民机复材搭接壁板试验技术研究

朱杰+魏宏艳

摘 要：针对民机复材纵向搭接壁板进行了耐久性和损伤容限试验，为验证纵向搭接分析方法提供试验依据，同时，评定结构承受BVID、VID以及离散源损伤的能力，验证结构的剩余强度。

关键词：民机；复材；搭接；壁板；试验

中图分类号：V257 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）03-0010-03

Abstract： The durability and damage tolerance tests were carried out for the longitudinal lap panel of civil aircraft， which provided the test basis for verifying the longitudinal lap analysis method and at the same time. The ability of the structure to withstand BVID， VID and discrete source damage was evaluated to verify the residual strength of the structure.

Keywords： civil aircraft； overlay； lap joint； panel； experiment

引言

在总结以往飞机设计经验和断裂力学学科发展的基础上，设计人员发现，损伤容限高能够增加飞机结构的安全性，该技术是70年代中期以飞机设计规范形式确定下来的一种新的设计和评定方法[1]。该方法以无损检验技术和断裂韧度的测量技术为手段，以有初始缺陷或裂纹零构件的剩余寿命估算为中心，以断裂控制为保证[2]。损伤容限要求蒙皮壁板含目视勉强可见冲击损伤（BVID）时，蒙皮壁板应能承受100%设计限制载荷（DUL）；内部骨架和桁条含有最大不超过27J的冲击损伤时，应能承受100%DLL；蒙皮壁板含目视可见冲击损伤（VID）时，应能承受100% DLL；蒙皮壁板含有像主发动机破坏后可能遇到的离散源损伤或切断一根桁条及其相邻的蒙皮跨时，蒙皮壁板应能承受70%的DLL[3]。

本文引入BVID、VID和离散元损伤进行了复材纵向搭接壁板剩余强度试验和疲劳试验，验证结构的剩余强度。

1 试件损伤引入

冲击损伤试验采用直径Φ16mm半球形冲击头，冲击点位置见图1和图2。冲击点A、A1、B、C和C1位于蒙皮外表面，其中，冲击点A与A1相对于2号框对称，冲击点C与C1相对于4号框对称，冲击点D位于蒙皮内侧的帽型长桁上。离散源损伤的引入是在图2中线段L所示位置，将试验件完全切断。

2 加载方法

在疲劳试验中，试件上施加等幅载荷，引入BVID和VID后，循环载荷的客舱压差包括：循环载荷的最大压差；循环载荷的最小压差；应力比为R=0.06。用于剩余强度试验的客舱压差为1.15倍最大压差。

试验加载方式采用充压载荷。将气囊与试件粘贴在一起，采用密封胶进行密封。用自行研制的充气系统充气，气压由压力表观察压力传感器作为气压载荷的传感元件；把压力传感器接入MooG-64自动协调加载设备。充压控制精度优于1%。充压的频率为2次/分钟～5次/分钟。

3 损伤容限试验

3.1 试验过程

（1）引入BVID的疲劳试验：首先在预定位置上对试验件引入BVID，然后对试验件施加2倍经济寿命（180000次飞行循环）的载荷谱，最后进行剩余强度试验；（2）引入VID的疲劳试验：首先在预定位置上对试验件引入VID，然后对试验件施加2倍检查间隔的载荷谱，最后再做一次剩余强度的静力试验；（3）离散源损伤试验：对试验件引入离散源损伤，然后施加一倍最大压差。

各项损伤容限试验均按以下程序进行：（1）30%循环载荷最大压差DPmax预试试验：以每级10%循环载荷最大压差DPmax为级差加载至30%循环载荷最大压差DPmax，然后卸载，并逐级测量应变；（2）100%循环载荷最大压差DPmax预试试验：以每级10%循环载荷最大压差DPmax为级差加载至50%循环载荷最大压差DPmax，再以5%循环载荷最大压差DPmax为级差加载至100%循环载荷最大压差DPmax后卸载，并逐级测量应变；（3）疲劳试验：对试件施加等幅载荷，进行疲劳试验。

3.2 试验检查

在整个试验过程中，要有“停机”时间供质量控制，检查试验件损伤和变形情况。在每次“停机”检查时，由专人对试验件进行检查。如果检查到了任何损伤扩展或新的损伤，应测量、记录损伤尺寸和扩展程度，并进行纤细记录。在循环加载结束之后和剩余强度试验之前，需要确定、测量并记录试验件的受损程度。为了检查到BVID、VID的损伤扩展程度，所有损伤都要周期性的定时检查。检查的频率应确保能够获得足够的信息来反映损伤扩展程度。

试验采用三级检查：一级检查方法是一般目视检查辅以无损检测需要停止试验。在载荷循环重新开始之前，所有的轴承、紧固件、紧固件孔、试验件和试验夹具的每一个部位都需要进行一般目视检查；要对试验件对接区、BVID部位、VID部位及试件表面进行无损检测。进行检查时不能拆卸试验件；二级检查方法是详细目视检查时要停止试验。所有的轴承、紧固件、紧固件孔以及试验件的搭接区都要进行检查；三级检查方法是每2，000次循环要进行一次一般外部目视检查。检查时，试验件留在原来位置（试验台上）。试验件和试验夹具的所有易接近部位都要被检查。

4 试验现象

冲击损伤引入结果见表1，损伤容限试验过程中的现象见表2，试验测试曲线见图3。

5 试验结果分析

5.1 耐久性与损伤容限试验

试验件在引入BVID后依序通过两倍寿命耐久性试验及2倍压差的剩余强度试验，在两次1.15倍压差的剩余强度试验和疲劳试验过程中引入的损伤未扩展且未出现新的损伤，但在2倍压差的剩余强度试验后在4框与5框间第二长桁上发现一处蒙皮与长桁脱粘损伤，编号为D1，尺寸为60mm×18mm，见图4。在引入VID后通过2倍检查间隔损伤容限试验及1.15倍压差的剩余强度试验，原有损伤未扩展且未出现新的损伤。

5.2 离散源损伤

损伤形态见图5，在随后的1倍压差的剩余强度试验过程中，压力加到90%压差时有较大响声。试验后进行无损检测，所有损伤未扩展且未出现新的损伤。

6 结论

试验件及夾具安装、加载系统安装、测量系统安装、试验控制系统经全面检查合格，测量和试验设备经检定/校准合格，并在使用期限内，载荷控制误差均小于1%。试验过程检测的试验数据真实，试验结果可靠、有效。

根据试验结果，可以得到以下结论：

（1）试验件在引入BVID后依序通过1倍压差的两倍寿命耐久性试验及2倍压差的剩余强度试验，在两次1.15倍压差的剩余强度试验和疲劳试验过程中引入的损伤未扩展且未出现新的损伤，但在2倍压差的剩余强度试验后在4框与5框间第二长桁上发现一处蒙皮与长桁脱粘损伤，尺寸为60mm×18mm。

（2）试验件在引入VID后通过1倍压差的2倍检查间隔损伤容限试验及1.15倍压差的剩余强度试验，原有损伤未扩展且未出现新的损伤。

（3）试验件在引入离散源损伤后通过1倍压差的剩余强度试验验证，离散源损伤与其余损伤均未扩展。

参考文献：

[1]郑晓玲.民机结构耐久性与损伤容限设计手册[M].北京：航空工业出版社，2003.

[2]赵少汴.损伤容限设计方法和设计数据[J].机械设计，2000（5）：4-7.

[3]沈真，柴亚南，杨胜春，等.机翼结构用复合材料的力学性能要求[J].航空制造技术，2010（1）：44-48.endprint