民機復材搭接壁板試驗技術研究

朱杰+魏宏艷

摘 要：針對民機復材縱向搭接壁板進行了耐久性和損傷容限試驗，為驗證縱向搭接分析方法提供試驗依據，同時，評定結構承受BVID、VID以及離散源損傷的能力，驗證結構的剩余強度。

關鍵詞：民機；復材；搭接；壁板；試驗

中圖分類號：V257 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）03-0010-03

Abstract： The durability and damage tolerance tests were carried out for the longitudinal lap panel of civil aircraft， which provided the test basis for verifying the longitudinal lap analysis method and at the same time. The ability of the structure to withstand BVID， VID and discrete source damage was evaluated to verify the residual strength of the structure.

Keywords： civil aircraft； overlay； lap joint； panel； experiment

引言

在總結以往飛機設計經驗和斷裂力學學科發展的基礎上，設計人員發現，損傷容限高能夠增加飛機結構的安全性，該技術是70年代中期以飛機設計規范形式確定下來的一種新的設計和評定方法[1]。該方法以無損檢驗技術和斷裂韌度的測量技術為手段，以有初始缺陷或裂紋零構件的剩余壽命估算為中心，以斷裂控制為保證[2]。損傷容限要求蒙皮壁板含目視勉強可見沖擊損傷（BVID）時，蒙皮壁板應能承受100%設計限制載荷（DUL）；內部骨架和桁條含有最大不超過27J的沖擊損傷時，應能承受100%DLL；蒙皮壁板含目視可見沖擊損傷（VID）時，應能承受100% DLL；蒙皮壁板含有像主發動機破壞后可能遇到的離散源損傷或切斷一根桁條及其相鄰的蒙皮跨時，蒙皮壁板應能承受70%的DLL[3]。

本文引入BVID、VID和離散元損傷進行了復材縱向搭接壁板剩余強度試驗和疲勞試驗，驗證結構的剩余強度。

1 試件損傷引入

沖擊損傷試驗采用直徑Φ16mm半球形沖擊頭，沖擊點位置見圖1和圖2。沖擊點A、A1、B、C和C1位于蒙皮外表面，其中，沖擊點A與A1相對于2號框對稱，沖擊點C與C1相對于4號框對稱，沖擊點D位于蒙皮內側的帽型長桁上。離散源損傷的引入是在圖2中線段L所示位置，將試驗件完全切斷。

2 加載方法

在疲勞試驗中，試件上施加等幅載荷，引入BVID和VID后，循環載荷的客艙壓差包括：循環載荷的最大壓差；循環載荷的最小壓差；應力比為R=0.06。用于剩余強度試驗的客艙壓差為1.15倍最大壓差。

試驗加載方式采用充壓載荷。將氣囊與試件粘貼在一起，采用密封膠進行密封。用自行研制的充氣系統充氣，氣壓由壓力表觀察壓力傳感器作為氣壓載荷的傳感元件；把壓力傳感器接入MooG-64自動協調加載設備。充壓控制精度優于1%。充壓的頻率為2次/分鐘～5次/分鐘。

3 損傷容限試驗

3.1 試驗過程

（1）引入BVID的疲勞試驗：首先在預定位置上對試驗件引入BVID，然后對試驗件施加2倍經濟壽命（180000次飛行循環）的載荷譜，最后進行剩余強度試驗；（2）引入VID的疲勞試驗：首先在預定位置上對試驗件引入VID，然后對試驗件施加2倍檢查間隔的載荷譜，最后再做一次剩余強度的靜力試驗；（3）離散源損傷試驗：對試驗件引入離散源損傷，然后施加一倍最大壓差。

各項損傷容限試驗均按以下程序進行：（1）30%循環載荷最大壓差DPmax預試試驗：以每級10%循環載荷最大壓差DPmax為級差加載至30%循環載荷最大壓差DPmax，然后卸載，并逐級測量應變；（2）100%循環載荷最大壓差DPmax預試試驗：以每級10%循環載荷最大壓差DPmax為級差加載至50%循環載荷最大壓差DPmax，再以5%循環載荷最大壓差DPmax為級差加載至100%循環載荷最大壓差DPmax后卸載，并逐級測量應變；（3）疲勞試驗：對試件施加等幅載荷，進行疲勞試驗。

