民用飞机复合材料设计许用值试验矩阵设计

时间：2024-07-28

王春寿，张冠彪，刘衰财

(中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海 201210)

复合材料有着传统金属材料无法比拟的优势，如比强度高、比刚度高、可设计性强、疲劳性能好等，复合材料在民用飞机结构中的应用逐年攀升。复合材料在机体结构中的比例已成为衡量商用飞机先进性的重要指标之一[1-4]。

民用飞机复合材料结构的设计许用值是AC20-107B建议的复合材料结构积木式验证试验的重要组成部分，是复合材料结构设计的基础，是复合材料结构符合CCAR-25-R4 25.613条款的试验依据[5-6]。

矩阵设计是决定复合材料设计许用值试验工作思路的基础，试验矩阵设计涉及的主要内容有试验项目、试验方法、试验数量、试验件铺层、设计许用值影响因素(以下简称影响因素)。本文基于笔者参与的民用飞机复合材料设计许用值试验工作，提出民用飞机复合材料设计许用值试验矩阵设计方法，为后续民机型号的复合材料设计许用值试验工作提供参考。

1 复合材料设计许用值与民机型号研制

复合材料设计许用值用于民机型号复合材料结构的强度分析，在初步设计阶段、详细设计阶段以及型号适航符合性验证阶段，均需要设计许用值作为输入，如图1所示。因此复合材料设计许用值在民机型号研制中的地位不言而喻，并且在型号研制的不同阶段对设计许用值的需求也不尽相同：初步设计阶段，需求为基础的复合材料设计许用值，包含材料的许用值、典型铺层的设计许用值，性能一般包含无缺口拉伸/压缩强度、开孔拉伸/压缩强度、充填孔拉伸/压缩强度、面内剪切强度、连接挤压强度、冲击后压缩强度，以研发试验的形式开展设计许用值试验工作；详细设计阶段和符合性验证阶段，需求为完整的复合材料设计许用值，包含结构设计特征以及强度分析方法的每一个输入，在这一阶段以研发试验和符合性验证试验相结合的形式开展。

图1中还包含开展复合材料设计许用值工作的前置条件，在初步设计阶段为预批准的材料规范、工艺规范以及结构初步设计方案；在详细设计阶段则为正式批准的材料规范、工艺规范和结构详细设计方案。

2 民机复合材料设计许用值试验矩阵

复合材料设计许用值试验矩阵中包含的要素有试验项目、试验方法、试验数量、试验件铺层、影响因素等，本文从这几个方面对复合材料设计许用值试验矩阵规划进行详细的阐述。

2.1 试验项目

复合材料设计许用值试验项目主要依据强度分析方法确定。常用的复合材料结构设计许用值试验项目与分析方法的对应关系见表1。

表1中，0°拉伸代表单向带0°或者织物经向的拉伸强度与模量试验；0°压缩代表单向带0°或者织物经向的压缩强度与模量试验；90°拉伸代表单向带90°或者织物纬向的拉伸强度与模量试验；90°压缩代表单向带90°或者织物纬向的压缩强度与模量试验；±45°面内剪切表示材料的面内剪切试验；UNT、UNC、IPS分别代表层板的无缺口拉伸、无缺口压缩和面内剪切试验；OHT、OHC分别代表层板的开孔拉伸与开孔压缩试验；ILS、ILT代表层板层间剪切和层间拉伸试验；FHT、FHC分别代表层板充填孔拉伸与充填孔压缩试验；BRS代表连接挤压强度试验，BBP代表挤压旁路试验，PT代表紧固件拉脱试验；CAI代表冲击后压缩试验； SCS、SFT、SFC代表夹层结构芯材剪切、平拉和平压试验；GIC、GIIC代表断裂韧性试验。

图1 复合材料设计许用值与民用飞机型号研制的关系

表1 复合材料结构设计许用试验项目与分析方法

2.2 试验方法

目前，国内民用飞机复合材料设计许用值试验方法一般采用SACMA(suppliers of advanced composite materials association)推荐的试验方法和ASTM标准。表1中试验项目所涉及的试验标准见表2[7-8]。

2.3 试验数量

为保证复合材料结构的安全性，需要对材料级的许用值和层板级的设计许用值进行多个批次、多个炉次(一般为2个炉次)的试验。这些试验数据需要经过正则化、异常数据分析，并进行统计分析，从而确定具有一定置信度和可靠度的性能表征值和设计许用值，复合材料一般采用B基准值[5,8]。

复合材料设计许用值试验数量与所采用的B基准统计方法相关，目前主要采用的B基准统计方法主要有CMH-17G第1卷中提到的单点法和多环境样本合并方法，B基准统计中将数据划分为2类:结构型数据与非结构型数据。统计非结构型数据的B基准值时，要求至少有3个批次的数据，而统计结构型数据一般采用ANOVA 方法，当批次较少时，ANOVA方法只能获得极保守的基准值，CMH-17G不推荐在少于5批次的情况下采用ANOVA方法[8]。

