復合材料全尺寸試驗件引入損傷概述

王春壽

（上海飛機設計研究院強度設計研究部，上海 200232）

0 引言

由于復合材料優秀的力學性能和減重效果，越來越多的飛機結構尤其是民用飛機采用復合材料，而復合材料結構在制造和使用過程中都會產生缺陷或者損傷，這就要求在進行適航符合性驗證時考慮到制造缺陷和使用過程中的損傷，使用過程中的損傷主要表現為沖擊損傷。

本文闡述了飛機復合材料全尺寸試驗件引入損傷的必要性，引入損傷的類型、損傷尺寸的確定、引入損傷的原則等并以現有機型的復合材料全尺寸試驗件的引入損傷為例，形成了飛機復合材料全尺寸試驗件損傷引入的方法。

1 引入損傷的必要性

首先，復合材料零件在制造和使用過程中產生的損傷或者缺陷不可避免，因此為了保證復合材料結構件在飛機服役期的安全就必須在復合材料全尺寸試驗件中人為引入這些損傷，并且這也是適航規章和復合材料結構積木式試驗驗證方法的要求。其次，有助于在飛機生產制造過程中的超差處理以及維護文件中的ADL（Allowable Damage Limit允許損傷極限）的確定。

2 引入損傷的類型

復合材料全尺寸試驗件的引入損傷分為2類：一類是在試驗件制造過程中預埋，稱為預埋缺陷；另一類是在試驗前或者試驗過程中引入，本文中將這類損傷稱為后期引入損傷，主要體現為沖擊損傷。本節將分別介紹預埋缺陷和后期引入損傷的類型以及各損傷類型對應的損傷容限要求。

2.1 預埋缺陷

復合材料全尺寸試驗件預埋缺陷包括孔隙率、小的分層、脫膠、夾雜等，試驗件中所含的預埋缺陷應該在全壽命期內不擴展，并且含預埋缺陷的結構具有極限載荷承載能力，如圖1所示。復合材料全尺寸試驗件中典型的預埋制造缺陷如表1所示。

2.2 后期引入損傷

復合材料全尺寸試驗件后期引入損傷一般包括沖擊損傷、大的劃傷等，其中沖擊損傷又分為BVID、VID和LVID。

根據表1，含有BVID損傷的復材結構在飛機壽命期內缺陷或者損傷必須是穩定的或者可控的，并且能夠承受極限載荷；含有VID損傷的復材結構在其檢查間隔內損傷必須是穩定的或者可控的，并且能夠滿足限制載荷的要求；含有LVID損傷的結構必須在損傷發生后的短時間內明顯可檢，并立即進行修理，受到損傷后的結構能滿足限制載荷要求。

3 引入損傷尺寸的確定

3.1 預埋缺陷尺寸的確定

為了獲得復合材料全尺寸試驗件預埋缺陷的尺寸，需要開展的工作有：（1）收集各復合材料部件供應商前期生產的試驗件缺陷易發生位置、大小等信息；（2）收集各復合材料部件供應商無損檢測系統對各類制造缺陷的檢查能力；（3）收集各復合材料部件制造驗收條件中對制造缺陷的要求。

3.2 后期引入損傷尺寸的確定

圖1 損傷類型與損傷容限要求示意

沖擊損傷的確定需要前期對復合材料試驗件不同位置進行不同能量的沖擊，通過不同位置損傷的模擬試驗確定沖擊損傷的大小。目前國內外對沖擊損傷的要求一般為：BVID損傷要求沖擊損傷回彈后的凹坑深度不小于0.3mm，VID損傷要求沖擊回彈后的凹坑深度不小于1.0mm。

表1 典型的預埋缺陷

4 損傷引入原則

4.1 預埋缺陷引入原則

飛機復合材料全尺寸試驗件預埋缺陷的引入原則有：（1）預埋缺陷應盡可能地布置在易于發生制造缺陷的部位，如梁緣條圓角區，長桁三角填充區；（2）預埋制造缺陷應布置在結構危險細節處，并且與其他類型損傷對結構的響應不發生耦合影響；（3）預埋制造缺陷應位于結構上層間應力較大的厚度位置；（4）由于在試驗過程中需要監控缺陷的狀態，因此預埋缺陷的位置應便于檢測。

4.2 后期損傷的引入原則

飛機復合材料全尺寸試驗件后期引入損傷的原則如下：（1）后期引入損傷應布置在易于沖擊或者劃傷的部位；（2）后期引入損傷應布置在結構危險細節處，并且與其他類型損傷不發生耦合。

5 復合材料全尺寸試驗件損傷引入示例

圖2中的引入損傷包含試驗件制造階段預埋的制造缺陷和后期引入的BVID、VID和LVID損傷，這些損傷分布在試驗件的蒙皮、長桁、翼肋、蒙皮與長桁的膠結面以及蒙皮與翼肋的膠結面等部位。

圖2 復合材料全尺寸試驗件損傷引入分布示例

6 結語

本文通過闡述飛機復合材料全尺寸試驗件引入損傷的必要性，引入損傷的類型、損傷尺寸的確定、引入損傷的原則，形成了飛機復合材料全尺寸試驗件損傷引入的方法，為復合材料全尺寸試驗、復合材料結構的適航符合性驗證提供了參考。

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