飛機典型復合材料結構損傷力學性能研究

宋鐵華

摘 要：飛機復合材料是一種復雜的多相體系，并且結構及材料成形同時完成，成型過程中各種不確定的影響因素都難以避免會使結構產生缺陷。飛機在使用過程中，復合材料結構會受到載荷的作用、人為因素和自然環境條件的影響而導致各類的損傷產生。了解復合材料結構件損傷力學性能，對于保障飛機安全高效運行是十分重要的。

關鍵詞：飛機；典型復合材料；結構損傷；力學性能

1 影響飛機結構復合材料設計的因素分析

1）周圍環境的不同會影響到飛機的使用情況，因為飛機的結構組成材料對環境的要求極高，比如在潮濕的環境下，一些復合材料就會生銹，這樣一來就會造成零件受損、老化。在飛機使用的過程中會帶來非常大的麻煩，飛機零件受損，飛機的安全性就出現了問題，在飛行過程中，很容易發生事故，因此設計飛機結構復合材料時，應該考慮到環境因素的影響。

2）在設計飛機結構復合材料時，應該注意開孔所會帶來的影響。材料開孔就會影響到復合材料的受力情況，飛機的受力是在飛行過程中能否承載一定質量的參考標準，一旦受力問題出現，就會影響飛機的使用質量，就會影響飛機在飛行時的安全。

3）復合材料的選用也十分的重要，如果材料選用的不正確或者是材料的質量不好，就會影響到飛機的結構質量，在以后的飛行工作中也會受到很大的影響，并且隨著社會的創新意識在增強，人們對于飛機結構復合材料的要求也越來越高了，所以應該根據技術不斷的發展，選取前景比較好的復合材料。

2 飛機典型復合材料的力學性能

1）材料受牽伸時的力學性能。材料斷裂時均具有較大的殘余變形，即均屬于塑性材料。不同的是，有些材料不存在明顯的屈服階段。對于不存在明顯屈服階段的塑性材料，工程中通常以卸載后產生數值為0.2%的殘余應變的應力作為屈服應力，稱為屈服強度。

至于脆性材料，例如灰口鑄鐵與陶瓷等，從開始受力直至斷裂，變形始終很小，既不存在屈服階段，也無縮頸現象。

2）材料受壓縮時的力學性能。材料受壓時的力學性能由壓縮試驗測定，一般細長試樣壓縮時容易失穩，因此在金屬壓縮試驗中，通常采用短粗圓柱形試樣。在屈服之前，壓縮曲線與拉伸曲線基本重合，壓縮與拉伸時的屈服應力與彈性模量大致相同。不同的是，隨著壓力不斷增大，低碳鋼試樣將愈壓愈"扁平" 。

3）材料的力學性能分析。評價一種材料和結構的力學性能無非主要是從以下三方面入手：強度、剛度、穩定性。

強度指的是材料抵抗破壞的能力，在實際中具體體現在應力分析上，更進一步的分析是彈塑性極限分析，考慮了材料的塑性以后，可提高材料的許用應力。疲勞與斷裂也屬于強度問題。疲勞問題主要出現在具有較高塑性的材料中，斷裂在微觀上是由于原子間或分子間的鍵斷開而引起的，在宏觀上是由于結構中裂紋的擴展，使得結構中出現的最大應力高于結構材料的破壞極限而引起斷裂，斷裂韌性用應力強度因子來表征。還有沖擊強度問題，可以用應力波的一套理論來解釋。

4）剛度指的是材料抵抗變形的能力，在實際中具體體現在變形分析上。穩定性指的是結構抵抗外來擾動的能力。特別是梁、板、殼在壓縮載荷下的穩定性問題，穩定性問題也有不同的理論來解釋，如薄殼的穩定性就有彈性穩定性理論和塑性穩定性理論之分，彈性穩定性理論又有非線性大撓度理論、前屈曲一致理論、初始后屈曲理論等。穩定性的另一方面是振動分析，結構的固有頻率、模態以及結構的動力相應。對結構固有頻率的分析是為了避免外力的頻率接近結構的固有頻率而引起共振破壞。穩定性問題是結構分析與設計是極為重要的一個問題。

