机械设计的点滴体会(二)

假如我们把钢结构叫‘重型结构’的话,铝结构就是‘轻结构’,它的设计与钢结构是完全不同的,或者说根本就是两码事。有些时候,因为某些需求,你必须设计铝结构。

铝结构得到充分的发展是在二战时期,当时是‘玩命时代’,你的飞机速度快,灵活,载弹量大,生存条件好,你就有了制空权,一旦有了这东西,就可以在人家头上扔炸弹,炸掉滚针轴承厂,潜艇制造厂,Me109 的组装厂、重水厂,最后纳粹就玩完了。

在这场竞争中,美国佬胜出,直到制造出B29的时候,世界知道,大局已定了。

铝是一种柔软而耐氧化的物质,正是因为这些特点,它不太适合做结构件使用,首先是不宜焊接,另外是比钢材的耐温性能差许多,但对于某些领域又必须使用它,于是人们开发了许多与钢结构完全不同的设计方式来利用铝及其合金结构。

由于铝的机械性能差,美国率先开发所谓的‘硬铝’用作航空材料,除少量必须用钢材的结构以外,当年的大型轰炸机的机身和机翼都是这东西,由于铝的延展性能好,做结构件时,要充分利用这种性能,使应力大的地方实行一体化的结构设计,避免使用铆接,连接的位置可以在‘中性线’上,大大地提高了铝结构的整体承载能力。这一点和钢结构的设计完全不同。

这种设计思想一直延续到今天,当代的高速列车就采用了大量的铝结构件,这些结构件是大型的铝型材,从车厢的断面上看,是由几块大型型材拼接而成的,受力区域都是连续结构,不会有焊接或铆接的设计结构。假如你原来是搞钢结构的人,后来转到设计铝结构,你就要特别注意这一点,你必须要能独立拆解一个铝断面,用什么方式提高强度和刚度?用什么方式进行联结?同时要知道热挤机是否可以挤出你要的断面,有没有这么大的力能参数。

你觉得很难吗?其实也不难!像我这样的笨家伙都是自行拆解铝断面,设计刚度的,你一定可以做到的。

把铝结构联结到一起的方式也不如钢结构多,早年一般是铆接,今天还在用,世界上铆制铝的铆接设备和铆钉并不很多,说白了吧!就美国佬和欧洲有。日本准备要造100吨级以上的大飞机了,为什么没有早动手,他不好意思说,我替小鬼子说了:日本没有合适的航空铆钉。我不算泄漏日本人的秘密吧!

今天,铝结构可以焊接,当然,方法比较特殊,还有一种被称为‘摩擦搅拌焊’的工艺,做厚结构时也用得比较好。

假如你做铝结构设计,能设计断面,会计算,再能拆了这个结构,分块做型材,再将其联结起来,你就会有饭吃,做这个的家伙比作钢结构挣钱多,这只是我悄悄告诉你的呀!你可别告诉其他人,否则,别人都学会了和你争饭碗。

随着人们对航空器‘更高、更大、更快、更远、寿命更长、事故条件下的生存能力更强’的多‘更’要求,铝材已经远远不能满足这些要求了。无论是强度、刚度和温度适应性及稳定性能都不够了。这时,纤维热压增强材料就开始逐步登上历史舞台了。

这些纤维热压增强材料主要是做结构用的碳纤维结构材料和做蒙皮及结构翼板的凯夫拉夹层材料。

碳纤维的模量很大,用它制作的结构,在有很高的强度的同时可以有很大的刚性,这是其它材料所不具备的。碳蜂窝结构是历史上最强的蜂窝结构。

凯夫拉夹层结构是由凯夫拉纤维和薄铝板的多层复合体,欧洲称‘凯夫拉三明治’,由于它的模量略小,具有一定的弹力和变形能力,是作轻结构蒙皮的上等材料,有时是唯一的选择。

作碳纤维结构设计时,你主要是考虑用什么结构形式,它和加工方法有密切的关系。在断面很薄的时候,蜂窝结构是你的唯一选择。会蜂窝结构的设计,你可以有一碗不错的饭,就可以作真正的白领了。

纤维热压增强材料的联结就比较特殊了,它与钢铁结构和铝结构的联结方式是截然不同的。这种材料一般是采用粘–铆联结方式。承载的联结体是环氧或类环氧胶,而铆钉只是辅助固定的方式,无论是哪国的铆钉都不会有这样大的联结强度。

粘–铆结构有其致命的缺陷,腐蚀会沿着边界层渗透,当层间结构被破坏到一定的程度,这种看似无敌的结构体就会瞬间崩溃,而在这之前是没有任何先兆的。

在设计过程中,要特别注意标注材料的表面处理和粘接方式,以及搭接界面的封闭处理。总体技术要求要标明多长的周期要进行层间结构的探伤处理,探伤显示的损坏结果到什么程度就要报废,而不管它看起来是新还是旧。否则,发生事故的时候,要拿你是问!

碳纤维还被用来作为结构的增强材料,粘接在梁体的表面以提高强度,它属于专门的学科。

你需要学习的实际是两种东西,一种是碳纤维结构件,一种是碳–钛复合拉杆,学会这两种东西,可以设计F1 或者设计飞行器。

在工程设计的时候,有时客户会提一两种特殊的结构给你,这是你的附属结构,一种是间隔消音结构,结构体之间要有一定的距离,内表面要粘贴某规格的沥青石棉毡,结构之间要悬挂式布置一定克重的玻璃纤维毡,这是依据声频特性计算出来的,有些时候这些东西你也必须会。

再有一种东西就是防弹结构,防炮弹的东西不是咱设计的范畴,那东西咱搞不了。防枪弹的结构主要是硬式和软式两种,软式的也是一种凯夫拉夹层复合结构,以前要自己设计,现在可以买得到。

说‘静态结构’和设计,俺就知道这些了,按中国成语说‘坐井观天’,俺就是那只井底的大蛤蟆,也希望有一天爬到井台上来看看世界,但,很难啊!不过,上面说的这些东西,俺可以替你做,即使是纤维材料,俺从压机替你做,做了设备再替你设计结构。

具体你要知道多少东西,那就要看你自己了,客户要侬作什么,侬没有自己的选择,白相白相以后就得干活,到底是钢结构、铝结构、还是复合结构,你的老板说了算,你说不会,他不给你发薪水,俄着你!你没辙吧!你和我毕竟不同,我只是一介混事之徒,谁拿我能怎么样?

说到搞‘运动结构’设计的家伙,有时看不起搞‘静态结构’设计的人,在有些场合也是有一定的道理的。

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