復合材料結構的適航符合性分析研究

鄭曉玲 /

(上海飛機設計研究院，上海201210)

復合材料結構的適航符合性分析研究

鄭曉玲 /

(上海飛機設計研究院，上海201210)

針對復合材料應用于大型民用飛機主結構件，從材料、工藝、設計、分析、制造、驗證與維護修理等方面要求進行分析研究，給出了復合材料結構的適航符合性驗證思路和試驗規劃的建議，為民機機體采用復合材料結構件提供技術支持。

復合材料；適航符合性；自動化鋪貼；自動化制造；試驗規劃

0 引言

隨著復合材料機翼、機身的應用，以及自動化制造技術的發展，如何規劃復合材料的研究思路，如何進行研究與試驗以表明適航的符合性，本文從材料、工藝、設計、分析、制造、驗證與維護修理等方面進行分析研究，給出了如何進行試驗規劃的研究，需要考慮的因素及適航符合性的思路，為復合材料主結構的應用提供技術支持。

1 未來民機對結構設計的要求

以波音787、A380和A350等為代表的新型民用飛機在總體設計方面廣泛應用數字化、信息化手段，大量采用數字建模、數字仿真、數字制造與虛擬現實技術，實現了異地協同與并行工程；在機體結構上大量采用先進的輕質材料和復合材料，顯著降低了飛機結構重量；在航電系統方面大幅提高了綜合化、模塊化水平；機載機電系統向多電飛機邁出了重要步伐，采用了電剎車系統和局部電-液作動器，并將環控系統改為電驅動。同時還選用了推力大、耗油率低、環保性好、涵道比高的新型渦扇發動機，使飛機的燃油消耗大幅降低。

2020年后的飛機應具有以下特點：

1)技術特點

更加安全、更加經濟、更加舒適、更加環保。

2)技術目標

①提高安全性，人為因素影響降低80%；

②提高經濟性，油耗降低50%，整機減重10%；

③提高舒適性，噪音降低50%；

④提高環保性，碳排放降低60%，氮氧化物排放降低80%。

為了實現整機的技術目標，結構應實現以下技術要求：

1)提高安全性，使用的材料、設計的結構、制造工藝等應具有高可靠性和耐久性，需要經過充分的試驗驗證；

2)提高經濟性，降低研制成本，實現全壽命成本控制，結構減重15%；

3)提高舒適性，降低和控制艙內噪聲，艙內噪聲降低5dBA；

4)提高環保性，通過減重實現碳排放降低5%。

輕質結構的應用是實現上述目標的有效途徑之一，復合材料結構是主要的輕質結構。而復合材料機翼、機身的應用代表了復合材料在飛機上應用的水平。

2 國際復合材料主結構技術發展分析

隨著復材技術的不斷發展及用量的增長，最具有代表性的新一代大型民用飛機——空客A380飛機、波音787飛機和正在研制的空客A350 XWB飛機，有別于以往同類飛機的一個重要標志就是機體結構大量采用復合材料，其復合材料用量分別占機體結構重量的25%、50%和52%。圖1表示了新一代大型民用飛機與上世紀后期研制的民用飛機復合材料應用情況對比。

在考慮將復合材料結構大量應用于新機研發時，通常都要對相關復合材料進行充分的前期論證和預先研究，特別要非常重視復合材料結構技術的預先研究。為此，世界航空工業先進國家先后制定了多個國家級的預發展研究計劃，并據其完成了一系列輕質、高性能、低成本復合材料的研究項目。

美國及歐盟為保持其在復合材料技術發展的領先地位，實施了ACT(Advanced Composite Technology)、AST(Advanced Subsonic Technology)、CAI(Composite Affordability Initiative)以及TANGO(Technology Application to the Near-term Business Goals and Objectives)、ALCAS(Advanced and Low Cost Airframe Structure)等一系列復合材料專項技術發展計劃和結構技術綜合發展計劃，使復合材料大量應用于民用飛機成為可能。圖2表示了其復合材料結構應用的技術發展歷程。

復合材料應用于民用飛機的主結構帶動了全球復合材料技術的迅猛發展。目前以波音787和空客A350為中心，已形成了全球性的有效供應鏈(見圖3、圖4)，極大地提高了復合材料機體結構的制造技術和生產能力。

復合材料結構工藝技術也從手工鋪層發展出了各種自動鋪層的方法，在提高制造質量的同時大大降低了工藝制造成本。根據對波音787和A350復合材料機翼和機身的制造工藝及可能發展的歸納分析(見表1)，可以看到自動化鋪層和成型是保證復合材料機翼和機身制造質量的根本保證。事實上為了進一步降低制造復合材料結構件的成本，關于機體主結構件的復合材料工藝技術還在不斷地探索和研究之中，表2展望了其未來的自動化制造發展方向。

