季文，劉久戰(zhàn)，范坤

民用飛機復合材料結(jié)構(gòu)“積木式”驗證試驗規(guī)劃探討

季文，劉久戰(zhàn)，范坤

（航空工業(yè)西飛復合材料制造技術(shù)研究所，陜西 西安 710089）

隨著民用飛機上復合材料結(jié)構(gòu)所占比例的不斷增加，復合材料結(jié)構(gòu)適航審定的技術(shù)研究也越來越重要。結(jié)合復合材料零件本身所具有的特性以及前期適航審定中出現(xiàn)的典型問題，闡述了復合材料結(jié)構(gòu)適航驗證中至關(guān)重要的“積木式”試驗方法的計劃流程制定、內(nèi)容規(guī)劃以及現(xiàn)有機型成功案例，為民機研制中復合材料結(jié)構(gòu)的適航審定提供幫助。

“積木式”試驗；復合材料；民機研制；試驗規(guī)劃

先進的復合材料結(jié)構(gòu)占飛機結(jié)構(gòu)總量的比例在某種程度上成為評價飛機性能的重要性能指標，對民用飛機的經(jīng)濟性能有更大影響。先進復合材料結(jié)構(gòu)的研制成功和擴大應用，需要設(shè)計、材料和制造人員各方面的協(xié)同努力，可以用“設(shè)計是主導、材料是基礎(chǔ)、制造是關(guān)鍵”來描述三者的作用和相互關(guān)系。開發(fā)復合材料設(shè)計、材料及工藝新技術(shù)已成為新一代飛機研制中的一項關(guān)鍵技術(shù)。

復合材料作為飛機研制中新興的材料體系，同樣需要達到傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)初次使用時的安全水平才能真正得到應用。當研制團隊準備制造復合材料結(jié)構(gòu)部件時，一般會對使用性能有預期的評估，然后通過試驗或計算分析的手段來驗證復合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)使用性能及耐久性等。通過試驗和分析相結(jié)合，用試驗來驗證分析的結(jié)果，用分析來指導試驗的計劃，既降低了整個試驗費用，又增加了結(jié)構(gòu)的可靠性。在航空器設(shè)計過程中，通常不能采用簡單試樣的試驗數(shù)據(jù)來預計復雜結(jié)構(gòu)件或部件的力學性能。通常采用“積木式”方法進行試驗驗證。由于復合材料對面外載荷的敏感性、破壞模式的多樣性、環(huán)境影響的嚴酷性，試驗數(shù)據(jù)的較高分散性以及缺乏標準的分析方法，“積木式”方法通常被認為是復合材料結(jié)構(gòu)認證/合格審定必不可少的。

“積木式”方法通常分為試樣試驗、元件試驗、結(jié)構(gòu)細節(jié)試驗、次部件試驗和全尺寸結(jié)構(gòu)試驗積木塊。其基本原理是以支持技術(shù)為保障，考慮各項設(shè)計要求，按照試驗件尺寸和規(guī)模、環(huán)境復雜程度逐級增加、數(shù)量逐級減少，后一級直接利用前一級所得的材料/結(jié)構(gòu)相應結(jié)果進行試驗與分析，以積累認知、深化認知，形成低技術(shù)風險、低費用的復合材料設(shè)計研制和驗證/審定技術(shù)體系。其目的是能在研制計劃進程早期更有效地評定設(shè)計研制技術(shù)風險，降低全尺寸試驗出現(xiàn)重大風險的概率。

本文就針對民機飛機復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計過程對零件積木式驗證試驗規(guī)劃進行探討。

1 復合材料結(jié)構(gòu)適航審定中的新問題

根據(jù)復合材料的使用經(jīng)驗，復合材料層合結(jié)構(gòu)對環(huán)境因素、重復加載和外來物沖擊等敏感，且破壞模式具有不確定性并缺乏規(guī)律性，這些特點使得復合材料結(jié)構(gòu)在適航審定中出現(xiàn)了一系列與金屬結(jié)構(gòu)不同的新問題[1]，具體如下：①需高度重視材料、制造控制和制造實施。材料規(guī)范與工藝規(guī)范是用來控制復合材料性能變異性的方法，因此，材料和/或工藝任何一種發(fā)生變更，結(jié)構(gòu)性能都需要重新審定。②材料和工藝偏差、環(huán)境因素、重復加載、允許的缺陷和損傷以及維修不當?shù)染梢饛秃喜牧闲阅芟陆?，結(jié)構(gòu)設(shè)計和合格審定時必須充分考慮這些因素。③構(gòu)型幾何不連續(xù)和材料不連續(xù)等引起的高度應力集中，使細節(jié)設(shè)計成為復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵和合格審定的重點。④結(jié)構(gòu)膠接通常更需要關(guān)注膠接工藝細節(jié)，螺栓連接也是薄弱環(huán)節(jié)。⑤外來物沖擊損傷是復合材料結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計主要考慮的損傷形式，是結(jié)構(gòu)完整性的主要威脅因素。⑥熱問題包括固化、熱應力受溫度影響導致性能下降等，在設(shè)計和驗證中需重視。⑦采取閃電防護措施，并進行閃電防護驗證。

