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航空复合材料强度技术的前世今生与未来发展

2020-07-15 18:00:04 中国航空新闻网 航空工业强度所

 

复合材料,顾名思义就是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观或微观上组成具有新性能的材料。目前,复合材料的应用愈发广泛,复合材料中碰到的强度问题也是日渐突显。今天,我们就来听强度君说一说复合材料的前世今生与强度博弈。

复合材料的前世今生

复合材料源于大自然,昆虫、鸟类等动物比人类更早地了解和应用了复合材料,如用泥土将植物秸秆粘接在一起构筑结实牢固的巢穴。而人类的复合材料应用同样也始于建筑,原始人利用动物的粪便、粘土、稻草和树枝等材料的混合结构来构建房屋。众所周知的古埃及金字塔,便是使用了石灰、火山灰等作粘合剂,混合砂石等作为砌料,这其实也就是最早最原始的颗粒增强复合材料。

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植物纤维泥土基复合材料燕窝

到了19世纪末,人类对于复合材料从无意识的感性向理性认识阶段发展,独木舟建造者尝试使用牛皮纸与紫胶粘合,制作纸层压板就是典型的代表。20世纪30年代合成树脂的出现更是推动了整个复合材料产业的发展,玻璃纤维和合成树脂的“复合产品”也被认为是现代复合材料的起点。

复合材料发展到今天,碳纤维树脂基复合材料为代表的先进复合材料已成为主流。先进复合材料由纤维增强体与基体组成,其中基体起到粘结、支撑、保护纤维的作用,常见基体材料有双马来酰亚胺、聚酰亚胺、环氧树脂等;纤维分布在基体中起到提高基体材料性能的作用,常见纤维增强体材料有碳纤维、玻璃纤维等。

随着复合材料技术的发展,航空飞行器复合材料的用量从最初的不足1%(DC-10),发展到现今的50%以上(波音B787,空客A350XWB)。复合材料的应用结构也由最初的次承力结构(襟副翼、方向舵、扰流板、起落架舱门等)发展到主承力结构(机身、机翼、尾翼、后承压框等)。目前复合材料的用量已成为衡量航空飞行器先进性的重要标志之一。

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飞行器复合材料用量的发展过程

复合材料的强度问题

先进复合材料由于其高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀及可设计性等诸多优点,被广泛应用于工程结构中,尤其是航空飞行器结构。与传统金属相比,采用复合材料可使结构减重20-30%。但是,世界上没有完美的材料,复合材料也不例外,在诸多环节中不断出现的问题以及因复合材料强度问题所引起的飞行事故,使得工程师们逐渐意识到,复合材料的研发之路还有很长的路要走。

航空复合材料的抗冲击性能差是其不可回避的问题,在受冲击后复合材料层间性能非常薄弱的缺陷暴露无遗,一旦出现分层损伤,则会对结构整体性能造成严重破坏。冰雹、雷击、鸟撞等使飞机结构受损从而导致飞机解体引发灾难性事故的案例不在少数。

相比较于飞行过程中高能量的瞬间冲击,日常使用、维修过程中的低能量冲击更令工程师感到头疼,事实上飞机复合材料部件最多的损伤恰恰就是在维护过程中各种碰撞、拆卸而产生的,比如维修人员身上掉落的扳手砸到结构表面造成的冲击损伤,这不经意的一瞬间足以造成内部的缺陷。而与高能量冲击不同的是,这种缺陷在外表面可能根本无迹可寻。而当你发现表面有勉强目视损伤时,可能结构内部已经受损严重,强度也骤降一半之多。

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复合材料冲击损伤与剩余压缩强度的关系

近年来,随着航空飞行器用途和使用环境的多样化,复杂极端天气,如高温、潮湿、浸润等对复合材料的影响变得愈发不可忽视。虽然复合材料中的纤维增强体对环境敏感度可以忽略,但是水分子可以通过基体扩散、纤维-树脂基体界面间的毛细作用渗透到结构中。这种“趁虚而入”的行为会降低其玻璃化转变温度,从而引起与基体密切相关的力学性能(如拉伸、压缩、层间剪切强度、挤压强度等)明显下降。因此复合材料结构必须考虑湿热环境联合作用下的强度问题。

