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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 一. 复合材料及其在航空结构上的应用情况 军用航空结构应用情况 复合材料在通用飞机结构上应用情况 国内航空复合材料应用情况 二. 飞机复合材料结构设计 一般设计过程 航空复合材料结构设计/验证的一般过程 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 发动机燃油 液压油 冷却液 发动机润滑油 除冰液 洗涤液 。。。。。。 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； 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 复合材料结构强度设计思想（相对保守） 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。 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； 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 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 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 3. 复合材料设计准则（工程） 层压板——铺层比例 对于单轴结构 0°： 50%~60% ±45 °： 30%~40% 90 °： 10%左右 对于承受剪切载荷的结构，大约 10/80/10 0°： 10%~30% ±45 °： 60%~80% 90 °： 10%左右 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% 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铺层 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 拐角半径 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。 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。 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