復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料和設(shè)計(jì)許用值的確定方法

吳志巨

【摘 要】通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用復(fù)合材料的許用值，對(duì)其設(shè)計(jì)許用值的取值方法和如何確定許用值進(jìn)行研究，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)許用值的表征與應(yīng)用有什么樣的關(guān)系和區(qū)別，為他們提供了更加明確的含義，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明統(tǒng)計(jì)的分析方式，內(nèi)容包含了如何確定靜強(qiáng)度、損傷容限、疲勞強(qiáng)度的方式和設(shè)計(jì)許用值的確定方式，是整個(gè)設(shè)計(jì)與審定的根本依據(jù)與關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)材料的許用值與設(shè)計(jì)的許用值進(jìn)行研究，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料安全性和可靠性的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料 飛機(jī)結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)許用值 確定方法

1 材料許用值

1.1 表征與應(yīng)用

材料許用值指的是通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析，得到了材料的性能值的大小，通常用平均值來(lái)表示，靜定結(jié)構(gòu)表征與超靜定結(jié)構(gòu)表征。在復(fù)合材料的使用中，復(fù)合材料的許用值可以采用材料的應(yīng)變值來(lái)表示。

復(fù)合材料中的材料許用值通常是用評(píng)估材料的分散性來(lái)做研究的，以及環(huán)境對(duì)材料有什么樣的影響，通過(guò)確定設(shè)計(jì)許用值的基礎(chǔ)，來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)分析的模量值進(jìn)行相應(yīng)的分析，但是，要注意的是，除了模量值之外，其他的材料許用值都不能直接的用在復(fù)合型材料中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中去[1]。

1.2 實(shí)驗(yàn)

對(duì)于材料許用值的實(shí)驗(yàn)，多采用試樣級(jí)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，應(yīng)該適當(dāng)?shù)乜紤]復(fù)合材料自身的結(jié)構(gòu)特征，包括其鋪層設(shè)計(jì)與材料的厚度、對(duì)環(huán)境有什么影響、是否有缺口效應(yīng)、機(jī)械緊固連接有什么程度的擠壓破壞等等問(wèn)題，要對(duì)相應(yīng)的事件數(shù)與合理的實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合[2]。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析

復(fù)合材料相對(duì)來(lái)說(shuō)靜度強(qiáng)、剩余的強(qiáng)度與疲勞的壽命實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)具有極強(qiáng)的分散性，對(duì)統(tǒng)計(jì)的分析方式一般采用的是性能試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并且要根據(jù)同級(jí)的材料許用值，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行詳細(xì)的分析，根據(jù)數(shù)據(jù)中與現(xiàn)實(shí)的差異性納入到設(shè)計(jì)許用值當(dāng)中去。需要注意在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前要先將異常的數(shù)據(jù)進(jìn)行舍棄，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，再進(jìn)行分析[3]。

2 設(shè)計(jì)許用值

復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)的研發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)許用值確定之前要給出研發(fā)過(guò)程中的設(shè)計(jì)許用值，便于在今后的工作中進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，確定了幾何的尺寸。最終對(duì)設(shè)計(jì)許用值是否用于復(fù)合材料中進(jìn)行審核。

2.1 靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)許用值

靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)許用值指的是在材料許用值的基礎(chǔ)上，對(duì)更高層的試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證得出的結(jié)果。通過(guò)對(duì)靜強(qiáng)度的研究，在靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)許用值的載荷作用下的結(jié)構(gòu)是如何進(jìn)行限制的，限制值是多少。靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)許用值應(yīng)該包括拉伸的強(qiáng)度、剪切的強(qiáng)度與壓縮的強(qiáng)度三種。

2.2 疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)許用值

對(duì)于疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)許用值，我們應(yīng)該考慮的是在是熱的環(huán)境下會(huì)受到什么樣的影響。對(duì)每種環(huán)境的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，其中包括高溫濕熱狀態(tài)、室溫環(huán)境狀態(tài)，大致需要約四個(gè)應(yīng)力的水平疲勞的壽命實(shí)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)力的水平進(jìn)行選取，選擇最靠近它的疲勞門檻值[4]。

2.3 損傷容限的設(shè)計(jì)許用值

這類損傷容限的設(shè)計(jì)許用值大致可以分為兩類，一是成分中還有BVID的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)許用值，也就是靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)許用值，這類的設(shè)計(jì)許用值是為了符合FAR25.305的設(shè)計(jì)的載荷條件進(jìn)行分析使用的設(shè)計(jì)許用值。二是根據(jù)最大設(shè)計(jì)損傷的符合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)許用值，也可以叫做損傷容限設(shè)計(jì)許用值，這類設(shè)計(jì)許用值是為了符合FAR25.571的損傷容限的程度進(jìn)行分析需要的設(shè)計(jì)許用值[5]。

2.4 國(guó)內(nèi)外的復(fù)合材料的設(shè)計(jì)許用值

表1當(dāng)前主要飛行器制造企業(yè)符合材料設(shè)計(jì)許用值

公司

部件名稱

材料體系

拉伸設(shè)計(jì)許用值

壓縮設(shè)計(jì)許用值

剪切設(shè)計(jì)許用值

Boeing

B777尾翼蒙皮

T800H/3900-2

3000-3500

2700

5.3

Airbus

A310垂直安定面

T200/913C

2800

2800

Airbus

A320垂直安定面

T300/913C

3200

3200

Airbus

A330、A340外翼

HTA/6376

5000

洛克希德

L-01011垂直安定面

T300/5208

4500

4000

西安飛機(jī)研究院

Y7垂直安定面

T300/913C

3200

3200

從數(shù)據(jù)表格表1我們可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典飛機(jī)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)許用值基本都控制在三千到五千左右。

2.5 修理的設(shè)計(jì)許用值

復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)修理方案通常可以采用對(duì)修理部位的構(gòu)型模擬實(shí)驗(yàn)、材料與工藝的試件實(shí)驗(yàn)。對(duì)修理設(shè)計(jì)的許用值，不需要以統(tǒng)計(jì)為基準(zhǔn)的材料許用值，但是要根據(jù)材料的性能存在的差異性進(jìn)行分析，尤其注意濕鋪層的修理情況。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)獲得了材料許用值之后，就可以針對(duì)少量的組合件或者子部件對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并且結(jié)合相應(yīng)的修理方法的設(shè)計(jì)于經(jīng)驗(yàn)給出相應(yīng)的修理設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)許用值。對(duì)于修理設(shè)計(jì)中的試樣可以采用螺接單排螺栓或者雙排螺栓的方式，或者采用膠接搭接的形式的方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的連接。可以通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)獲得材料擠壓、凈拉伸、旁路的實(shí)驗(yàn)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王國(guó)平，黃領(lǐng)才.全復(fù)合材料機(jī)翼設(shè)計(jì)研制中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[A].中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì).復(fù)合材料：生命、環(huán)境與高技術(shù)——第十二屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)，2002：5.

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[3]楊勝春，沈真，周建鋒.復(fù)合材料連接許用值確定方法研究[A].中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì).第十五屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下冊(cè)）[C].中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)，2008：4.