大家最为熟悉的F-22等战斗机,由于超声速巡航需求,机身外表面长时间与空气高速摩擦产生高温,在机翼复合材料的选择上不惜使用韧性和抗冲击性能更差的双马来酰亚胺树脂基体,以获得260℃的最大工作温度。B787在发动机吊架等高温结构中,仍坚持选用钛、钢等材料。

另外,复合材料静强度和疲劳强度的分散性均高于金属,特别是疲劳强度尤为突出,因此在对复合材料结构进行疲劳验证时,除寿命分散系数外,有时还考虑载荷放大系数。

以上异于金属材料的特殊性能和特征,在力学性能表征、设计、结构强度评估与验证等方面给复合材料带来了一些特殊要求和强度问题。随着复合材料在飞机主承力结构中应用的不断扩大,这些强度问题也变得越来越突出。

复合材料的强度力量

航空工业强度所在复合材料强度领域有一支长期从事设计、分析与试验的专业团队。主要针对航空航天、轨道交通、车辆装备及工业建筑等领域的工程应用需求,围绕复合材料耐久性/损伤容限、稳定性、连接、积木式试验及轻质多功能复合材料结构等五个专业方向,开展基础理论、技术攻关以及前沿探索等科研工作,并承担相关验证任务。

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复合材料专业著作、试验标准等

作为国内复合材料飞机结构型号研制与预先研究积木式验证的中坚力量,完成了大量的典型构件、大尺寸构件及全尺寸部件的强度验证与评估工作,具有满足适航要求的积木式验证试验技术及分析能力。

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积木式验证体系

 

在理论分析方面,可开展复合材料连接传载特性与连接强度分析评估、连接区设计和试验规划与评定;复合材料构件、壁板和盒段等结构稳定性分析及后屈曲强度评估;含缺陷/损伤复材疲劳寿命预计与剩余强度分析;复合材料结构修理容限和修理方法分析,可维修性设计,修理结构强度/刚度/耐久性评估等方面的技术研究。

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复合材料结构强度分析

在试验能力方面,配备1kN-6000kN等不同规格的静力和疲劳试验机20余台,具备在低温(-80℃)、室温和高温(1200℃)等不同环境条件下进行材料及结构力学性能测试的能力。自主设计研发了平直壁板双向压缩试验平台、平直壁板压-剪复合试验平台、曲板(机身壁板)拉(压)-剪-气密载荷复合加载试验平台。并拥有一系列的多通道测控系统、非接触式全场变形测量系统等关键试验条件。测试技术与自主研制的试验夹具、装置能力已达国际先进、国内领先水平。

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壁板压-剪复合载荷试验装置

随着先进飞行器结构的发展,新设计方法、新材料/工艺/结构及自动化制造设备不断涌现,未来飞机结构呈现复合材料化、整体化、结构功能一体化的特点。复合材料在设计、制造、分析及试验等方面将面临巨大的挑战及机遇,同时随着更轻质、更节能、更高效、更绿色等理念的深度融合,也给复合材料的应用提出了更高的要求。

强度所复合材料结构强度专业将紧密围绕我国军民用型号飞机发展需求,着重解决复合材料在型号研制过程中遇到的强度瓶颈技术问题,以及面向未来先进飞行器的新材料、新工艺及新结构的强度基础技术问题。以探索复合材料强度理论、创造复合材料强度技术、提供复合材料强度工具、验证复合材料强度设计为使命,支撑低成本、国产复合材料产业化发展,进一步提升我国复合材料结构强度设计、分析与评估以及试验验证等方面的技术水平,为我国工业复合材料的发展持续提供澎湃的强度力量。

责任编辑:助理编辑 魏晨涛