第八章 复合材料结构耐久性损伤容限设计4-2

课

题

第八章复合材料结构耐久性损伤容限设计（二）

目的与要求耐久性/损伤容限的基本设计方法、通用过程流程和一般设计原则提高零部件耐久性/损伤容限的特殊设计方法和材料使用因素

了解耐久性/损伤容限设计实例

材料因素对耐久性/损伤容限设计的影响程度

重点耐久性/损伤容限的基本设计方法、通用过程流程和一般设计原则提高零部件耐久性/损伤容限的特殊设计方法和材料使用因素

难

点

耐久性/损伤容限的基本设计方法、通用过程流程和一般设计原则

教

具

复

习提问耐久性/损伤容限的基本设计方法、通用过程流程和一般设计原则？提高零部件耐久性/损伤容限的特殊设计方法和材料使用因素？

新知

识点

考查

耐久性/损伤容限的基本设计方法、通用过程流程和一般设计原则

布置

作业

课堂布置

课后

回忆

耐久性/损伤容限的基本设计方法、通用过程流程和一般设计原则？备注

教员张颖云

1.耐久性/损伤容限设计方法

1.1.概述

1.1.1目的

耐久性/损伤容限的设计方法主要是正确地制定和执行，对结构的耐久性/损伤容限控制计划。

1.1.2主要的两项任务

●确定关键件根据系统的整体性、零件在系统中的位置、作用以及零件的

服役环境，又设计人员预先或者设计过程中确定零件或部件是否属于关键件，或者重要件。

●对关键件进行全面的质量控制由设计人员，协同工艺人员、质量控制、

操作人员和其他方面的人员，共同完成关注关键件或重要件的制造过程，要求从材料的定制、运输、存储、下料、铺贴、固化、成形、机械加工，以及随后的试验等方面进行控制。

1.1.3设计原则

●关键部位、关键件可能出现的缺陷/损伤的类型、尺寸、位置、范围以及

他们的相对严重性；

●评定损伤对疲劳载荷的敏感性及其疲劳扩展性，修理的最佳方案和可能保

留的剩余强度值；

●最后剩余强度的验证，确定检查间隔时间、检查方法，以及中间发生的损

伤扩展；

●环境对带有缺陷或损伤的零部的影响程度，突发事件可能导致的损伤和缺

陷的发展。

1.2.关键件的选择

1.2.1.评价因素

●一旦破坏或其破坏持续未被查出会对结构安全造成严重的后果的结构危

险部位和构建

✧承受的服役中出现超载能力对飞机而言就是飞行可能出现结构承

力；

✧静态试验或启动过程中附加的超大载荷对飞机而言则表示为，地面

试验载荷。

●影响零部件服役的因素

✧零部件的功能可靠性

✧经济性

1.2.2.关键件的确定原则

●着重考虑单向传力途径结构，特别是由于装配完成后零部之间的遮挡造成

的不可检结构；

●具有高度、超高度的局部应力，或者具有高度的应力集中部位的零部件，

以及附近的影响因素；

●强度计算或试验中显示的薄弱环节，或者是在服役过程中暴露出的强度下

降的部位；

●刚度差别比较大、振动幅度较大的部位，可能造成布局失效，导致功能障

碍或消失。

1.2.3.对复合材料来讲的主要结构

●容易遭受外来物冲击的部位；

●可能承受非层板平面内的载荷（即面外载荷）、受载复杂的承力区域的构

件和部位；

●受高温、湿/热或特殊环境因素长期作用的部位；

●加工、装配困难，易产生缺陷的部位。

1.3.复合材料结构损伤容限结构类型

1.3.1损伤无扩展概念

●前提

✧在规定的检查间隔时间内不出现损伤扩展，如果出现了明显的缺陷/损

伤扩展，必须更改原有设计和所有按此方案进行的零部件或系统，并且重新

确定设计方案；

✧为了满足含有损伤时的剩余强度要求

●原因

✧隐蔽性强无论是生产现场、装配过程，还是服役过程发生的缺陷，

对于复合材料来说，都是很难发现的；

✧扩展的无规律性在疲劳载荷下的扩展目前无明确的规律性可循，因

此一般设计时将设计许用值控制在较低值；

✧有极好的疲劳性能和金属材料相比较，复合材料有极好的疲劳性能，

即使受到冲击后的疲劳性能也好于金属材料。

●验证方法

✧试验验证的支持数据

✧结构疲劳试验验证

1.3.2损伤扩展概念的前提条件

●对可能出现每种缺陷/损伤，在使用载荷谱下的扩展特性有可靠的数据和

足够可靠试验检测方法；

●对于试验件和实际服役的零部件，应该有服役的先例作为印证依据，最好

具有失效分析的数据。

1.4.复合材料结构耐久性/损伤容限的一般设计原则

1.4.1合理控制设计应变/应力水平

根据构件所受载荷的性质和大小，综合考虑强度、刚度、耐久性和损伤容限的要求，确定合理的应变水平和质量指标。这是复合材料耐久性和损伤容限设计的关键方面。

1.4.2结构形式选择和材料选择

考虑构件使用部位、载荷类型、连接要求、工作环境、工艺性等多种因素的同时，还应该选择能够提高复合材料结构损伤特性的合理的结构形式，进行合理的材料设计—包括选择组份材料和铺层材料。

1.4.3细节设计

应该注意到复合材料层压结构层间性能比较低，在细节设计时应尽量避免使其遭受面外载荷。对于无法避免的面外载荷和应力集中、刚度突变、传力不连续等细节处理，必须采取适当的设计措施，最好参照已有的设计事例或试验数据。

1.4.4可修理性和可更换性

复合材料呈现的脆性、易分层性，以及抗冲击性明显低于金属材料的特性，因此设计时要求考虑到结构受损时，能够方便地进行更换和修理。