复合材料全尺寸试验件引入损伤概述

2014-07-05王春寿

江苏科技信息 2014年14期

关键词：预埋冲击复合材料

王春寿

（上海飞机设计研究院强度设计研究部，上海 200232）

0 引言

由于复合材料优秀的力学性能和减重效果，越来越多的飞机结构尤其是民用飞机采用复合材料，而复合材料结构在制造和使用过程中都会产生缺陷或者损伤，这就要求在进行适航符合性验证时考虑到制造缺陷和使用过程中的损伤，使用过程中的损伤主要表现为冲击损伤。

本文阐述了飞机复合材料全尺寸试验件引入损伤的必要性，引入损伤的类型、损伤尺寸的确定、引入损伤的原则等并以现有机型的复合材料全尺寸试验件的引入损伤为例，形成了飞机复合材料全尺寸试验件损伤引入的方法。

1 引入损伤的必要性

首先，复合材料零件在制造和使用过程中产生的损伤或者缺陷不可避免，因此为了保证复合材料结构件在飞机服役期的安全就必须在复合材料全尺寸试验件中人为引入这些损伤，并且这也是适航规章和复合材料结构积木式试验验证方法的要求。其次，有助于在飞机生产制造过程中的超差处理以及维护文件中的ADL（Allowable Damage Limit允许损伤极限）的确定。

2 引入损伤的类型

复合材料全尺寸试验件的引入损伤分为2类：一类是在试验件制造过程中预埋，称为预埋缺陷；另一类是在试验前或者试验过程中引入，本文中将这类损伤称为后期引入损伤，主要体现为冲击损伤。本节将分别介绍预埋缺陷和后期引入损伤的类型以及各损伤类型对应的损伤容限要求。

2.1 预埋缺陷

复合材料全尺寸试验件预埋缺陷包括孔隙率、小的分层、脱胶、夹杂等，试验件中所含的预埋缺陷应该在全寿命期内不扩展，并且含预埋缺陷的结构具有极限载荷承载能力，如图1所示。复合材料全尺寸试验件中典型的预埋制造缺陷如表1所示。

2.2 后期引入损伤

复合材料全尺寸试验件后期引入损伤一般包括冲击损伤、大的划伤等，其中冲击损伤又分为BVID、VID和LVID。

根据表1，含有BVID损伤的复材结构在飞机寿命期内缺陷或者损伤必须是稳定的或者可控的，并且能够承受极限载荷；含有VID损伤的复材结构在其检查间隔内损伤必须是稳定的或者可控的，并且能够满足限制载荷的要求；含有LVID损伤的结构必须在损伤发生后的短时间内明显可检，并立即进行修理，受到损伤后的结构能满足限制载荷要求。

3 引入损伤尺寸的确定

3.1 预埋缺陷尺寸的确定

为了获得复合材料全尺寸试验件预埋缺陷的尺寸，需要开展的工作有：（1）收集各复合材料部件供应商前期生产的试验件缺陷易发生位置、大小等信息；（2）收集各复合材料部件供应商无损检测系统对各类制造缺陷的检查能力；（3）收集各复合材料部件制造验收条件中对制造缺陷的要求。

3.2 后期引入损伤尺寸的确定

图1 损伤类型与损伤容限要求示意

冲击损伤的确定需要前期对复合材料试验件不同位置进行不同能量的冲击，通过不同位置损伤的模拟试验确定冲击损伤的大小。目前国内外对冲击损伤的要求一般为：BVID损伤要求冲击损伤回弹后的凹坑深度不小于0.3mm，VID损伤要求冲击回弹后的凹坑深度不小于1.0mm。

表1 典型的预埋缺陷

4 损伤引入原则

4.1 预埋缺陷引入原则

飞机复合材料全尺寸试验件预埋缺陷的引入原则有：（1）预埋缺陷应尽可能地布置在易于发生制造缺陷的部位，如梁缘条圆角区，长桁三角填充区；（2）预埋制造缺陷应布置在结构危险细节处，并且与其他类型损伤对结构的响应不发生耦合影响；（3）预埋制造缺陷应位于结构上层间应力较大的厚度位置；（4）由于在试验过程中需要监控缺陷的状态，因此预埋缺陷的位置应便于检测。