损伤容限的概率设计方法

复合材料结构概率损伤容限设计方法研究

1. 研究背景

现阶段在复合材料结构的损伤容限设计方法中，所考虑的主要物理量是按确定量来处理的而忽略了它们的随机性，即确定性方法。例如，复合材料结构在制造或使用期间常常会产生损伤，为了使设计的结构在经受这样的损伤之后仍能安全使用，在实践中一般的做法是限制复合材料结构中的许用应力。典型的做法是，将复合材料结构设计成经得起下述最苛刻的二个条件中的任何一个：（1）极限载荷下任何位置的6.3 mm的开孔；（2）规定尺寸的物体冲击表面时引起的损伤（代表目视勉强可见的冲击损伤威胁）。两个准则都假设在构件的寿命期内存在缺陷。很显然，这些准则降低了复合材料的许用强度。确定性方法规定一个安全系数以覆盖未知量而导致保守的设计，传统上安全系数一般取为1.5。

实际上，飞机结构的安全性要受到很多因素的影响，其中一些主要影响因素还具有明显的、不可忽视的随机特性。因此用统计模式来表征部件尺寸、环境因子、材料特性和外载荷等设计变量更为符合实际情况。确定性方法是找出并定义在设计中要满足的一个最严重情况或极值，而概率设计方法则在设计中利用统计学特征并试图提供一个期望的可靠度。概率方法依赖于一个变量的统计特征来确定它的大小和频率，较确定性方法更为合理。

当前军用和民用飞机的结构设计除满足强度和刚度要求外，已广泛采用耐久性/损伤容限设计思想。其中，损伤容限设计思想是在“破损安全”概念的基础上演变而来的，主要基于如下考虑，即结构带损伤使用是难以避免的事情。损伤容限设计思想要求含损伤结构在损伤被检出之前要保持足够的剩余强度。损伤容限设计是依靠结构对损伤容忍能力和规定的无损检测的有效性来保证安全的。目前的损伤容限设计方法属于确定性设计方法。因此，进一步的设计思想是发展一种能综合考虑各种主要因素的影响及其随机性的设计方法，即复合材料结构可靠性分析与设计方法。

2. 复合材料结构概率损伤容限设计涉及的损伤表征问题研究

2.1 损伤类型及其相应的损伤信息数据库

在复合材料材料结构损伤容限设计中的初始缺陷主要包括制造加工缺陷与使用（服役）缺陷两大类。按照损伤类型又可以分为（1）脱胶分层，（2）孔隙率，（3）开孔，（4）冲击损伤等等。

国外的研究表明，对复合材料结构可靠性进行评估而言，能够利用的有关损伤的定量信息很少。因此建立损伤数据库是实现复合材料结构概率损伤容限设计方法的最基础的工作。

进行复合材料结构概率损伤容限设计与评估需要的损伤信息包括损伤类型、导致损伤的

原因、损伤尺寸、损伤发生的频率、损伤位置以及损伤检测方法。

2.2 损伤图谱

依据损伤类型及其相应的损伤信息数据库，研究并给出飞机复合材料结构损伤分布图（结构中具有类似的损伤威胁与损伤阻抗的区域的分布图，能够定量地表示不同的损伤类型在结构中发生的频率）。

2.3 损伤尺寸的概率分布

在损伤信息数据库与损伤图谱的研究基础上，建立损伤尺寸的概率分布（包括概率密度曲线和累积概率分布曲线）。

2.4 损伤检测概率

研究复合材料结构的损伤检测概率的数学描述方法，特别要关注不同的无损检测手段对损伤检测概率的影响。

3. 复合材料结构概率损伤容限设计中的不确定性因素的概率表征

研究复合材料材料结构的损伤容限设计评估中的不确定因素的概率表征方法。在复合材料材料结构的损伤容限设计中需要考虑的不确定因素（初始设计变量）主要包括：

●失效模式（强度、刚度、稳定性、颤振等）

●载荷

●强度/刚度与温度的关系

●含湿量与时间的关系

●剩余强度/刚度与损伤尺寸/类型之间的关系

●检测概率与损伤尺寸/类型/检测方法之间的关系

●最大载荷与损伤存在时间之间的关系

●损伤尺寸与损伤类型谱

●结构温度谱

4. 复合材料结构损伤容限的概率设计要求

在飞机复合材料结构确定性损伤容限设计要求的基础上，研究复合材料结构损伤容限的概率设计要求，并进一步给出损伤扩展的验证和剩余强度的概率要求（可靠度指标）。主要研究内容包括：

（1）设计需考虑的损伤尺寸：

●初始损伤尺寸及其概率分布，特别是复合材料结构损伤容限设计中特别关注的目视

勉强可检冲击损伤（BVID）；

●最大设计损伤尺寸（MDD）及其概率分布

●许用损伤尺寸（ADL）极其概率分布

●临界损伤门槛值（CDT）及其概率分布；

●离散源损伤尺寸（DSD）及其概率分布；

●易检损伤尺寸（RDD）及其概率分布。

（2）设计需考虑的载荷水平

●设计极限载荷（DUL）及其概率分布；

●设计限制载荷（DLL）及其概率分布。

5. 复合材料结构损伤扩展的概率分析方法

综合采用复合材料力学、结构有限元方法、断裂力学理论以及概率理论等方法，研究复合材料结构损伤扩展的问题，为复合材料结构损伤检测周期的确定奠定基础，并预测结构可能的损伤扩展路径。

6. 基于概率设计的复合材料结构损伤检测周期的确定方法

根据复合材料结构概率损伤容限分析方法，建立复合材料结构损伤检测周期的确定方法。

7. 复合材料结构概率损伤容限设计评估验证

选择由确定性复合材料损伤容限设计的复合材料结构部件，按照复合材料结构概率损伤容限设计方法对其进行分析，研究内容包括：

●对原设计进行可靠性评估，给出其损伤容限可靠度指标；

●在可接受的安全水平下，按照复合材料结构概率损伤容限设计方法对其进行重新设

计验证，并比较新旧设计方案，以验证复合材料结构概率损伤容限设计方法在结构

减重、提高结构效率方面的优势。