表1 復合材料機翼/機身制造工藝

表2 復合材料機體結構件自動化制造技術的發展方向

3 面向復合材料自動化制造的設計技術探討

需要始終生產出完好的、可靠的、符合設計要求的結構件產品，才能用于民用飛機機體裝配。確保復合材料結構件產品符合要求的關鍵，是復材結構件制造的全過程控制。首先從原材料的生產、運輸、儲存控制，其次要有經過驗證并得到局方批準/認可的工藝規范/工藝規程、檢測規范和質量控制系統，包括相關人員的上崗培訓和持證上崗。要保證大批量的復合材料飛機主結構件的產品質量要求，標準化、自動化的制造技術不可或缺。所以攻克復合材料主結構件的標準化自動化制造技術，是首先要解決的問題，這里包括標準化的工藝研究、適用的自動化設備研制或購置。

自動化的制造包括自動鋪帶、不同帶寬的自動鋪絲、加筋構件的自動化預成型體制造等。同時還涉及到很多結構設計細節，如開口周緣的加強鋪層、剃層區、變截面變厚度筋條、連接區加厚、爬坡鋪層和梯度等。這類變截面部位可以通過優化設計獲取最佳結果，結合上述自動化制造工藝實現結構的輕重優質。而對于一些采用液體成型工藝的預成型體制備，能否實現自動化制備也是制約其應用的重要因素。

要實現復合材料機體結構件的自動化制造，必須在設計初始階段就充分考慮所使用設備的能力和參數。特別是對于一些細節設計部位，必須考慮相關設備的功能和技術參數進行細節設計，如鋪帶/鋪絲機的帶寬容量、單向和(或)雙向爬坡能力等。對于液體成型工藝，如采用自動化制備加筋結構預成型體，設計時需要考慮所采用的制備方法，有可能會制約變厚度的設計情況。

針對復合材料自動化制造技術，需要研究適合于自動化制造的設計技術與設計準則，要確保復合材料、加工工藝、結構構件的一體化設計。除此之外，設計上還需要考慮復合材料結構件的可修理性、可維護性以及降低制造和使用的成本等，這些都是復合材料結構得以應用于民用飛機機體主結構的關鍵。

4 復合材料結構的適航符合性思路分析

對于大型民用運輸類飛機，復合材料結構的適航符合性驗證主要涉及CCAR25部的下列條款：25.601總則、25.603材料、25.605制造方法、25.607緊固件、25.609結構保護、25.611可達性措施、25.613材料的強度性能和材料的設計值、25.619特殊系數、25.623支承系數、25.625接頭系數、25.303安全系數、25.305強度與變形、25.307結構符合性證明、25.365增壓艙載荷、25.561應急著陸情況總則、25.562應急著陸動力要求、25.563水上迫降的結構要求、25.571結構的損傷容限和疲勞評定、25.581閃電防護、25.629氣動彈性穩定性要求、25.631鳥撞損傷、25.785座椅、臥鋪、安全帶和肩帶、25.787儲存艙、25.789客艙和機組艙以及廚房中貨物的固定、25.801水上迫降、25.841增壓座艙、25.843增壓座艙的試驗、25.853座艙內部設施、25.854廁所防火、25.855貨艙和行李艙、25.856隔熱/隔音材料、25.1529持續適航文件、H25持續適航文件等。

本文主要從復合材料結構件的材料、工藝、許用值和設計值、結構、零件制造等方面進行分析說明，包括分析部分條款的技術內涵，研究提出復合材料結構的研發和驗證技術思路。

1)材料：基于供應商提供的數據進行初步篩選，進行材料篩選試驗，編制材料規范(草稿)，開展PCD(Process Control Document)審核，進行材料預鑒定，全面獲取材料性能數據，編制材料規范(初稿)，可供初步設計使用。若申請人正式提交型號合格審定申請，則需要提交適航進行符合CCAR25.603條款的適航驗證工作，編制材料鑒定試驗大綱，進行材料合格鑒定，形成材料規范(正式稿)、批準進入QPL(Qualified Product List)，得到滿足CCAR25.603要求的材料規范及材料，可以用于結構詳細設計和驗證。