目前，国内民用飞机领域复合材料的应用经验缺乏，且复合材料许用值和设计许用值的数据较少。因此，结合分析方法对试验数据量的需求，推荐复合材料主结构设计许用值试验采用5个材料批次2个固化炉次，每个炉次3件的试验数量，即“5×2×3”；对于次承力结构，如垂尾前缘、平尾前缘等结构，推荐采用“3×2×3”的试验数量。无论是“5×2×3”还是“3×2×3”均考虑了材料分散性、工艺分散性和试验分散性的影响。

2.4 试验件铺层

复合材料设计许用值试验件铺层的确定方法一般有以下3种。

1)选取结构的实际铺层：适用于铺层类型较少的复合材料结构，例如副翼、翼梢小翼。

2)以覆盖实际铺层的方式选取：对于铺层类型繁多的复合材料结构，选择能够包络结构实际铺层的典型铺层比例进行设计许用值试验，通过线性回归的方式确定实际铺层的设计许用值。

3)覆盖与实际相结合：采用上述两种方法的结合，能更好地规划设计许用值的试验，在初步设计阶段以覆盖实际铺层的方式选取，在详细设计阶段以选取结构中关键部位或受力严重部位的铺层比例和采用较多的铺层比例来设计许用值试验，同时也能验证通过线性回归方式确定的设计许用值是否合理有效。

2.5 影响因素

复合材料结构设计许用值的影响因素一般包括环境(温度、湿度)、偏轴(载荷方向)、厚度、孔径、宽度、紧固件类型、端距、加垫、制造缺陷、冲击损伤。

环境影响一般通过对试验件进行加温、降温以及吸湿来实现，试验的典型温度、湿度条件包括高温高湿、常温干态、低温干态等。高温一般采用71℃、82℃，常温为23℃，低温为-55℃，试验件的吸湿方法为：将试验件放置于63℃±3℃和85%±5%相对湿度的环境箱中，直至试验件达到吸湿平衡[9]。

对于环境影响，在试验矩阵中一般以常温干态为基准，进行5个批次的完整试验，而对于低温和高温环境一般只进行1个批次的试验，通过高温(低温)与常温试验结果的均值对比来评估环境的影响，基准铺层的严酷环境会考虑进行3个批次的试验，试验矩阵中典型的环境条件为低温干态(CTD)、常温干态(RTD)、高温干态(ETD)以及高温湿态(ETW)。

偏轴影响通过偏转试验件的铺层角度来实现，考虑到严酷情况，一般偏转22.5°。厚度的影响通过保持铺层比例不变，将试验件的铺层减少一半或增加一倍的形式来实现，经验表明厚度对性能几乎无影响。孔径的影响需要保持宽径比不变、改变试验件的孔径和宽度实现。宽度的影响需保证孔径不变，改变试验件的宽径比来衡量。复合材料设计许用值试验需考虑的紧固件类型有凸头紧固件、100°沉头、130°沉头、高锁螺栓、单面抽钉。对于连接试验件还需考虑加垫对于设计许用值的影响。

制造缺陷在复合材料结构中不可避免，设计许用值试验中需要考虑制造缺陷对于性能的影响，一般通过制造折减系数(manufacturing lnocked down factor)来衡量。

偏轴、厚度、孔径、宽度、紧固件类型、端距、加垫、制造缺陷对于性能的影响一般只进行1个批次的试验，通过均值对比来评估上述因素的影响。

3 试验矩阵设计示例

本节将通过国内某型民用飞机的具体案例结合第2节论述的试验矩阵的构成要素，详细介绍民用飞机复合材料设计许用值试验矩阵的设计方法，试验方法见表2。

3.1 材料级试验矩阵

材料级的力学性能试验项目一般包含：0°拉伸、压缩，90°拉伸、压缩，±45°面内剪切。试验矩阵中通常考虑材料批次、工艺分散性和环境的影响，试验矩阵见表3。试验件构型参照试验标准，本文不再详述，表中30代表“5×2×3”，表中18代表“3×2×3”，6代表“1×1×6”，下同。

表中环境仅以CTD、RTA、ETW作为示例，对于拉伸试验，CTD通常为严酷环境，对于压缩试验，ETW通常为严酷环境，表3中对于严酷环境采用了“3×2×3”的模式，对于严酷环境的试验数量，“1×1×6”的模式也可接受，即1个材料批次1个固化炉次每炉6件试验件也可接受，因为材料批次、工艺分散性的影响在RTA环境中已有考虑。