复合材料飞机结构损伤容限和耐久性设计初探

虽然军机和民机规范对复合材料结构的损伤容限和耐久性均提出了要求,但迄今为止尚无成熟的设计方法可用。本文试图通过对国外经验的归纳总结,并结合自己的研究成果,提出一种切实可行的方法供参考。限于篇幅,本文仅就加筋结构蒙皮遇到的几个问题进行讨论。     

复合材料飞机结构设计许用值及其确定原则

 阐明了复合材料许用值和结构设计许用值的关系和区别,给出了它们更明确的定义。回顾了国内外在确定设计许用值方面的研究概况,介绍了复合材料飞机结构完整性方面的补充要求,给出了设计许用值的确定原则和进一步提高设计许用值的研究方向。     

复合材料结构设计许用值和韧性树脂评定技术

从复合材料结构设计的角度，详细分析了迄今为止结构设计师和材料科学家在提高结构设计许用值方面所作出的努力，指出了目前在韧性树脂评定技术中存在的问题，特别是指出了用CAI值判别树脂韧性的缺点，提出了应采用损伤阻抗和损伤容限共同评定树脂韧性的观点和应开展的研究工作。同时提出了提高结构设计许用值的新途径，即采用损伤容限可靠性设计与分析的方法，特别提出可用结构受到的冲击威胁分布，来代替目前复合材料结构损伤容限要求中的初始冲击损伤尺寸假设。初步的研究结果表明，采用这种方法有可能大大提高结构设计许用值。     

复合材料结构冲击损伤容限设计思想及其发展

重点介绍了复合材料结构冲击损伤容限设计思想及产生的历史背景，并客观地评价了它的历史功绩，同时又揭示了这种设计思想和设计的局限性和保守性，然后指出了今后可能的发展方向。     

复合材料损伤阻抗和损伤容限的性能表征

复合材料结构的设计要求和使用经验提出了复合材料体系损伤阻抗和损伤容限性能表征的需求。在试验研究的基础上，指出长期以来一直使用的CAI(冲击后压缩强度)的物理意义比较含混，不能正确指导材料研究和设计选材，同时提出应分别用典型层压板静压痕力—凹坑深度曲线的最大压痕力Fmax来表征损伤阻抗能性能，用凹坑深度～压缩破坏应变曲线门槛值CAIT(Compression failure strain After Impact Threshold)来表征损伤容限性能，同时给出了测试方法的建议。     

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.     

复合材料层压结构的损伤容限设计

简要介绍了飞机机体中复合材料层压结构损伤容限设计的特点及其设计要点。     

低速冲击下复合材料层板的损伤研究

1.理论分析 (1)计算模型 图1是一复合材料层板,由n层单向层铺设而成,铺层次序不一定对称于板的中面。每层的纤维方向可以不同,从z轴的正向看起自x轴反时针方向的铺层角为正。层板四边固支。冲击方向垂直于板平面。     

结构设计许用值和复合材料抗冲击性能的评定

从复合材料结构设计许用值的概念和复合材料的冲击后压缩强度性能出发，讨论了按NASA标准得到的CAI值与它们的关系，指出了传统的CAI值不能充分反映复合材料体系的抗冲击性能。且与结构压缩设计许用值无任何联系。在对复合材料结构完整性要求和作者的试验研究，和对国外文献总结的基础上，提出复合材料抗冲击性能的评定应包括损伤阻抗和损伤容限两方面。大量的试验数据证实复合材料层压板抗冲击性能存在拐点现象，在对拐点附近复合材料层压板的破坏机理研究基础上，建议用拐点附近的性能建立复合材料层压板抗冲击性能的评定体系，即可以用表面层在冲击下保持其完整性的最大能力（最大接触力）来表征复合材料体系的损伤阻抗（韧性）；用出现拐点后基本不变的压缩强度（破坏应变）门槛值来表征复合材料体系的损伤容限。     

