民用飞机复合材料垂尾积木式试验研究

葛春生，魏士礼

（中航沈飞民用飞机有限责任公司 辽宁 沈阳 110000）

0 引言

随着科技的不断进步，材料技术得到飞速发展，其中先进复合材料的发展尤为突出。大型民用客机的材料应用也逐步由以金属材料为主的结构形式逐步发展成以复合材料为主要材料。美国波音公司第一代民用客机B707的复合材料用量为0，20世纪六、七十年代，先进复合材料在民用飞机上的用量仅为1%～3%，金属材料占绝对主导地位。经过50多年的发展，如今B787梦想飞机上所用的铝合金仅占20%，先进复合材料的用量高达50%[1]，空客新一代客机A350的复合材料用量甚至达到52%[2]。我国复合材料在民用飞机上的应用起步较晚，直到近些年随着大飞机项目的启动和发展，才带动了复合材料在民用飞机上的应用，在我国最新一代宽体客机CR929飞机的复合材料用量也有望达到50%左右。

由于复合材料相比传统金属材料的特殊性，以复合材料为主的结构部件所要进行的试验要远比以金属材料为主的飞机所进行的试验多得多，这就要求飞机研制过程中严格按照复合材料符合性验证的流程开展相关试验验证工作。

1 复合材料的适航审定基础

民用飞机在设计过程中要满足适航要求，国际上采用的各适航规章中对材料的审定也做出了相关要求和规定。以中国适航规章CCAR25部为例，从材料角度要满足第25.603条款的要求，从结构强度角度要满足25.613的要求[3]。

适航条款提出了复合材料在飞机结构设计中必须满足的原则，但并未提供如何证明复合材料满足这些原则的方法。目前在实际验证中一般遵循美国联邦航空管理局（FAA）于2009年9月修订颁布的AC20-107B《复合材料结构》，该咨询通报是在1984年4月25日颁布的AC20-107A“复合材料飞机结构”基础上进行升级的修订版，是目前有关复合材料适航审定的一份较系统、完整的文件，从材料与制造、静力、疲劳和损伤容限验证等方面提出了具体要求和指导规范，进一步明确和推荐了复合材料在民机上应用的适航审查技术、程序要求和工作指南，是飞机复合材料结构可接受但非唯一的适航验证方法。

该通报建议复合材料结构验证采用“积木式方法”[4]，将飞机研制过程中的试验验证环节根据试验件尺寸的大小划分成试样级、元件级、次组件级、组件级和全尺寸级5个级别的试验，见图1。采用该方法可以减小试验风险和降低成本，同时使得复合材料设计和适航审定规范化，是目前在复合材料飞机结构研制中普遍采用的验证方法。

积木式试验从设计和制造角度分为工程研发试验和工艺试验，两种试验在飞机研发过程中并行开展，相辅相成。本文以民用飞机复合材料垂尾结构为例，探索规划工程研发试验的积木式验证试验的规划方法。

2 复合材料垂尾结构概述

大型民用飞机复合材料尾翼通常由垂直安定面和方向舵组成，垂直安定面又由前缘、主盒段和后缘等结构组成，除部分肋、接头等结构外，其余结构均可采用复合材料结构。

垂尾主盒段一般采用双梁多肋的结构形式，由壁板、前/后梁和翼肋组成，除端肋外，其余均可采用复合材料结构。翼盒壁板采用整体加筋设计，整个翼盒通过壁板根部的金属对接接头与后机身连接。

前缘采用前缘舱和可卸前缘的结构形式，主要起到维持外形和抗鸟撞的作用，其中前缘蒙皮和前缘舱壁板均可采用复合材料蜂窝夹芯结构。

后缘结构主要用于悬挂方向舵并为系统管路等提供空间，其中后缘舱壁板主要用于维持气动外形，通常采用蜂窝夹芯结构。

升降舵作为次承力结构，可采用典型的夹芯壁板与单梁疏肋的结构形式，其中梁、壁板、肋等均可采用复合材料结构。

垂尾典型结构示意图见图2。

3 垂尾积木式试验规划

复合材料积木式试验的工程试验主要是确定典型结构形式、构型、参数定义和细节结构与连接结构的尺寸定义，并验证典型结构强度分析方法。

复合材料积木式试验方法主要从试样级、元件级、次组件级、组件级和全尺寸级5个级别进行验证。以复合材料垂尾为例，积木式试验应对以下试验内容进行规划。

3.1 试样级试验

试样级试验为材料强度相关试验，主要研究材料基础性能、数据库建立，如材料许用值、层合板疲劳门槛值、损伤特性等。垂尾试样级试验至少应包括以下几种。

（1）材料鉴定试验。该试验针对选用的复合材料，对相应材料规范中所规定的物理性能和力学性能等指标进行验证，确认选用的材料满足CCAR25.603的要求。

（2）设计许用值试验。该试验属于验证类试验，作为CCAR25.613条款验证重要依据。试验考虑两种高温湿态环境及一种低温干态及室温干态影响，材料应包含所有使用的材料以及修理材料。

