民用飛機復合材料垂尾積木式試驗研究

葛春生，魏士禮

（中航沈飛民用飛機有限責任公司 遼寧 沈陽 110000）

0 引言

隨著科技的不斷進步，材料技術得到飛速發展，其中先進復合材料的發展尤為突出。大型民用客機的材料應用也逐步由以金屬材料為主的結構形式逐步發展成以復合材料為主要材料。美國波音公司第一代民用客機B707的復合材料用量為0，20世紀六、七十年代，先進復合材料在民用飛機上的用量僅為1%～3%，金屬材料占絕對主導地位。經過50多年的發展，如今B787夢想飛機上所用的鋁合金僅占20%，先進復合材料的用量高達50%[1]，空客新一代客機A350的復合材料用量甚至達到52%[2]。我國復合材料在民用飛機上的應用起步較晚，直到近些年隨著大飛機項目的啟動和發展，才帶動了復合材料在民用飛機上的應用，在我國最新一代寬體客機CR929飛機的復合材料用量也有望達到50%左右。

由于復合材料相比傳統金屬材料的特殊性，以復合材料為主的結構部件所要進行的試驗要遠比以金屬材料為主的飛機所進行的試驗多得多，這就要求飛機研制過程中嚴格按照復合材料符合性驗證的流程開展相關試驗驗證工作。

1 復合材料的適航審定基礎

民用飛機在設計過程中要滿足適航要求，國際上采用的各適航規章中對材料的審定也做出了相關要求和規定。以中國適航規章CCAR25部為例，從材料角度要滿足第25.603條款的要求，從結構強度角度要滿足25.613的要求[3]。

適航條款提出了復合材料在飛機結構設計中必須滿足的原則，但并未提供如何證明復合材料滿足這些原則的方法。目前在實際驗證中一般遵循美國聯邦航空管理局（FAA）于2009年9月修訂頒布的AC20-107B《復合材料結構》，該咨詢通報是在1984年4月25日頒布的AC20-107A“復合材料飛機結構”基礎上進行升級的修訂版，是目前有關復合材料適航審定的一份較系統、完整的文件，從材料與制造、靜力、疲勞和損傷容限驗證等方面提出了具體要求和指導規范，進一步明確和推薦了復合材料在民機上應用的適航審查技術、程序要求和工作指南，是飛機復合材料結構可接受但非唯一的適航驗證方法。

該通報建議復合材料結構驗證采用“積木式方法”[4]，將飛機研制過程中的試驗驗證環節根據試驗件尺寸的大小劃分成試樣級、元件級、次組件級、組件級和全尺寸級5個級別的試驗，見圖1。采用該方法可以減小試驗風險和降低成本，同時使得復合材料設計和適航審定規范化，是目前在復合材料飛機結構研制中普遍采用的驗證方法。

積木式試驗從設計和制造角度分為工程研發試驗和工藝試驗，兩種試驗在飛機研發過程中并行開展，相輔相成。本文以民用飛機復合材料垂尾結構為例，探索規劃工程研發試驗的積木式驗證試驗的規劃方法。

2 復合材料垂尾結構概述

大型民用飛機復合材料尾翼通常由垂直安定面和方向舵組成，垂直安定面又由前緣、主盒段和后緣等結構組成，除部分肋、接頭等結構外，其余結構均可采用復合材料結構。

垂尾主盒段一般采用雙梁多肋的結構形式，由壁板、前/后梁和翼肋組成，除端肋外，其余均可采用復合材料結構。翼盒壁板采用整體加筋設計，整個翼盒通過壁板根部的金屬對接接頭與后機身連接。

前緣采用前緣艙和可卸前緣的結構形式，主要起到維持外形和抗鳥撞的作用，其中前緣蒙皮和前緣艙壁板均可采用復合材料蜂窩夾芯結構。

后緣結構主要用于懸掛方向舵并為系統管路等提供空間，其中后緣艙壁板主要用于維持氣動外形，通常采用蜂窩夾芯結構。

升降舵作為次承力結構，可采用典型的夾芯壁板與單梁疏肋的結構形式，其中梁、壁板、肋等均可采用復合材料結構。

垂尾典型結構示意圖見圖2。

3 垂尾積木式試驗規劃

復合材料積木式試驗的工程試驗主要是確定典型結構形式、構型、參數定義和細節結構與連接結構的尺寸定義，并驗證典型結構強度分析方法。

復合材料積木式試驗方法主要從試樣級、元件級、次組件級、組件級和全尺寸級5個級別進行驗證。以復合材料垂尾為例，積木式試驗應對以下試驗內容進行規劃。

3.1 試樣級試驗

試樣級試驗為材料強度相關試驗，主要研究材料基礎性能、數據庫建立，如材料許用值、層合板疲勞門檻值、損傷特性等。垂尾試樣級試驗至少應包括以下幾種。

（1）材料鑒定試驗。該試驗針對選用的復合材料，對相應材料規范中所規定的物理性能和力學性能等指標進行驗證，確認選用的材料滿足CCAR25.603的要求。

（2）設計許用值試驗。該試驗屬于驗證類試驗，作為CCAR25.613條款驗證重要依據。試驗考慮兩種高溫濕態環境及一種低溫干態及室溫干態影響，材料應包含所有使用的材料以及修理材料。

