民用飛機復合材料結構“積木式”驗證試驗規劃探討

季文，劉久戰，范坤

民用飛機復合材料結構“積木式”驗證試驗規劃探討

季文，劉久戰，范坤

（航空工業西飛復合材料制造技術研究所，陜西 西安 710089）

隨著民用飛機上復合材料結構所占比例的不斷增加，復合材料結構適航審定的技術研究也越來越重要。結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的典型問題，闡述了復合材料結構適航驗證中至關重要的“積木式”試驗方法的計劃流程制定、內容規劃以及現有機型成功案例，為民機研制中復合材料結構的適航審定提供幫助。

“積木式”試驗；復合材料；民機研制；試驗規劃

先進的復合材料結構占飛機結構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，對民用飛機的經濟性能有更大影響。先進復合材料結構的研制成功和擴大應用，需要設計、材料和制造人員各方面的協同努力，可以用“設計是主導、材料是基礎、制造是關鍵”來描述三者的作用和相互關系。開發復合材料設計、材料及工藝新技術已成為新一代飛機研制中的一項關鍵技術。

復合材料作為飛機研制中新興的材料體系，同樣需要達到傳統的金屬結構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構部件時，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件結構使用性能及耐久性等。通過試驗和分析相結合，用試驗來驗證分析的結果，用分析來指導試驗的計劃，既降低了整個試驗費用，又增加了結構的可靠性。在航空器設計過程中，通常不能采用簡單試樣的試驗數據來預計復雜結構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、環境影響的嚴酷性，試驗數據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構認證/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、結構細節試驗、次部件試驗和全尺寸結構試驗積木塊。其基本原理是以支持技術為保障，考慮各項設計要求，按照試驗件尺寸和規模、環境復雜程度逐級增加、數量逐級減少，后一級直接利用前一級所得的材料/結構相應結果進行試驗與分析，以積累認知、深化認知，形成低技術風險、低費用的復合材料設計研制和驗證/審定技術體系。其目的是能在研制計劃進程早期更有效地評定設計研制技術風險，降低全尺寸試驗出現重大風險的概率。

本文就針對民機飛機復合材料結構設計過程對零件積木式驗證試驗規劃進行探討。

1 復合材料結構適航審定中的新問題

根據復合材料的使用經驗，復合材料層合結構對環境因素、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律性，這些特點使得復合材料結構在適航審定中出現了一系列與金屬結構不同的新問題[1]，具體如下：①需高度重視材料、制造控制和制造實施。材料規范與工藝規范是用來控制復合材料性能變異性的方法，因此，材料和/或工藝任何一種發生變更，結構性能都需要重新審定。②材料和工藝偏差、環境因素、重復加載、允許的缺陷和損傷以及維修不當等均可引起復合材料性能下降，結構設計和合格審定時必須充分考慮這些因素。③構型幾何不連續和材料不連續等引起的高度應力集中，使細節設計成為復合材料結構設計的關鍵和合格審定的重點。④結構膠接通常更需要關注膠接工藝細節，螺栓連接也是薄弱環節。⑤外來物沖擊損傷是復合材料結構損傷容限設計主要考慮的損傷形式，是結構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。

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

2 “積木式”試驗計劃的流程

在復合材料結構研發過程中，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，可在復合材料結構研制過程中，早期更有效地評估技術風險。復合材料結構設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計分析，提供第一輪的設計和計算分析數據，包括確定材料分散系數和材料許用值，評價材料和元件的失效模式以及初步的層合板分析，并同時確定結構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據來計算內力、識別關鍵區域，并預計關鍵失效模式。設計更復雜的元件和組合件，來驗證分析結構和失效模式。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構響應問題。積木塊的最后一個層級是全尺寸結構的靜力和疲勞試驗，全尺寸試驗用來驗證所分析的結構內力、變形和失效模式，并驗證從未出現過的未預料到的重大次級載荷。

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

在制定積木式試驗計劃的過程中，建議飛機復合材料結構制造商與合格審定機構進行協商，或者與合格審定機構合作共同制定積木式試驗計劃，以便得到合格審定機構的批準。經過批準的積木式試驗計劃也是復合材料結構研發計劃的管理工具。

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、典型結構件級、組合件級和部件級五個層級結構，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據支撐，為材料規范、工藝規范的編制提供試驗數據。

試樣級試驗能夠對材料供應商所提供的材料經過行業的鑒定，然后提供足夠多的材料性能及相關的材料信息供設計使用，當設計綜合所有因素（性能、工藝性、穩定性、可靠性、結構可設計性、結構適應性、成本、貨源等）權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，典型的就是復合材料制件。

進行元件級的試驗，確定典型結構單元的工藝參數試驗、結構工藝適用性試驗，確定設計許用值、連接試驗，考慮各種環境影響，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 典型結構細節級

進行典型結構件試驗，如加筋壁板結構件、多肋壁板結構件、縫合加筋壁板、泡沫夾層結構件和加筋夾層家構建等的設計試驗，研究確定設計和工藝參數的匹配、壁板穩定性、連接強度、缺陷影響、開口影響、環境影響、損傷影響和修理方法，制定結構驗收技術條件、檢查大綱和修理方法，為制定裝配工藝規范、結構驗收技術條件、檢查大綱和修理方法提供試驗數據。

3.4 組合件級

評定接近真實邊界條件的結構裝配，開展相關分析，確定與低層次試驗的關聯性和實用性。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構部件的設計、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、結構元件、組合件級。最后，在全尺寸試件在大氣環境下進行試驗驗證。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。對于復合材料結構的環境影響問題，則在試樣級、結構元件級和組合件級進行環境試驗，并在結構分析中予以考慮。

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據和結論，所建立的試驗數據庫、取得的設計經驗和驗證過的分析方法為B777復合材料基體結構的驗證和審定奠定了基礎[2]。

5 關于復合材料“積木式”試驗驗證方法的思考

復合材料零件結構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據庫和結構設計許用值，而且使結構的設計方案得到了評估，復材制造技術得到了考核，最終還充分分析了結構性能與成本的綜合效能。“積木式”試驗所積累的數據和經驗，有利于促進批量生產和維修計劃的制定，有利于結構設計細節與工藝過程的集成，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定生產。

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，需要結構設計、材料及工藝控制、復材制造等相關方面的高度集成、協同努力，這樣才能生產出可靠的復合材料結構。

［1］馮振宇.復合材料飛機結構合格審定［M］.北京：航空工業出版，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范及標準的研究工作。

〔編輯：王霞〕