飞机复合材料结构设计与试验验证

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Boeing 787 结构材料构成
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复合材料在通用飞机结构上应用情况
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国内航空复合材料应用情况
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二. 飞机复合材料结构设计
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一般设计过程
载荷 制造工艺数据
• 卓越的运营经济性 — 通常用全寿命成本、载 重量和航程来衡量； 环境性能 — 其衡量指 标则是显著降低燃油消 耗、噪声和综合环境影 响，同时提高舱内舒适 性。
•
低成本
全寿命成本为衡量指标 市场竞争力的核心因素之一
• • • •
B. 实现上述目标的四 大核心技术：
轻结构技术 下一代发动机技术 先进空气动力学技术 创新制造工艺
材料和制造研发
609 613 619
结构验证——静力 结构验证——疲劳和损伤容限 结构验证——颤振 持续适航 其他（适坠性，防火、阻燃和其 他受热问题，雷电防护）
305 307 573 629
1529 附录G
......
1529 附录H
......
1529 附录A
高温与饱和吸湿环境条件组合在一起得到许用值； 耐久性要求——两倍寿命损伤/缺陷不扩展； 损伤容限要求——两倍维修间隔内损伤/缺陷不扩展，并 有足够的剩余强度； 根据试验数据限制许用应变，以满足损伤/缺陷不扩展要 求。
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设计许用值思想
壁板屈曲和子层屈曲——用分析工具处理，不要求许用强度输入； 螺栓连接破坏——采用半经验分析工具，以及相关的层压板级设计 许用值； 分层——被实心层压板冲击凹痕/穿透的许用应变限制所覆盖；
几何外形
设计通过
折中研究
复 合 材 料 试 验
材料弹性性能 初步设计 层压板 许用值 元件/典型件 试验
全尺寸结构 试验
详细设计
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航空复合材料结构设计/验证的一般过程
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设计考虑——选材
力学性能筛选 （包括湿热环境的影响） 液体敏感性的筛选
0°： 50%~60% ±45 °： 30%~40% 90 °： 10%左右 0°： 10%~30% ±45 °： 60%~80% 90 °： 10%左右
对于承受剪切载荷的结构，大约 10/80/10
对于承受不同载荷方向的结构，大约 25/50/25（准各向 同性）
0°： ~25%30% ±45 °： ~50% 90 °： ~ 25%
一般，材料许用值只用于点设计。
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飞机复合材料结构强度设计要点
蒙皮设计——根据刚度、强度、屈曲、损伤容限以及修 理许用值
冲击后压缩（CAI）、开孔拉/压、充填孔拉/压
连接设计——根据挤压/旁路、粘接强度、元件试验与损 伤容限 剪切腹板设计——根据剪切强度、损伤容限、修理许用 值、屈曲
适航管理的法律依据 与效力
《中华人民共和国民用航 空法》第四章“民用航空 器适航管理”授权国务院 民用航空主管部门对民用 航空器及其发动机、螺旋 桨和民用航空器上设备的 设计、生产和维修、进口、 出口、使用等活动进行管 理。 《中华人民共和国民用航 空器适航管理条例》的第 四条授权中国民用航空总 局（简称民航局）负责民 用航空器的适航管理。 《中国民用航空规章》和 《适航管理程序》是民航 局适航审定的基本依据， 具有法律效力。
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飞机复合材料结构 设计与试验验证
柴亚南 2011年 12月29日 西安
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一. 复合材料及其在航空结构上的应用情况
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复合材料定义
复合材料是宏观尺度上显现不同成分和形式的几种材料的混合物。复 合材料的各组分保持原有的特性，即各组分尽管变形一致，但它们彼 此完全不溶解或者相互不合并。通常，各组分在物力上能够被区别， 并且相互之间有界面。 通常是有一种制成细微形状的材料充分地分散与另一种材料中而组成 的，前者称为分散相（增强相），后者称为基体相。
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层压板——剔层
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拐角半径
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铺层拼接
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中华人民共和国民用航空法 （1996年3月1日施行） 中华人民共和国民用航空器适 航管理条例 （国务院1987年5月4日发布） 中国民用航空规章 适航管理程序
发动机燃油 液压油 冷却液 发动机润滑油 除冰液 洗涤液 。。。。。。
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设计考虑——一般原则 在确定铺层（层压板的铺层顺序）和设计细节 时，应当遵循某些基本的原则：
采用均衡的层压板，以避免翘曲； 采用能产生最小纤维体积含量为55%的制造技术； 在每个主方向(0°, 90°,±45°)最少使用10%的铺层， 以在所有方向提供可接受的最低强度； 在任何一个方向，最多采用四个连续的铺层，以避免从 固化温度下降时因收缩或因载荷作用而出现劈裂； 将±45°层铺设在剪切板的外表面，以增加对屈曲的阻 抗能力； 在孔或缺口周围区域避免高度方向性的层压板，因为这 种铺层情况的应力集中系数相当高；
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设计考虑——一般原则（续-2）
通过设计大的零件或区段使得连接的数量最小，因为连接会降低强 度并增大重量与费用（结构整体化设计）； 允许冲击类型的损伤，这可能随着危险度而变化（例如，上部水平 表面处于最高危险度）； 尽可能利用材料的非各向同性性质（优化与剪裁）； 确保设计中反映了所用制造工艺方法的限制条件； 进行破坏载荷与破坏模式预计，以与试验数据对比； 使得将会暴露材料缺口敏感性的特征变为最小或将其排除； 考虑由于环境出现的退化； 做好快捷检测生产缺陷的准备（可达性设计）； 设计中考虑到修理问题（可维修性设计）； 预计面外载荷并通过设计使其为最小； 计算强度时考虑到固化后层压板内的残余应力。
0.66
0.53
1.0
0.21
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航空结构常用的碳纤维聚合 物基复合材料的增强相构型
单向铺层
织物
编织
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军用航空结构应用情况
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民机结构的发展动力 轻结构
增加有效载重 减少燃油消耗，减轻环境污染
A. 民机技术追求两大 目标（民机市场竞 争力的主要核心）：
先进复合材料
主要指结构性能相当或优于铝合金的复合材料，如用碳纤维、硼纤维、 芳纶等高性能增强体与高聚合物构成的复合材料，还包括金属基、陶 瓷基和碳(石墨)基复合材料以及功能复合材料。
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复合材料的特点
是结构性材料 比强度、比模量高 各向异性，具有可设计性 耐腐蚀 抗疲劳 层间强度低（对聚合物基层压复合材料而言）
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复合材料结构设计理念
设计-材料工艺-制造/装配一体化的理念，强调结构设计 应该充分利用复合材料的优点，扬长避短。
买得起
整体化 自动化
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3. 复合材料设计准则（工程）
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层压板——铺层比例
对于单轴结构


