虛擬仿真、實時監(jiān)控、協(xié)同管理八大系統(tǒng)于一體的多功能智能化驗證平臺。通過試驗機試驗發(fā)現(xiàn)，這一平臺的服液壓協(xié)調(diào)加載控制精度優(yōu)于1%，響應(yīng)同步采集測量精度優(yōu)于1%，試驗系統(tǒng)可靠度大于99%。

其次，在C919飛機全機靜力試驗中，保證載荷施加能夠非常精準的加載在控制點上。能夠做到飛機姿態(tài)誤差位移不超過5mm，角度誤差不大于1°；約束點載荷誤差小于5000牛；主動控制加載點誤差小于1%Pmax等技術(shù)指標，達到國際先進水平。

強度研究與試驗貫穿于飛機設(shè)計與制造的全過程，對于飛行安全非常重要。正因為有這些航空強度專家們的不斷研究與突破，才保證了每型飛機的安全、可靠與舒適。