复合材料飞机结构强度新规范要点评述

基于过去20多年参与复合材料结构设计的经验教训和美国最新的军用飞机设计规范,阐述了中国复合材料结构强度设计和验证要点及与金属结构的差别。其要点为:以承认性能表征多样性和材料与结构同时形成为基础的材料和工艺要求;以承认初始缺陷/损伤对结构静强度有影响为基础的设计许用值确定方法;以需要特别考虑湿热环境影响为特点的静强度设计和验证;以承认静力覆盖疲劳和考虑冲击损伤阻抗为特点的耐久性设计和验证;以冲击损伤及损伤无扩展为基础的损伤容限设计和验证;以全尺寸部件和由试样、元件(包括典型结构件)、组合件组成的多层次积木式设计验证方法相结合为基础的结构验证试验。     

飞机典型盒段结构静力破坏预估方法研究

为了避免飞机结构试验的灾难性破坏,在试验前要对试件的破坏载荷与部位进行预估。基于积木式虚拟试验验证思想,从小部件着手对结构破坏进行预估和试验仿真,以求对大试件的破坏预估提供方法和经验。通过工程半经验法和有限元屈曲分析这两种方法对一模拟直机翼盒段进行了破坏预估分析。     

纤维增韧陶瓷基复合材料热端部件的热分析方法现状和展望

以陶瓷基复合材料（CMC）为代表的纤维增韧复合材料具有耐高温、高强度、低密度等特点,在航空燃气涡轮发动机、火箭发动机等动力装置中逐步得到工程应用。CMC材料因其自身特殊的结构特点,使得其导热系数呈现出明显的各向异性,进而导致传统基于均质金属材料的热分析方法将不再适用于CMC热端部件。总结了单向纤维、2/2.5维编织纤维、3维编织纤维等典型纤维增韧CMC材料导热系数预测方法的研究进展和CMC热端部件热分析方法的研究现状。综合来看,如何在热分析中高效引入CMC材料微观尺度信息,建立起精度高且工程可应用的CMC热端部件跨尺度热分析方法是目前亟需突破的技术难题。面向未来CMC热端部件的工程应用,基于三维微观结构特征重构的热分析模型是建立CMC热端部件高精度热分析方法的关键,同时热分析还需要同制造工艺、力学行为分析等进一步紧密结合。     

积木式方法与试验金字塔的历史沿革与发展趋势

采用积木式方法构建试验金字塔是目前已经被广泛接受的用来完成大型飞机结构强度验证的基本手段。本文概述了积木式方法和试验金字塔的发展历程和趋势，介绍了不同型号的美军机在研制过程中所建立的强度验证试验金字塔的统计结果，并且从试验层级、对象、目的和类型等四个方面比较了试验内容的数量与经费占比，由此来说明基础层级试验验证工作在强度验证试验金字塔中重要性和经济性。通过对虚拟试验在强度验证工作中的发展趋势、应用和限制的介绍，为顺利完成相关的全尺寸部件和整机的强度验证提供可靠的保障手段。     

钛合金加强框真空电子束焊接应用研究

钛合金加强框是飞机结构的重要构件,其在框段组合时机械连接与潜弧焊焊接方式均存在不足。真空电子束焊接(EBW)是实现钛合金框段组合的新型制造方式,具有显著优势。采用"积木式方法"展开系列试验研究:首先针对不同热处理制度下的TC4-DT焊接试样进行拉伸试验,通过标的参数对比获取合理的焊后热处理制度;然后通过系列焊接标准试样拉伸试验、断裂韧度试验及裂纹扩展率试验,获取基础性试验数据,并对焊接性能进行判断;最后经过短梁试验、部件试验以及机上应用,完成TC4-DT钛合金加强框EBW工程应用。结果表明:TC4-DT钛合金加强框EBW接头力学性能良好,较机械连接质量收益明显。     

复合材料飞机结构材料和设计许用值的确定方法

分析国内外复合材料飞机结构材料许用值、设计许用值的确定原则和方法,研究给出了复合材料结构材料许用值的表征和应用、试验以反试验数据的统计分析方法,以及静强度、疲劳强度、损伤容限和修理设计许用值的确定方法.     