（3）疲劳门槛值试验。该试验用于确定层板结构损伤无扩展的载荷/应变门槛值，并研究低载截除限，用于积木式试验中其他试验中对谱载低载情况进行截除。疲劳门槛值试验是CCAR25.571条款验证的重要依据。

（4）典型连接设计值试验。该试验用于获得层板机械连接设计许用值，并获得工程中部分超差的处理所需的数据，如加垫、沉头过深等。

（5）典型层板损伤特性试验。该试验考虑复合材料壁板蜂窝夹心板在不同能量冲击下获得的自BVID至VID的4种不同程度的损伤。

除此，还包括材料动态力学性能试验（鸟撞）、层板厚度超差影响试验、层板褶皱影响试验、蜂窝缺陷影响试验、蜂窝脱粘影响试验。

试样级试验是验证复合材料力学性能的基础试验，直接关系到强度分析和优化的结果，为保证复合材料结构的安全性，需对材料级试验进行多个批次、多个炉次的试验[5]。

3.2 元件级试验

元件级试验主要验证典型结构特征的强度特性和数据库的建立。在试验实施过程中应针对垂尾的结构形式和结构特征来规划试验，对于典型的双梁多肋复合材料垂尾结构，可规划有关长桁、梁、肋等结构的元件级试验，如长桁细节压缩、长桁剖面选型等。垂尾元件级试验主要包括以下几种。

（1）长桁压损试验。该试验作为长桁类零件的基础试验，通过该试验可获得期望的长桁失效模式；获得长桁压损载荷，验证工程算法保守性；获得BVID对长桁压损强度的影响因子；获得环境影响因子。

（2）梁缘条压损试验。该试验作为梁类的基础试验，通过该试验可获得期望的梁缘条失效模式；获得梁缘条压损载荷，验证工程算法保守性；获得预埋缺陷对梁缘条压损强度的影响因子；获得环境影响因子。

（3）长桁截止端强度试验。长桁截止端为壁板典型细节，该处结构不连续，易产生面外载荷，导致结构提前发生细节破坏，为研究长桁端头的这些设计细节，开展长桁截止端试验，应包括静强度试验和疲劳损伤容限试验等试验内容。

（4）曲梁4点弯试验。该试验为梁类零件必要的基础试验，通过该类试验可获得期望的失效模式；获得层间拉伸强度许用值；获得环境影响因子；获得预埋缺陷对层间拉伸强度的影响因子。

（5）V型缺口梁剪切试验。该试验为梁类零件必要的基础试验，通过该试验可获得期望的失效模式，获得层间剪切强度。

（6）典型连接结构面外拉伸试验。垂尾梁和肋均与蒙皮连接，为验证梁、肋的R区性能，应进行梁、肋与蒙皮面外拉伸试验。通过该试验可获得期望的失效模式；获得R角承载能力，验证工程算法的保守性；获得环境影响因子；获得疲劳后试验件的剩余强度等。

除此，还包括R区厚度超差影响试验、铺层递减研发试验、金属/复材连接试验（热应力）、典型层板修理参数试验、蜂窝层板损伤试验。

有关试样级和元件级的材料试验，美国材料与试验协会标准ASTMD30中对各类材料试验的方法、过程、设备、数据处理等做了详细的介绍，是该类试验的主要参考依据[6]。

3.3 典型结构件级试验

典型结构件级试验用于验证典型结构特征或细节特性，如典型结构的连接、结构选型等，垂尾典型结构件级试验可规划以下内容。

（1）壁板加筋形式选型试验。该试验用于选择壁板加筋的截面形式（如T型和工型）、蒙皮与长桁的固化连接形式、长桁间距和数量、铺层组合等。

（2）加筋壁板力学性能试验。加筋壁板力学性能试验用于验证不同加筋壁板的轴压、压剪等力学性能，验证壁板静强度分析方法与剩余强度分析方法，并验证壁板的疲劳损伤特性。

（3）夹层结构芯材选型试验。该试验用于对夹层板结构采用蜂窝、泡沫不同芯材在重量、成本、维修、工艺性等方面的验证和对比，选择更为合理的夹层板结构形式。

（4）梁腹板开口试验。该试验用于验证梁腹板开口的形状尺寸、强度分析方法和不同补强方式性能，如插层补强和加强支柱补强等。

除此，还包括电流传导试验、典型结构允许损伤试验、典型结构可修理损伤试验、筋壁板修理验证试验。

3.4 组合件级试验

组合件级试验是能够反映部段特征的典型组合件，如典型盒段、壁板等，通过组合件级试验能进一步验验证典型部段的性能和特征，验证强度分析方法。垂尾组合件级试验可规划以下内容。

