【专业讲堂】航空飞机实现轻量化的三个秘诀
当飞机重量降低1％可以节省数十亿美元时，很显然，绿色环保（通过减少排放和燃料消耗）不仅是对环境的胜利，而且还有助于提高利润。与混合动力和电力推进一样，轻型飞机对航空业的未来至关重要。
工程师面临的挑战是在保持安全性和法规标准的同时减轻组件设计的重量。而困难在于飞机的配置已经稳定了几十年，而且不太可能改变。因此，所有容易减轻体重的改进都已在几年前实施。为了有效地设计轻型飞机，工程师需要遵循三个趋势：
采用先进的材料体系，例如复合材料
实施新的制造技术，例如增材制造
通过改进的数据库体系从物料数据中提取更多价值
趋势一：轻型飞机的先进材料
大多数现代飞机均由50％以上的复合材料制成，并且比以前的飞机轻得多。显然，开发和使用新材料是减轻飞机重量的好方法。挑战在于，工程师可能很难预测这些复杂材料的性能。
如果无法正确模拟零件，则后期设计和制造失败的可能性会增加。这些问题通常伴随着巨大的成本和项目延迟。因此，工程师需要可以预测这些复杂材料行为的仿真工具。为此，他们需要经过实验数据验证的准确模型。
碳纤维复合材料
趋势二：轻量化结构的新制造技术
传统的制造技术会限制工程师设计最佳零件的自由度。举例来说，工字梁经过尝试、测试和证明是正确的——但之所以选择它，是因为它便于生产，而不是因为它是最佳的。
诸如增材制造和拓扑优化之类的工具为设计提供了比传统结构组件更轻巧的门。拓扑优化使用物理驱动的仿真技术来找到给定体积中的最佳形状，以满足一组结构性能要求。控制此过程的算法往往会产生看起来很有机的零件，而这些零件很难用传统方法生产。然而，增材制造可以生产许多这样的结构。
由于这些新制造技术的优势，航空航天业的工程师已开始对其进行测试，以用于未来的飞机设计。这些测试将用于提高可预测性，解决不确定性并优化零件的性能。
增材制造和拓扑优化等工具将有助于飞机的轻量化设计
趋势三：物料数据库解决方案
单独开发新材料或优化形状是不够的。飞机是大型的复杂系统，需要在设计过程中各个阶段的不同团队使用大量的物料数据。这使得从可用数据中提取最大值具有挑战性。这个问题不仅影响一架特定飞机的设计，还可能阻止在未来平台之间共享和重用旧信息。
一个组织收集的大约一半的材料数据仅使用一次，而工程师每周可以花费大约30分钟来查找数据。最重要的是，大约20％的材料测试重复了现有工作。
整个企业中的通信和物料数据管理是应对这一挑战的关键。为了节省时间、成本和重复性工作，工程师需要一个易于浏览、填充和使用的材料数据库。该系统还应该能够找到并推荐可以完成工作的材料。有了这样的数据库系统，工程师将不会浪费时间和资源来寻找数据。