大飞机研制中的若干复合材料力学问题

大飞机研制中的若干复合材料力学问题

王荣

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司黑龙江省哈尔滨市150066

摘要：先进复合材料在当代大型飞机结构中的应用状况，以及相关的力学问题，着重论述了复合材料及结构的工艺力学、跨尺度材料/结构一体化设计问题和力学性能表征、高效复合材料结构设计和力学分析、复合材料损伤容限与耐久性设计、大型飞机的安全监测和管理系统等.

关键词：大飞机，经济性，安全性，复合材料，复合材料力学

在我国已研制的飞机结构中，复合材料的用量均较少，即使使用了复合材料，也都基本用于非承力结构或次承力结构，大型主承力结构如复合材料机翼等的制造在我国还是空白。现在，我国新型飞机研制中复合材料的应用将出现飞跃式发展。新机研制中复合材料将用于主承力结构的制造（如复合材料机翼等），新机结构上的复材用量将大幅度提高，大型客机的复材用量将达整机材料用量的15%～23%。与金属结构相比，复合材料由于具有层间强度低、抗冲击能力差等弱点，因此，复合材料的结构连接是其应用的薄弱环节。复合材料的特点决定了其结构的装配连接难度大、技术要求高。与国外飞机制造公司相比，我国复合材料结构制造装配方面的基础差、技术水平低。随着复合材料在新机结构上应用比例的大幅度提高，复合材料结构装配连接方面存在的问题将更加突出，复合材料结构装配连接技术已成为我国新机研制的关键技术之一。

一、新一代大型飞机复合材料的应用现状

复合材料以其优异的性能在民用和军用飞机上的用量不断增加，世界先进飞机结构已经出现了复合材料化的趋势。目前刚刚投入使用或正在研制并即将投入使用的最具代表性的新一代大型客机，空中客车公司的A380、A350飞机和波音公司的波音787飞机，它们有别于以往同类飞机的一个重要标志就是其机体结构大量采用复合材料，其复合材料用量分别占机体结构重量的25%、52%和50%，远远高于目前在航线上运营的最先进的空客A340和波音777的10%量级的水平。

二、复合材料及结构的损伤破坏和承载能力分析

由于复合材料的非均质性、各向异性、存在大量的界面区域和缺陷、应用中环境的变化等因素，复合材料的损伤形式具有多重性、失效模式具有多样性、损伤演化规律和失效过程跨越微观和宏观尺度.因此，其损伤分析和强度预测十分复杂.复合材料的损伤、强度和耐久性等问题也一直是国际航空复合材料领域的热点问题复合材料及其构件的破坏分析和损伤容限研究1在飞机所用的占结构重量的复合材0料中，咒%为碳纤维增强塑料（CFPR），3%为首次用于民用飞机的GLAR丑纤维—金属板.A308还首次采用了复合材料制成的中央翼盒，这一部件是连接机翼与机身的非常重要的主体结构.此外，A830还首次在后机身采用了复合材料.要自主研制大飞机，使用复合材料是必然的选择，因此有必要针对复合材料损伤与破坏开展系统的研究.复合材料尽管有高比刚度和强度，但其破坏方式极为复杂，并且损伤会在较小的载荷下发生.对复合材料的这些特性缺少清晰的了解和预测，并实现工艺稳定性和保证质量，将会约束设计部门将复合材料用于像大飞机这样结构的主承力件，并导致在设计中采用过高的安全系数，其后果是增加了飞机的设计和制造成本，增加飞机的重量和降低其经济性.低能量（低速度）碰撞也会使面内压缩强度降低53%一40%碰撞后的压缩强度和能量释放率作为检验指标之一此外还有制造加工损伤，以及使用引起的损伤.纤维增强和相关复合材料的基本力学性能、损伤破坏的理论和实验研究以及纤维增强层合板、复合材料一金属层合板以及多层结构的力学性能，包括从初始破坏开始到最终破坏整个过程的预测，是联系材料基本性能和结构性能的关键；基本构元和结构的缺陷敏感性的研究也是重要课题.在复合材料构件的应用中不可避免地会涉及到开孔、连接、分层、冲击损伤或者出现裂纹等情况，因此研究缺陷敏感性以及损伤容限对于正确评估复合材料结构的安全性是十分重要的.另外复合材料结构优化方法、复合材料力电磁一体化设计方法的研究都是十分必要的.因此，以下研究内容是复合材料及其构件的损伤和破坏分析所必需解决的基本问题：