（1）典型盒段试验。该试验件应反映主翼盒的设计特征和参数，至少要包括壁板、梁、肋等结构，通过该试验可验证壁板强度分析方法、梁腹板开口强度分析方法与剩余强度分析方法，并获得主翼盒的损伤容限性能。

（2）垂尾前缘典型段鸟撞试验。典型段鸟撞试验作为鸟撞验证试验的关键一环，垂尾前缘典型结构鸟撞试验是必要和必需的，通过该试验可验证动力学分析方法和仿真参数，验证鸟撞结构的合理性，为全尺寸级鸟撞试验提供准确的试验数据基础。

除此，还包括闪电防护试验、热应力分析试验、关键接头连接试验。

3.5 部件级试验

部件级试验一般为全尺寸级部件，是与实际产品完全一致的结构部件，是对前期试验的最终验证，是对适航符合性验证最具说服力的证明。垂尾部件级试验可规划以下内容。

（1）垂尾与机身连接试验。垂尾与机身的界面为垂尾的关键连接，垂尾全部的载荷均通过该处结构传递至机身，通过该试验可验证垂尾根部结构及其连接是否满足静强度要求，验证垂尾根部结构及其连接静强度分析方法。

（2）全尺寸垂尾前缘鸟撞试验。在全尺寸鸟撞试验中，通过前期鸟撞结构的选型和典型鸟撞试验件结果，采用最优前缘构型的全尺寸前缘结构，并对其薄弱段进行鸟撞验证试验，验证鸟撞分析结果和参数，考察所筛选出的最优构型是否满足条款25.631的要求。

除此，还包括垂直安定面静力和疲劳损伤容限试验、方向舵静力和疲劳损伤容限试验。

除上述工程试验外，相关制造部门还应根据产品结构特点和自身生产能力与经验开展工艺研发试验，如验证固化参数，验证长桁、壁板、梁等结构的制造方案，验证梁缘回弹情况，验证典型结构定位精度，验证检测方案和装配方案等，以确保正式产品制造时的工艺可行性和稳定性。工艺研发试验与工程研发试验应并行开展，也可以交叉验证，如在典型壁板的静力学试验中，可同时验证长桁的制造工艺和细节参数的工艺性，以降低研发成本，节约资源。

4 积木式试验矩阵设计原则

积木式试验旨在建立基于计算机辅助工程（computer aided engineering,CAE）的试验体系（包括标准、规范、方法、工具），通过分析和试验等方式表明适航符合性。在进行复合材料的积木式试验规划时，总体上可遵循以下原则。

（1）积木式原则。复合材料试验矩阵应严格按照积木式原则，以AC20-107B为依据进行积木式试验规划，按照复杂程度递增的方式，从试样级、元件级、典型结构件级、组合件级到全尺寸级递进完善。

（2）完整性原则。复合材料试验矩阵应确保矩阵的完整性，包括内容完整性、结构完整性、失效模式完整性、功能完整性、环境完整性等。

（3）有限目标原则。考虑到复合材料试验的规模、周期、成本及可实施性，按照试验需求的轻重缓急，重点开展拟采用的材料、构型和工艺方法进行试验。

（4）矩阵最小原则。提高试验件的通用性，综合考虑各专业的验证需求，将试验项目进行整合，并保持材料和结构的继承性，以节省经费，缩短周期，提高效率。

（5）成本最低原则。在矩阵最小原则的基础上，制造过程中充分利用现有工装，并提高新制工装的共用性，以降低成本。

（6）动态更新原则。在试验过程中，随着试验数据积累和认知的提升，应适时对试验矩阵进行动态更新，不断完善试验矩阵。

5 结语

复合材料结构的积木式验证试验是一个庞大的系统工程，涉及规划、设计、制造、实施、验证等各方面。对于新研发机型的垂尾部段来说，完整的积木式试验将多达成千上万件，从试样级到部件级的数量依次减少，试验难度依次增加，其验证过程将直接决定适航审定的结果，因此复合材料的积木式验证试验从规划、设计、制造、实施等方面综合考虑，保证积木式试验应具有系统性、完整性、严谨性和继承性，试验过程和结果的严谨性、准确性，以满足复合材料结构的适航审定要求。