纤维增强复合材料层合结构虚拟试验技术

本文围绕连续纤维增强复合材料层合结构虚拟试验技术,从失效机理与力学特性、失效分析模型和模型的校验与验证三个方面阐述相关研究进展,并指出未来的发展方向,其中重点关注了试样级和元件级典型结构的失效机理及其对应的介观尺度失效分析模型的研究。     

复合材料连接许用值确定方法研究

作者对国内航空结构正在使用的碳纤维,环氧树脂体系约1000个试样的单搭接和双搭接连接挤压强度进行了试验研究,发现在连接区常用的铺层范围内．复合材料层压板的单搭接挤压强度与具体的铺层形式无关,而仅仅与层压板的厚度／孔径比有关。因此,提出了一种用于确定复合材料结构机械连接设计许用值的新方法,并考虑了材料分散性、使用环境等因素对设计许用值的影响,用该方法得到的设计许用值已经在飞机设计中得到了应用。     

高性能热塑性复合材料在直升机结构上的应用与展望

高性能热塑性复合材料具有高韧性、优异的抗冲击损伤性能及较佳的抗疲劳性能,特别适用于以起落架、尾段、桨毂中央件及传动轴等为代表的直升机高损伤阻抗、高抗疲劳及弹击损伤容限设计需求特定结构部位。高性能热塑性复合材料在国外直升机上的应用正从实现关键层板结构部位全面应用拓展至复合材料夹层结构部位,并大量采用原位自动纤维铺放(automated fiber placement,AFP)等自动化、低成本制造技术和虚拟实验等低成本验证技术,受限于国产热塑性复合材料技术成熟度较低和新研复合材料体系传统积木式方法应用验证的高昂成本及漫长周期,国内直升机热塑性复合材料应用尚处于起步阶段,未来需要重点解决国产热塑性复合材料的性能稳定性及一致性以及在此基础之上的低成本自动化制造工艺、配套低密度耐高温芯材及高效率高置信度虚拟认证技术。     

微纳米压痕测试技术:发展与应用

近年来,具有高精度、高通量的微纳米压痕测试技术,已被广泛应用于研究微/纳米尺度下材料力学性能演化规律和变形行为中。然而,在航空航天材料试验测试领域,令研究人员更感兴趣的往往是如何更好地揭示材料工程性能,更好地理解材料在服役环境下变形损伤机制。因此,接近材料真实服役环境（如高/低温、电/磁场）下的微纳米压痕测试系统更具应用潜力。首先对传统的微纳米压痕测试技术进行回顾总结,涉及测试系统的组成、经典分析理论方法及其面临的尺度/尺寸效应。然后,简要描述典型磁电弹性材料在力-电-热-磁多场耦合环境下接触力学行为的解析模型,并着重阐述面向材料实际服役环境下的压痕测试技术的典型应用,包括高/低温纳米压痕测试和电/磁场耦合条件下的纳米压痕测试应用。最后,讨论了目前发展所面临的主要问题和挑战,这对微纳米压痕测试技术的进一步发展和先进应用具有重要意义。     

铺层复合材料风扇叶片榫头元件级静强度试验方法

复合材料风扇叶片需要经过积木式多层级验证才能投入使用,元件级试验是其中重要一环.针对铺层复合材料风扇叶片榫头强度问题,研究了榫头元件级静强度试验方法.搭建了榫头元件级静强度试验平台,完成了榫头元件级试样件及其夹具的设计及制造,提出了数据采集、试验流程和试验结果数据分析方法.试验结果表明:榫头元件试样件的失效模式为层间分...     

增材制造阵风锁支座的装机应用研究

根据3D 打印技术的装机推进要求，在完成材料及工艺的验证后，即开始进行试片级增材制造材料许用值试验以及增材制造零件级试验。增材制造的零件由于其工艺特点，通常X-Y 方向与Z 方向力学性能有差异，与传统金属零件设计时各向同性的特点有差异，因此有必要在接近真实飞行状态下测试其力学性能。以增材制造阵风锁支座为例，计算飞机运营过程中最大载荷状态，选取最典型的载荷方向进行工装试验方案设计；在试验开始前，进行工程计算和软件仿真，预测失效模式和失效载荷。结果表明：软件仿真和工程计算的结果准确有效，增材制造钛合金阵风锁支座的力学性能稳定，能够承受极端工况的考验，满足装机要求。     

民用飞机复合材料结构制造工艺变化的等效性验证

高性能复合材料已经大量应用于民用运输飞机结构,并以飞机主制造商协同供应商的方式进行复合材料飞机结构的制造。介绍了航空器适航审定对复合材料结构制造的适航要求,引出了复合材料结构制造工艺变化的等效性验证方法。目前,复合材料结构制造工艺变化的等效性验证是通过所制造复合材料物理的、化学和基本力学的性能试验,并对试验结果进行统计分析来实现的。最后提供了等效性验证的接受准则。所述内容,对国内民用飞机复合材料结构在不同供应商处制造以及制造过程中工艺变化如何满足航空器适航审定要求提供借鉴;对其它行业复合材料结构制造的质量控制也有借鉴意义。     

高性能大型金属构件激光增材制造:若干材料基础问题

简要介绍了高性能大型金属构件激光增材制造的技术特点、国内外研究进展及技术发展面临的挑战,分析了大型金属构件激光增材制造的"高性能材料制备"与"复杂结构直接制造"有机融合、"控形/控性"一体化的独特特征。指出高性能大型关键金属构件激光增材制造技术的发展和工程应用,将在很大程度上取决于人们对激光增材制造过程中对激光/金属交互作用行为及能量吸收利用机制、内部冶金缺陷形成机制及力学行为、移动熔池约束快速凝固行为及构件晶粒形态演化规律、非稳态循环固态相变行为及显微组织形成规律、内应力演化规律及构件变形开裂预防方法等材料基础问题的深入研究。     