結(jié)合復合材料零件結(jié)構(gòu)驗證中出現(xiàn)的諸多問題，加之適航審定條款在民機研制過程的嚴肅性，這就再一次強調(diào)了民機研制中復合材料結(jié)構(gòu)采用“積木式”方法開展驗證的必要性。

2 “積木式”試驗計劃的流程

在復合材料結(jié)構(gòu)研發(fā)過程中，需制定“積木式”試驗計劃。它是申請人適航符合性驗證的重要組成部分，也是適航當局合格審定的重要方面。在制定“積木式”試驗計劃時，采用大量低成本的小試樣試驗，只需要少量較貴的子部件和全尺寸試驗件，這可達到投資的高效率。并且，可在復合材料結(jié)構(gòu)研制過程中，早期更有效地評估技術(shù)風險。復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計成功與失敗的風險程度取決于積木式計劃。對于新材料和新工藝，需要對積木式方法的每個層級進行必要而充分的評價。

“積木式”試驗計劃的典型流程如圖1所示。在初步設(shè)計中，采用小的試樣和元件試驗，來確定基本的材料無缺口靜力性能、一般的缺口敏感性、環(huán)境因子、材料工作限制以及層合板的疲勞響應。通過這一部分的試驗和統(tǒng)計分析，提供第一輪的設(shè)計和計算分析數(shù)據(jù)，包括確定材料分散系數(shù)和材料許用值，評價材料和元件的失效模式以及初步的層合板分析，并同時確定結(jié)構(gòu)外載荷和給出初始尺寸。

圖1 “積木式”試驗計劃的典型流程

在圖1的第二部分中，采用由第一部分給出的數(shù)據(jù)來計算內(nèi)力、識別關(guān)鍵區(qū)域，并預計關(guān)鍵失效模式。設(shè)計更復雜的元件和組合件，來驗證分析結(jié)構(gòu)和失效模式。對于更復雜的試件，將用來分析和驗證更加復雜的靜力和疲勞情況，特別注意評定面外載荷及識別未預料到的失效模式，還將處理尺寸效應和結(jié)構(gòu)響應問題。積木塊的最后一個層級是全尺寸結(jié)構(gòu)的靜力和疲勞試驗，全尺寸試驗用來驗證所分析的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形和失效模式，并驗證從未出現(xiàn)過的未預料到的重大次級載荷。

實際上在復合材料結(jié)構(gòu)的研制過程中，可能會采用初步的、估計的設(shè)計許用值來完成零件、元件以及組合件的初步設(shè)計分析。并在得到設(shè)計許用值前，就已經(jīng)完成了元件和組合件的試驗。但是，在開始全尺寸結(jié)構(gòu)試驗之前，應當確定設(shè)計許用值。

在制定積木式試驗計劃的過程中，建議飛機復合材料結(jié)構(gòu)制造商與合格審定機構(gòu)進行協(xié)商，或者與合格審定機構(gòu)合作共同制定積木式試驗計劃，以便得到合格審定機構(gòu)的批準。經(jīng)過批準的積木式試驗計劃也是復合材料結(jié)構(gòu)研發(fā)計劃的管理工具。

3 “積木式”試驗方法的基本框架

“積木式”試驗可分為試樣級、元件級、典型結(jié)構(gòu)件級、組合件級和部件級五個層級結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 復合材料零件“積木式”試驗框架

3.1 試樣級

試樣級試驗主要對材料選擇提供數(shù)據(jù)支撐，為材料規(guī)范、工藝規(guī)范的編制提供試驗數(shù)據(jù)。

試樣級試驗能夠?qū)Σ牧瞎趟峁┑牟牧辖?jīng)過行業(yè)的鑒定，然后提供足夠多的材料性能及相關(guān)的材料信息供設(shè)計使用，當設(shè)計綜合所有因素（性能、工藝性、穩(wěn)定性、可靠性、結(jié)構(gòu)可設(shè)計性、結(jié)構(gòu)適應性、成本、貨源等）權(quán)衡后選擇某個或多個材料供應商。