2)工藝：針對具體結構件的設計特征選擇適用的工藝方法，編制相關工藝規范，并通過元件試驗，獲得工藝規范中的參數，如復合材料層壓板吸膠和固化的溫度、時間及壓力、加壓點選擇等工藝參數，測定復合材料層壓板的孔隙率和力學性能，確定材料的固化工藝參數。

接著在工藝規范確定的要求內，通過對具體結構件制造工藝的研究，包括結構所采用的成型工藝方法、模具方案、工藝方案和各零件成型工藝，編制零件的工藝規程，并開展PPM(Pre Part Manufacture)研究，進行熱分布測試和剖切、檢測等試驗分析，優化各種成型工藝參數，無損檢測標塊，形成所選工藝的工藝規范、各類零部件制造的工藝規程和相應的無損檢測規范。

最終編制復合材料結構各種制造方法的工藝規范和工藝規程，并編制工藝規范的驗證試驗大綱，經局方批準后進行試驗，試驗符合要求后，工藝規范獲得局方批準，可生效并執行。接著編制各類零件制造的工藝規程和PPM實施方案，經局方批準后實施，結果符合要求后，獲得局方批準，確認按照批準的工藝規范，某個制造商可按照批準的工藝規程正式生產某類零件，至此完成了符合CCAR25.605條款的符合性驗證。

3)新型結構形式：確定有疑問的或新型的結構形式或細節，需要采用試驗的方法加以驗證以符合CCAR25.601條款的要求。

4)材料許用值確定：對各部位復合材料結構選取其典型層板的鋪層設計按照適航認可的試驗標準進行材料許用值的試驗，并在統計方法的基礎上獲得材料許用值(CCAR25.613)，用于結構設計與強度分析。該項試驗的結果一般要求與材料供應商的相關試驗數據進行對比，確保使用方的加工工藝方法與供應商方法的一致性。

5)結構設計值確定：在材料和工藝確定后，從穩定地、合格地制造機體結構零部件考慮，針對典型的結構細節或結構件進行設計值的試驗，需獲得局方批準認可，從而獲得該部位結構的設計許用值(CCAR25.613)，用于結構設計與強度分析。

6)損傷容限評定：針對每種結構，需要考慮制造中可接受的各類缺陷，進行試驗驗證，從而確定各類結構件的制造驗收條件。研究確定使用中的損傷來源、部位、能量及大小，并按照損傷容限要求進行5類損傷的確定和試驗驗證，同時要考慮復合材料結構的修理并進行驗證，以符合CCAR25.571條款的要求。

7)強度驗證：通過典型細節、連接、壁板類、梁肋類、盒段類，以及全尺寸部件的強度分析、靜力試驗、疲勞與損傷容限(考慮各類損傷)試驗驗證，以符合CCAR25.305、CCAR25.571條款的要求。

5 復合材料主結構試驗規劃的研究分析

對于復合材料結構件需要按照如圖5所示的積木式驗證步驟，逐級進行試驗研究攻克關鍵技術。根據圖5所示的積木式驗證等級劃分，試樣和元件級別的試驗是一般試驗件，只與材料和工藝有關，用于材料和工藝的選擇與驗證，主要用于建立材料數據庫。而典型結構件、組合件、部件級別的試驗是特殊的試驗件，與結構件的特征密切相關，主要用于結構設計、工藝設計的選擇與驗證，所以必須根據結構受力情況、結構特征、工藝方法、制造缺陷、使用損傷、使用環境等來設計試驗件，并進行各種載荷與環境條件下的設計和試驗驗證。

5.1 研發過程試驗規劃研究分析

復合材料結構的研發階段必須進行工程研發試驗，根據其選擇的材料類型和結構形式，進行工藝方法試驗研究，在確定材料、工藝方案和結構設計方案的基礎上，制定相關結構件的材料規范與工藝規范草案。在上述研究過程中，同時還要對所確定的復合材料結構進行支持分析方法的試驗研究，給出各種結構的強度分析方法；對各種制造缺陷、使用中的各類主要損傷進行分析與試驗研究，確定缺陷/損傷的擴展特性和影響。進行各類結構的修理方法的研究與試驗，確定合理可行的修理方法等。

1)材料研究：材料篩選與工藝選擇密不可分，必須一起進行。供應商有責任確保使用方正確掌握其所供應材料的工藝方法。供應商應當提供選定材料在其工廠設施的工藝條件下加工的性能數據，使用方要在其實際用于生產的工藝條件下對選定材料進行加工和試驗，比較兩者的數據，確保使用方的工藝條件與供應商的工藝條件之間的一致性。