3 飛機典型復合材料結構修理技術

飛機復合材料的修理目的是最大限度的恢復飛機結構的完整性和安全性，主要修理的效果如何與多種因素有關，如修理后的強度、耐久性、氣動平滑度、重量、工作溫度、環境因素等，強度主要考慮恢復結構的剛度、靜強度和疲勞強度，因此，為了避免修理中出現意外的錯誤，必須嚴格按照一定的操作規程進行，一般的修理程序為：

找出損傷區域→評估損傷的程度→損傷應力的評估→修理方案設計→修理結構的準備→補丁的制造→補丁的安裝→修理后的無損檢測。當今復合材料修理的主要工藝有以下幾種：

3.1 復合材料的連接和打孔

飛機復合材料不同于其他金屬或合金材料，由于自身的特點，在修理時容易出現下列問題：復合材料件裝配前的鉆孔困難，容易磨損鉆具，鉆孔附近易出現分層現象；復合材料與金屬件連接時，由于電位差較大，容易腐蝕金屬件；復合材料裝配時易造成損傷等，基于這種種原因，必須對打孔和連接工藝做特殊的處理，才能保證復合材料件的安裝和修理后的使用安全。

3.2 膠結修理技術

膠結修理的應用非常廣泛，它的優點是導致應力集中小，增重少。缺點是對施工環境要求高，質量難以控制，其應用主要在下面3個方面：

1）裝飾性修理。對僅影響氣動外觀的小損傷如小凹坑、劃痕、脫漆等進行的修理。

2）注膠修理。小面積脫膠或分層用該種方法修理，方法是鉆一些通往損傷層的小孔作為注膠孔和溢膠孔，將加熱的膠液用注膠槍從注膠孔注入，滲透到損傷層并從溢膠孔流出為止，然后加熱時膠液固化二完成修理。

3）補強修理。對豬承力構件的較大損傷，要用補強板修理。補強板膠接修理有兩種方法：（1）外補強板修理，主要用于薄的層合板及蜂窩板的修理，用該種方法修理后的結構強度可達原結構材料強度的50%-80%。（2）光滑外表面修理，主要用于較厚板或氣動光滑性要求嚴格部位的修理效率高，修理后結構強度可達原結構材料極限強度的60%-100%。

3.3 鉚接（或螺接）修理技術

鉚（螺）接修理技術適用于較厚的整體壁板，常用的補板材料是鋁合金和鈦合金。鋁合金和碳纖維復合材料接觸時容易發生電化學腐蝕，因此，在用鋁合金修補時要在鋁合金板和復合材料之間進行隔離，制作隔離層。鈦合金不存在這樣的問題，可以直接用于復合材料修補。

3.4 微波快速修復

復合材料微波修復技術是指將微波引入復合材料修補領域，在修復區注入微波吸收劑，以提高修復區材料的導電磁率，同時用特殊設計的微波施加器對修復區施加微波能，使之在數十秒內形成新的、更強的界面，見那個損傷或缺陷修復。

3.5 光固化預浸修理技術

光固化預浸膠接修理技術是利用光敏膠固化速度快的特點和適宜的力學性能，以光敏膠作基體樹脂，用玻璃纖維作為增強材料，預先制備成預浸修理補片，根據修理對象的需求，選用合適的修理補片，在紫外光的輻照下迅速固化，以達到快速修復飛機蒙皮表面裂紋、孔洞、腐蝕、灼燒等損傷的方法。

4 結束語

伴隨復合材料在飛機上的應用范圍和重要性的增加，對其損傷的檢測和評估要求也相應提高。通過對飛機復合材料結構損傷力學性能研究，可以更好的制定具體維修方案，是保證飛行安全的重要技術手段。

參考文獻

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