3.2 元件級

當零件所用材料需要特殊制造和工藝控制才能保證設(shè)計要求時，必須進行元件機械性能和物理性能的試驗驗證，以便選定材料和控制工藝參數(shù)，典型的就是復合材料制件。

進行元件級的試驗，確定典型結(jié)構(gòu)單元的工藝參數(shù)試驗、結(jié)構(gòu)工藝適用性試驗，確定設(shè)計許用值、連接試驗，考慮各種環(huán)境影響，進行疲勞和損傷容限試驗，考慮制造缺陷、使用損傷因素。

3.3 典型結(jié)構(gòu)細節(jié)級

進行典型結(jié)構(gòu)件試驗，如加筋壁板結(jié)構(gòu)件、多肋壁板結(jié)構(gòu)件、縫合加筋壁板、泡沫夾層結(jié)構(gòu)件和加筋夾層家構(gòu)建等的設(shè)計試驗，研究確定設(shè)計和工藝參數(shù)的匹配、壁板穩(wěn)定性、連接強度、缺陷影響、開口影響、環(huán)境影響、損傷影響和修理方法，制定結(jié)構(gòu)驗收技術(shù)條件、檢查大綱和修理方法，為制定裝配工藝規(guī)范、結(jié)構(gòu)驗收技術(shù)條件、檢查大綱和修理方法提供試驗數(shù)據(jù)。

3.4 組合件級

評定接近真實邊界條件的結(jié)構(gòu)裝配，開展相關(guān)分析，確定與低層次試驗的關(guān)聯(lián)性和實用性。證明預期的破壞模式，進行各部件典型盒段的各類試驗，確定其承載能力、穩(wěn)定性、破壞模式、損傷容限特性、離散源損傷、制造工藝、防雷擊性能。進行盒段的損傷容限試驗，評估盒段的壽命、損傷容限的能力及修理后的評估。

3.5 部件級

進行全尺寸復合材料結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計、分析、制造和試驗驗證，包括全尺寸的靜力試驗、疲勞損傷容限試驗、鳥撞試驗、雷擊試驗等。

4 “積木式”試驗方法的應用案例

B777-200型飛機尾翼復合材料的合格審定方法采用的就是“積木式”試驗支持的分析方法。這些支持試驗包括試驗級、結(jié)構(gòu)元件、組合件級。最后，在全尺寸試件在大氣環(huán)境下進行試驗驗證。B777-200型飛機復合材料尾翼研制過程中采用的積木式方法如圖3所示。對于復合材料結(jié)構(gòu)的環(huán)境影響問題，則在試樣級、結(jié)構(gòu)元件級和組合件級進行環(huán)境試驗，并在結(jié)構(gòu)分析中予以考慮。

圖3 B777飛機“積木式”試驗方法

B777飛機的“積木式”試驗體系完整，試驗項目廣泛而充分，提供了適航要求的數(shù)據(jù)和結(jié)論，所建立的試驗數(shù)據(jù)庫、取得的設(shè)計經(jīng)驗和驗證過的分析方法為B777復合材料基體結(jié)構(gòu)的驗證和審定奠定了基礎(chǔ)[2]。

5 關(guān)于復合材料“積木式”試驗驗證方法的思考

復合材料零件結(jié)構(gòu)的驗證與適航審定若能嚴格按照完整的“積木式”試驗方法開展，不僅能夠建立材料的基本性能數(shù)據(jù)庫和結(jié)構(gòu)設(shè)計許用值，而且使結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案得到了評估，復材制造技術(shù)得到了考核，最終還充分分析了結(jié)構(gòu)性能與成本的綜合效能?！胺e木式”試驗所積累的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，有利于促進批量生產(chǎn)和維修計劃的制定，有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計細節(jié)與工藝過程的集成，有利于可靠工具與重復工藝步驟的融合，更有利于材料與工藝的控制以及廠家的穩(wěn)定生產(chǎn)。

民用飛機復合材料適航審定過程中“積木式”試驗方法的成功應用，需要結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料及工藝控制、復材制造等相關(guān)方面的高度集成、協(xié)同努力，這樣才能生產(chǎn)出可靠的復合材料結(jié)構(gòu)。

［1］馮振宇.復合材料飛機結(jié)構(gòu)合格審定［M］.北京：航空工業(yè)出版，2012.

［2］FAWCETTL A，TROSTLE J，WARD S.777empennage certification approach［C］//11th international conference on composite materials，cambridge：woodhead publishing limited，1997：178.

V214.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.029

2095－6835（2021）01－0081－03

季文，主要從事復合材料工藝規(guī)范及標準的研究工作。

〔編輯：王霞〕