3.2 試驗檢查

在整個試驗過程中，要有“停機”時間供質量控制，檢查試驗件損傷和變形情況。在每次“停機”檢查時，由專人對試驗件進行檢查。如果檢查到了任何損傷擴展或新的損傷，應測量、記錄損傷尺寸和擴展程度，并進行纖細記錄。在循環加載結束之后和剩余強度試驗之前，需要確定、測量并記錄試驗件的受損程度。為了檢查到BVID、VID的損傷擴展程度，所有損傷都要周期性的定時檢查。檢查的頻率應確保能夠獲得足夠的信息來反映損傷擴展程度。

試驗采用三級檢查：一級檢查方法是一般目視檢查輔以無損檢測需要停止試驗。在載荷循環重新開始之前，所有的軸承、緊固件、緊固件孔、試驗件和試驗夾具的每一個部位都需要進行一般目視檢查；要對試驗件對接區、BVID部位、VID部位及試件表面進行無損檢測。進行檢查時不能拆卸試驗件；二級檢查方法是詳細目視檢查時要停止試驗。所有的軸承、緊固件、緊固件孔以及試驗件的搭接區都要進行檢查；三級檢查方法是每2，000次循環要進行一次一般外部目視檢查。檢查時，試驗件留在原來位置（試驗臺上）。試驗件和試驗夾具的所有易接近部位都要被檢查。

4 試驗現象

沖擊損傷引入結果見表1，損傷容限試驗過程中的現象見表2，試驗測試曲線見圖3。

5 試驗結果分析

5.1 耐久性與損傷容限試驗

試驗件在引入BVID后依序通過兩倍壽命耐久性試驗及2倍壓差的剩余強度試驗，在兩次1.15倍壓差的剩余強度試驗和疲勞試驗過程中引入的損傷未擴展且未出現新的損傷，但在2倍壓差的剩余強度試驗后在4框與5框間第二長桁上發現一處蒙皮與長桁脫粘損傷，編號為D1，尺寸為60mm×18mm，見圖4。在引入VID后通過2倍檢查間隔損傷容限試驗及1.15倍壓差的剩余強度試驗，原有損傷未擴展且未出現新的損傷。

5.2 離散源損傷

損傷形態見圖5，在隨后的1倍壓差的剩余強度試驗過程中，壓力加到90%壓差時有較大響聲。試驗后進行無損檢測，所有損傷未擴展且未出現新的損傷。

6 結論

試驗件及夾具安裝、加載系統安裝、測量系統安裝、試驗控制系統經全面檢查合格，測量和試驗設備經檢定/校準合格，并在使用期限內，載荷控制誤差均小于1%。試驗過程檢測的試驗數據真實，試驗結果可靠、有效。

根據試驗結果，可以得到以下結論：

（1）試驗件在引入BVID后依序通過1倍壓差的兩倍壽命耐久性試驗及2倍壓差的剩余強度試驗，在兩次1.15倍壓差的剩余強度試驗和疲勞試驗過程中引入的損傷未擴展且未出現新的損傷，但在2倍壓差的剩余強度試驗后在4框與5框間第二長桁上發現一處蒙皮與長桁脫粘損傷，尺寸為60mm×18mm。

（2）試驗件在引入VID后通過1倍壓差的2倍檢查間隔損傷容限試驗及1.15倍壓差的剩余強度試驗，原有損傷未擴展且未出現新的損傷。

（3）試驗件在引入離散源損傷后通過1倍壓差的剩余強度試驗驗證，離散源損傷與其余損傷均未擴展。

參考文獻：

[1]鄭曉玲.民機結構耐久性與損傷容限設計手冊[M].北京：航空工業出版社，2003.

[2]趙少汴.損傷容限設計方法和設計數據[J].機械設計，2000（5）：4-7.

[3]沈真，柴亞南，楊勝春，等.機翼結構用復合材料的力學性能要求[J].航空制造技術，2010（1）：44-48.endprint