复合材料飞机结构损伤容限特性

 复合材料用于飞机结构已有10多年的历史,由于复合材料的特点,必须重新研究原来适用于金属结构的损伤容限设计的一系列规范、手册和数据在复合材料结构中的适用性。本文介绍了欧美各国在复合材料飞机结构损伤容限特性方面的研究概况,并且从对有关规范的补充说明、缺陷性质和验证标准、飞机结构损伤容限评定方法、分析方法和设计方法等几个方面进行了综述。     

低能量冲击损伤复合材料飞机结构的强度性能研究

论述了含冲击损伤复合材料飞机结构的强度性能,涉及到该研究领域的主要方面,包括复合材料冲击损伤机理及特点、冲击损伤对结构性能的影响、耐久性／损伤容限要求及设计分析方法等。讨论如何进一步提高复合材料飞机结构冲击强度的设计水平。     

复合材料层合板抗冲击损伤的参数表征

研究了铺层方式为［０２／９０２／４５２／－４５２］ｓ的航空用碳纤维增强树脂基复合材料（ＣＦＲＰ）准各向同性层合板低速冲击引起损伤的表征问题。通过落重冲击试验引入损伤程度Ｄ表示材料低速冲击后材料参数的变化大小，通过准静态球面弯曲试验提出复合材料层合板抗冲击的三种表征参数：层内开裂临界能Ｅ１ｃ、层间开裂（分层）临界能Ｅ２ｃ、分层扩展阻力Ｒ．     

应用光纤图像定量分析复合材料内部的损伤域和损伤度

提出了基于光纤图像的复合材料结构内部损伤区域重构方法,根据光纤网络在结构中的排布方式和位置,可定量分析结构损伤域的形状和域内各处的损伤度。层板冲击损伤检测实验中,对所得的离散型损伤度数据进行插值处理,获得的损伤度图形与对半透明复合材料做反向照明的结果吻合,证明了本文方法的有效性。     

损伤容限结构的可靠性分析

根据结构危险部位的损伤容限特性定义了剩余强度的各种状态。通过对各状态的发生及转移这~随机过程的分析,提出了用状态离散时间连续的时齐马尔可夫过程对此进行模拟。文中以结构损伤容限评定的主要内容和有关的统计资料为依据,指出了影响各状态发生及转移的主要因素,并提出了对各主要因素所引起的状态转移率矩阵和综合的状态转移率矩阵进行分析评定的方法。在此基础上发展了损伤容限结构的可靠性分析途径。由算例给出的结果还说明了本分析方法可以为损伤容限设计中的主要环节和主要参数实行有效控制提供良好的评估依据。     

含多裂纹结构的概率损伤容限评定方法

将概率断裂力学理论与损伤容限／耐久性设计方法有机地结合起来,考虑结构初始疲劳裂纹尺寸及其扩展过程的随机性,建立了裂纹相互独立条件下的多裂纹结构的全寿命概率损伤容限评定模型,并成功地运用于机翼主梁的可靠性评定,给出指定疲劳寿命下的安全可靠度或指定安全可靠度下的安全疲劳寿命。     

航空结构损伤容限设计中的三维问题

在对三维断裂问题研究的基础上,对航空结构损伤容限评定中的三维问题进行了综合评述。详细分析了现行损伤容限分析的断裂力学基础、剩余强度评定、材料抗裂性能确定、常幅及谱载荷下寿命预测等重要环节中三维应力状态的作用,提出了解决问题的初步设想,给出了一些最新结果。并对介质、温度环境和载荷共同作用下材料失效中的三维问题等做了简述。最后提出了实现高可靠性损伤容限设计必须解决的三维问题。     

损伤容限结构的最优维护策略

本文以结构损伤容限分析和可靠性评估为基础,应用动态序列规划技术,并考虑到结构的检测费用、修复费用和可能失效损失的相互关系,建立了计算结构在剩余寿命期内的期望维护费用与期望损失之和的序列递推数学模型,进而提出了以总期望维护费用与总期望损失之和最小化来抉择航空结构最优维护策略的原则和步骤。