1纤维增强和相关复合材料的基本力学性能表征；

2.损伤破坏的理论和实验研究；

3.纤维增强层合板、复合材料一金属层合板以及多层结构的力学性能；

4.初始破坏开始到最终破坏整个过程的预测；

5.纤维增强层合板、复合材料一金属层合板以及多层结构的缺陷敏感性；

6.开孔、连接、分层、冲击损伤；

7.缺陷敏感性以及损伤容限与复合材料结构设计优化方法；

8.复合材料细观一宏观刚/韧度设计系统软件.

三、新机研制中复合材料结构制造装配的关键技术

1.复合材料结构装配制造基础工艺规范，相对于金属结构，复合材料结构

的质量保证更为复杂。国外经验表明，全面系统的工艺规范是保证复材结构制造质量的关键。针对复合材料发展的趋势以及国外先进飞机复合材料的应用特点，我国新机研制中将采用新型复合材料。我国航空主机厂对T300系列复合材料结构的装配制造有一定的研究基础，也有相应的工艺规范，但这些工艺规范并不适合新型复合材料结构。因此，针对新机研制中将采用的新型复合材料的特点制定相应工艺规范是新型复合材料应用的前提。这些规范要覆盖零件制造、加工、装配和检验全过程中的每一个环节。

2.复合材料结构先进连接技术，在复合材料结构装配过程中，机械连接仍将是主要连接方法，包括铆接和螺接，而螺接包括普通螺栓连接和高锁螺栓、环槽钉等特种紧固件连接。复合材料结构连接一直是复合材料应用中的薄弱环节，制约着复合材料的广泛应用。我国目前在已有飞机型号的研制中，复合材料结构连

接的问题还没有得到很好地解决，制造过程中的复合材料结构连接质量不高，铆接过程中往往还出现结构损伤。为保证新机长寿命、高可靠的质量要求，必须采用先进的连接工艺和方法。金属结构的干涉配合连接能成倍提高金属结构寿命，已成为最主要的强化工艺方法。复合材料结构的干涉配合连接国内外已有多年研究历史，但我国目前飞机制造一般还是采用间隙配合。新机研制中干涉配合连接技术的应用将有效地提高结构强度和寿命。电磁铆接是一种冲击距离为零的冲击加载，代替普通铆接可以减轻对结构的冲击损伤。因此，在复材结构装配中采用电磁铆接可以提高连接质量。但一项新工艺的应用需要系统的工艺研究，新型复材结构的电磁铆接工艺研究是新机研制中不可缺少的工作。

3复合材料翼面结构自动化装配技术，国外先进飞机复合材料结构制造中已广泛应用自动化装配技术，它对保证装配质量和提高装配效率起到了很好的作用。我国新机研制中，为满足复材结构的装配质量，必须采用自动化装配技术。在复材结构自动化装配技术研究中，可针对复合材料翼面结构部件自动化装配进行研究，包括自动化精确制孔、自动化铆接等。

4大型复合材料整体结构装配工装研制，复合材料部件的整体结构尺寸大，装配难度大。装配过程中结构的变形、装夹定位质量等问题都需要摸索。另外，复合材料的性能特点也决定了大型复合材料整体件的搬运、上架等必须采用专用工装。在大型复材结构装配过程中，必须针对复合材料整体结构尺寸和重量大以及复合材料要求高的特点，研制满足复合材料结构要求的工装，开发机械化壁板上架系统，保证壁板上架的安全和定位可靠。

复合材料在我国新型号飞机制造中将充当重要角色。目前我国航空企业在复合材料结构制造，特别是在复合材料结构装配方面的软硬件环境还远不能满足新机研制的需要。因此，航空科研院所和主机厂需要通力合作，针对新机研制中的新型复合材料在大型复材部件装配技术、先进连接技术的应用等方面进行研究和攻关。

参考文献：

[1]钱民．我国大型飞机先进复合材料技术应对策略思考.2015

[2]杜善义．先进复合材料与航空航天.2015

[3]吴非.大飞机研制中的若干复合材料力学问题.2015