（3）疲勞門檻值試驗。該試驗用于確定層板結構損傷無擴展的載荷/應變門檻值，并研究低載截除限，用于積木式試驗中其他試驗中對譜載低載情況進行截除。疲勞門檻值試驗是CCAR25.571條款驗證的重要依據。

（4）典型連接設計值試驗。該試驗用于獲得層板機械連接設計許用值，并獲得工程中部分超差的處理所需的數據，如加墊、沉頭過深等。

（5）典型層板損傷特性試驗。該試驗考慮復合材料壁板蜂窩夾心板在不同能量沖擊下獲得的自BVID至VID的4種不同程度的損傷。

除此，還包括材料動態力學性能試驗（鳥撞）、層板厚度超差影響試驗、層板褶皺影響試驗、蜂窩缺陷影響試驗、蜂窩脫粘影響試驗。

試樣級試驗是驗證復合材料力學性能的基礎試驗，直接關系到強度分析和優化的結果，為保證復合材料結構的安全性，需對材料級試驗進行多個批次、多個爐次的試驗[5]。

3.2 元件級試驗

元件級試驗主要驗證典型結構特征的強度特性和數據庫的建立。在試驗實施過程中應針對垂尾的結構形式和結構特征來規劃試驗，對于典型的雙梁多肋復合材料垂尾結構，可規劃有關長桁、梁、肋等結構的元件級試驗，如長桁細節壓縮、長桁剖面選型等。垂尾元件級試驗主要包括以下幾種。

（1）長桁壓損試驗。該試驗作為長桁類零件的基礎試驗，通過該試驗可獲得期望的長桁失效模式；獲得長桁壓損載荷，驗證工程算法保守性；獲得BVID對長桁壓損強度的影響因子；獲得環境影響因子。

（2）梁緣條壓損試驗。該試驗作為梁類的基礎試驗，通過該試驗可獲得期望的梁緣條失效模式；獲得梁緣條壓損載荷，驗證工程算法保守性；獲得預埋缺陷對梁緣條壓損強度的影響因子；獲得環境影響因子。

（3）長桁截止端強度試驗。長桁截止端為壁板典型細節，該處結構不連續，易產生面外載荷，導致結構提前發生細節破壞，為研究長桁端頭的這些設計細節，開展長桁截止端試驗，應包括靜強度試驗和疲勞損傷容限試驗等試驗內容。

（4）曲梁4點彎試驗。該試驗為梁類零件必要的基礎試驗，通過該類試驗可獲得期望的失效模式；獲得層間拉伸強度許用值；獲得環境影響因子；獲得預埋缺陷對層間拉伸強度的影響因子。

（5）V型缺口梁剪切試驗。該試驗為梁類零件必要的基礎試驗，通過該試驗可獲得期望的失效模式，獲得層間剪切強度。

（6）典型連接結構面外拉伸試驗。垂尾梁和肋均與蒙皮連接，為驗證梁、肋的R區性能，應進行梁、肋與蒙皮面外拉伸試驗。通過該試驗可獲得期望的失效模式；獲得R角承載能力，驗證工程算法的保守性；獲得環境影響因子；獲得疲勞后試驗件的剩余強度等。

除此，還包括R區厚度超差影響試驗、鋪層遞減研發試驗、金屬/復材連接試驗（熱應力）、典型層板修理參數試驗、蜂窩層板損傷試驗。

有關試樣級和元件級的材料試驗，美國材料與試驗協會標準ASTMD30中對各類材料試驗的方法、過程、設備、數據處理等做了詳細的介紹，是該類試驗的主要參考依據[6]。

3.3 典型結構件級試驗

典型結構件級試驗用于驗證典型結構特征或細節特性，如典型結構的連接、結構選型等，垂尾典型結構件級試驗可規劃以下內容。

（1）壁板加筋形式選型試驗。該試驗用于選擇壁板加筋的截面形式（如T型和工型）、蒙皮與長桁的固化連接形式、長桁間距和數量、鋪層組合等。

（2）加筋壁板力學性能試驗。加筋壁板力學性能試驗用于驗證不同加筋壁板的軸壓、壓剪等力學性能，驗證壁板靜強度分析方法與剩余強度分析方法，并驗證壁板的疲勞損傷特性。

（3）夾層結構芯材選型試驗。該試驗用于對夾層板結構采用蜂窩、泡沫不同芯材在重量、成本、維修、工藝性等方面的驗證和對比，選擇更為合理的夾層板結構形式。

（4）梁腹板開口試驗。該試驗用于驗證梁腹板開口的形狀尺寸、強度分析方法和不同補強方式性能，如插層補強和加強支柱補強等。

除此，還包括電流傳導試驗、典型結構允許損傷試驗、典型結構可修理損傷試驗、筋壁板修理驗證試驗。

3.4 組合件級試驗

組合件級試驗是能夠反映部段特征的典型組合件，如典型盒段、壁板等，通過組合件級試驗能進一步驗驗證典型部段的性能和特征，驗證強度分析方法。垂尾組合件級試驗可規劃以下內容。