2)工藝研究：在初步確定材料工藝規范的基礎上進行，通過試驗確定工藝規范中的參數，形成工藝規范，包括無損檢測規范。

3)零件制造：針對各類結構件進行實際生產構型的零件成型工藝研究，需要對模具設計與制造進行研究和控制，對零件進行熱分布測定、剖切試驗，開展PPM工作，可按照結構研發試驗件的構型進行研究。

4)結構件研發：結構件構型選擇試驗，包括壁板(平板、曲板)、長桁、框、梁等。結構細節設計及選擇，包括各類連接試驗、整體化結構細節等的試驗和選擇，分析方法的研究與驗證。

5)許用值和設計值：在工藝研究未完成之前，可先進行一個批次的摸底試驗，用于結構設計，需要考慮各種使用環境因素。當工藝規范確定或批準后，則進行全面的許用值試驗，用于結構詳細設計與驗證。

6)損傷容限：編制復合材料的載荷譜，通過疲勞試驗確定低載截除值。確定各類結構件及細節的損傷特性，包括制造缺陷、沖擊損傷的引入。損傷的類型、大小、部位、能量需要通過試驗和統計分析獲得，必須涵蓋使用中的各類損傷。目標是驗證各類結構件的5類損傷(BVID、VID、LVID、離散源損傷、非正常損傷)和制造缺陷，提供經過驗證的復合材料結構件驗收技術條件和結構檢查大綱。

7)修理：選擇修理材料、修理工藝、修理設計、修理分析、修理容限，要考慮使用中的維護修理，通過修理試驗，確定修理方法并得到驗證。

5.2 適航驗證試驗

根據CCAR25部適航條款的符合性驗證分析，針對每個條款開展適航驗證試驗，并遵循AC20-107B咨詢通報的要求。需要關注的是復合材料結構的強度驗證試驗不能僅靠全尺寸試驗來驗證，需要根據結構特點、工藝方法規劃積木式的各級別驗證試驗來表明符合性。所有的適航驗證試驗都需要經過局方的審批、制造符合性檢查、現場目擊、批準過程，最終獲得條款關閉的適航批準。

1)材料：編制材料規范，進行現場PCD審核，編制材料規范的鑒定試驗大綱，進行材料預鑒定、鑒定試驗。

2)工藝：編制工藝規范、工藝規范的驗證試驗大綱，進行工藝驗證試驗。

3)零件制造：針對各類結構件，進行全尺寸零件和整體成型結構件的試生產鑒定試驗(PPV(Preproduction Verification))。

4)許用值：在工藝規范確定后進行許用值的試驗，需要考慮各種使用環境的影響。

5)結構驗證：針對各結構細節、典型結構件、全尺寸結構部件進行驗證試驗。

6)損傷容限：對每個部件所確定的5類損傷(BVID(Barely Visible Impact Damage)、VID(Visible Impact Damage)、LVID(Large Visible Impact Damage)、離散源損傷、非正常損傷)進行驗證，對可接受的制造缺陷進行驗證，與結構驗證同時進行。

7)修理：對每個部件(需修理的部位)的修理方法(修理材料、修理工藝、修理設計、修理分析、修理容限)進行驗證后編入修理手冊，可與結構驗證一同進行。對于結構細節、結構件的驗證，靜力、疲勞、損傷容限需要一起進行，并要考慮環境影響。

6 結論

通過對復合材料結構適航要求的深刻理解和分析認為，有充分的試驗支持，制造過程可控，持續保持經驗證的構型狀態是復合材料結構件產品質量和穩定性的根本保證，也是復合材料結構件的設計和制造獲取局方批準的重要前提。因此要充分重視復合材料的材料、工藝、設計、分析、制造、檢測、驗證和使用維護的一體化的研制思路，統籌規劃各專業關于材料、工藝、設計、分析、制造、檢測、驗證和使用維護的試驗任務，全面按照積木式的研發試驗和積木式的驗證來規劃試驗并開展研制工作。

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Analysis and Research on the Airworthihess Compliance of Compisite Structure

ZHENG Xiaoling

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

Based on the research of the requirements of composite material, process, its structure design, analysis, manufacturing technologies, verification process, maintenance and repair, etc. give the airworthiness compliance method and test planning suggestions to provide technical support for primary composite airframe structure application in the civil aircraft.

composite; airworthiness compliance; automatic layer up; automatic manufacture; test plan

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.01.001

V221+.91

A

鄭曉玲 女，博士，研究員，副總師。主要研究方向：復合材料結構的研制，耐久性與損傷容限的設計與驗證;E-mail： zhengxiaoling@comac.cc