考虑物理参数摄动的静气动弹性鲁棒分析

为了研究静气动弹性系统在不确定性摄动下的稳定性和性能,建立了一种考虑物理参数摄动的静气动弹性鲁棒分析方法。从静气动弹性系统的物理方程出发,应用摄动理论和线性分式变换推导了由物理参数摄动引起的广义刚度、结构模态和广义定常气动力的摄动模型,然后得到了静气动弹性系统不确定性模型。将结构奇异值μ分析推广应用于静气动弹性鲁棒性分析。以一大展弦比长直机翼为例,分析了机翼前梁的材料弹性模态受到一定摄动时的鲁棒静发散稳定性和静气动弹性变形性能。数值结果验证了该方法是准确有效的。     

运输类飞机结构设计安全系数的探讨

中国民用航空规章运输类飞机适航标准25.303要求采用1.5的安全系数,该要求同其他相关适航条款,例如25.307"结构符合性的证明"、25.603"材料"、25.605"制造方法"、25.613"材料的强度性能和材料的设计值"等,共同保证了飞机结构的高可靠性。理论上,当材料、载荷、分析等方面的不确定性降低,采用低于1.5的安全系数可以保证结构具有同等的高可靠性;另一方面,当材料、载荷、分析等方面的不确定性大于目前适航规章所允许的水平,通过采用大于1.5的安全系数也可以保证结构具有等同的高可靠性。为了在民用运输类飞机的适航取证/审定过程中,在保证结构可靠性的前提下,能够根据具体情况适当调整结构安全系数,在综合研究中国民用航空规章第25部《运输类飞机适航标准》相关条款内在联系的基础上,探讨了载荷、材料性能、分析方法等不确定性对飞机结构安全系数的贡献。研究结果表明,目前1.5的飞机结构安全系数,用于考虑载荷、材料性能、分析方法等不确定性的系数分量分别为1.2、1.12、1.116.     

一种铍合金材料的结构和性能

对国外某型号飞机所用的铍合金刹车材料进行了密度测试、结构观察、化学元素分析、力学、物理和摩擦性能表征,并与C/C、C/SiC复合材料和粉末冶金材料的相关性能作了对比,结果表明,粉末冶金铍合金材料密度低,力学和摩擦性能优异,是一种很有发展前途的刹车材料.     

复合材料许用值试验件制造过程质量控制与检验

民用飞机复合材料许用值试验件的类型繁杂、批次多且制造精度要求高,试验件的制造过程需要严格的质量控制以提高试验件的合格率;复合材料许用值试验件数量庞大且每个试验件需要检测的参数多,要提高试验件的检测效率就必须有合理的检测方法。根据自身从事复合材料许用值工作的经验,提炼了一些制造过程质量控制方法和检测方法,为复合材料许用值试验件的制造提供参考。     

考虑不确定性的复合材料加筋壁板后屈曲分析模型验证方法

复合材料加筋壁板在结构轻量化设计中，由于材料组分、几何尺寸具有不确定性，导致了壁板结构在服役条件下承载特性的不确定性。针对上述问题，提出了一种考虑参数不确定性的复合材料加筋壁板后屈曲模型验证方法。首先基于正交试验设计方法进行了不确定性参数的显著性分析，然后采用Kriging模型构建了能够表征后屈曲特性的代理模型，利用蒙特卡洛随机模拟获得加筋壁板后屈曲载荷概率分布，最后通过壁板结构在典型承载条件下的力学实验数据验证了分析模型的准确性。该分析方法对于壁板件在实际工程中的应用具有一定指导意义。     

面向增材制造的拓扑优化技术发展现状与未来

增材制造技术通过材料逐层打印制备结构,为复杂构件制造提供了新的成形方式。拓扑优化因不依赖于初始构型的选择,可设计出传统理念难以获得的创新构型,已成为航空航天和高端装备领域高性能、轻量化结构设计的重要手段。拓扑优化与增材制造有机融合,充分发挥各自优势和潜力,在现代制造业中展现出广阔应用前景。回顾了近年来关于增材制造与拓扑优化技术融合研究的主要内容和应用成果,包括以材料结构一体化为核心的多尺度/多层级结构优化设计、以设计制造一体化为核心的考虑增材制造工艺约束的优化方法等。同时,也分析了未来研究工作中存在的问题与挑战,如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料成形各向异性、功能梯度材料与结构、增材制造材料与结构疲劳特性等对设计方法和成形工艺带来的挑战,为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。