（中国民用航空总局颁布）
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适航取证
《中华人民共和国民用航空法》第四章“民用航空 器适航管理”明确规定
民用航空器及其发动机、螺旋桨和民用航空器上设备的 设计、生产与维修、和进口需要申请并取得国务院民用 航空主管部门发给的型号合格证书、生产与维修许可证 书、和型号认可证书。 民用航空器应当持有国务院民用航空主管部门颁发的适 航证书，方可飞行。
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设计考虑——一般原则（续-1）
在碳和铝合金之间加上一层玻璃纤维织物屏蔽层，以防 电腐蚀； 在需要剔层处，取最少6 mm (0.25 in)的台阶长度逐步递 减，以改善载荷的重分布（剔层设计）； 只要可能，用一个连续的层覆盖各个剔层处，以防在铺 层端头处出现分层； 对机械紧固件保持足够边距孔距，使挤压强度最大； 只要可能，避免用蜂窝来加劲结构，因为蜂窝易于让水 分浸入并易受损伤； 避免使用会使纤维排列不佳的制造方法，因为波纹状的 纤维会使刚度和压缩强度下降；
对于冲击损伤复合材料，静力下预测的破坏应变与疲劳载荷下响应之间 的关系已经得到了证明；

蒙皮/芯子脱胶——专门确定冲击凹痕/穿透的许用应变限制点； 在最近的计划中，以开孔试样强度试验为基础的许用强度还被用来 说明层压板拉伸/压缩/剪切破坏、局部的自由边开裂/损伤、以及其 他已经存在的或损伤引起的应力集中
比强度 σb/ρ(×106c m) 0.13 0.17 比模量 E/ρ (×106cm) 0.27 0.26 比强度 σb/ρ(×106cm) 1.03 0.67 比模量 E/ρ (×106cm) 1.21 1.50
材 料 钢 铝
材 料 高强度碳/环氧 高模量碳/环氧
钛
0.21
0.25
硼/环氧
玻璃钢
前提：不降低结构安全性要求！
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复合材料在民机结构上应用情况（过去）
优势——天然的轻质材料
阻碍——结构成本与结构效 益的平衡
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A380机体结构材料构成
2% 表面保护涂层 22 % 复合材料 3 % Glare
2% 其他
10% 钛合金与钢
61% 铝合金
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中国民用航空规章与结构有关的条款
23部
603 605
25部
603 605 609 613 619 305 307 571 629
27部
603 605 609 613 619 305 307 571 629
29部
603 605 609 613 619 .305 307 571 629
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飞机复合材料结构失效（破坏）模式
壁板屈曲（稳定性） 层压板子层屈曲 螺栓连接破坏（挤压或静截面拉伸破坏等） 层压板拉伸/压缩/剪切（应力集中） 分层和界面脱胶 蒙皮/芯子脱胶（夹层结构） 冲击凹痕/穿透
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复合材料结构强度设计思想（相对保守）
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中国民用航空规章
《中国民用航空规章》有多个分部，对于机体结构 来说，涉及到第23、25、27和29部，其中
第23部 正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航标准， 是针对小飞机的； 第25部 运输类飞机适航标准，是针对大飞机的； 第27部 正常类旋翼航空器适航规定，是针对小型直升机 的； 第27部 运输类旋翼航空器适航规定，是针对大型直升机 的。
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层压板——铺层顺序
在那些不可能有完美 对称性的场合，“非 对称”应该保持尽可 能地接近中面。
铺层应该是对称的 （+45 °和- 45 °铺 层数目相等）来减小 制造中的回弹和挠曲
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层压板——铺层顺序
相同取向的铺层顺序 应该均匀地分布 。 从损伤容限观点出发， 层压板的外铺层不应 该与主应力方向相符 合。
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层压板——剔层
当运用剔层时，制造工艺会是主要影响的因素。斜率比
主载荷方向为 1:10 其他方向为 1:5
避免在同一点处斜削两层或更多的相邻Hale Waihona Puke Baidu层
每3层削层应该至少有一层连续或者覆盖这3层削层 ，在 削层的起始端与结束段，斜削的铺层应该是为内铺层， 外铺层应该是连续的
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层压板——铺层顺序
在一些情况下，如在屈曲下，建议把定位离对称平面尽 可能远；在这些层压板中，设计者不得不评估这是否与 先前的损伤容限准则相符合以及选择最佳方案。 为了减少层压板中微裂纹的形成，相同方向铺层的层片 数量应该加以限制。从设计实践中可知，推荐使用的最 大数量为三层 泊松比：对于胶接与共固化部分而言，为了使接触不同 层压板间的界面剪切最小化，泊松比差的绝对值应限制 在以内。