（1）典型盒段試驗。該試驗件應反映主翼盒的設計特征和參數，至少要包括壁板、梁、肋等結構，通過該試驗可驗證壁板強度分析方法、梁腹板開口強度分析方法與剩余強度分析方法，并獲得主翼盒的損傷容限性能。

（2）垂尾前緣典型段鳥撞試驗。典型段鳥撞試驗作為鳥撞驗證試驗的關鍵一環，垂尾前緣典型結構鳥撞試驗是必要和必需的，通過該試驗可驗證動力學分析方法和仿真參數，驗證鳥撞結構的合理性，為全尺寸級鳥撞試驗提供準確的試驗數據基礎。

除此，還包括閃電防護試驗、熱應力分析試驗、關鍵接頭連接試驗。

3.5 部件級試驗

部件級試驗一般為全尺寸級部件，是與實際產品完全一致的結構部件，是對前期試驗的最終驗證，是對適航符合性驗證最具說服力的證明。垂尾部件級試驗可規劃以下內容。

（1）垂尾與機身連接試驗。垂尾與機身的界面為垂尾的關鍵連接，垂尾全部的載荷均通過該處結構傳遞至機身，通過該試驗可驗證垂尾根部結構及其連接是否滿足靜強度要求，驗證垂尾根部結構及其連接靜強度分析方法。

（2）全尺寸垂尾前緣鳥撞試驗。在全尺寸鳥撞試驗中，通過前期鳥撞結構的選型和典型鳥撞試驗件結果，采用最優前緣構型的全尺寸前緣結構，并對其薄弱段進行鳥撞驗證試驗，驗證鳥撞分析結果和參數，考察所篩選出的最優構型是否滿足條款25.631的要求。

除此，還包括垂直安定面靜力和疲勞損傷容限試驗、方向舵靜力和疲勞損傷容限試驗。

除上述工程試驗外，相關制造部門還應根據產品結構特點和自身生產能力與經驗開展工藝研發試驗，如驗證固化參數，驗證長桁、壁板、梁等結構的制造方案，驗證梁緣回彈情況，驗證典型結構定位精度，驗證檢測方案和裝配方案等，以確保正式產品制造時的工藝可行性和穩定性。工藝研發試驗與工程研發試驗應并行開展，也可以交叉驗證，如在典型壁板的靜力學試驗中，可同時驗證長桁的制造工藝和細節參數的工藝性，以降低研發成本，節約資源。

4 積木式試驗矩陣設計原則

積木式試驗旨在建立基于計算機輔助工程（computer aided engineering,CAE）的試驗體系（包括標準、規范、方法、工具），通過分析和試驗等方式表明適航符合性。在進行復合材料的積木式試驗規劃時，總體上可遵循以下原則。

（1）積木式原則。復合材料試驗矩陣應嚴格按照積木式原則，以AC20-107B為依據進行積木式試驗規劃，按照復雜程度遞增的方式，從試樣級、元件級、典型結構件級、組合件級到全尺寸級遞進完善。

（2）完整性原則。復合材料試驗矩陣應確保矩陣的完整性，包括內容完整性、結構完整性、失效模式完整性、功能完整性、環境完整性等。

（3）有限目標原則?？紤]到復合材料試驗的規模、周期、成本及可實施性，按照試驗需求的輕重緩急，重點開展擬采用的材料、構型和工藝方法進行試驗。

（4）矩陣最小原則。提高試驗件的通用性，綜合考慮各專業的驗證需求，將試驗項目進行整合，并保持材料和結構的繼承性，以節省經費，縮短周期，提高效率。

（5）成本最低原則。在矩陣最小原則的基礎上，制造過程中充分利用現有工裝，并提高新制工裝的共用性，以降低成本。

（6）動態更新原則。在試驗過程中，隨著試驗數據積累和認知的提升，應適時對試驗矩陣進行動態更新，不斷完善試驗矩陣。

5 結語

復合材料結構的積木式驗證試驗是一個龐大的系統工程，涉及規劃、設計、制造、實施、驗證等各方面。對于新研發機型的垂尾部段來說，完整的積木式試驗將多達成千上萬件，從試樣級到部件級的數量依次減少，試驗難度依次增加，其驗證過程將直接決定適航審定的結果，因此復合材料的積木式驗證試驗從規劃、設計、制造、實施等方面綜合考慮，保證積木式試驗應具有系統性、完整性、嚴謹性和繼承性，試驗過程和結果的嚴謹性、準確性，以滿足復合材料結構的適航審定要求。