民用飞机复合材料结构“积木式”验证试验规划探讨

季文，刘久战，范坤

民用飞机复合材料结构“积木式”验证试验规划探讨

季文，刘久战，范坤

（航空工业西飞复合材料制造技术研究所，陕西 西安 710089）

随着民用飞机上复合材料结构所占比例的不断增加，复合材料结构适航审定的技术研究也越来越重要。结合复合材料零件本身所具有的特性以及前期适航审定中出现的典型问题，阐述了复合材料结构适航验证中至关重要的“积木式”试验方法的计划流程制定、内容规划以及现有机型成功案例，为民机研制中复合材料结构的适航审定提供帮助。

“积木式”试验；复合材料；民机研制；试验规划

先进的复合材料结构占飞机结构总量的比例在某种程度上成为评价飞机性能的重要性能指标，对民用飞机的经济性能有更大影响。先进复合材料结构的研制成功和扩大应用，需要设计、材料和制造人员各方面的协同努力，可以用“设计是主导、材料是基础、制造是关键”来描述三者的作用和相互关系。开发复合材料设计、材料及工艺新技术已成为新一代飞机研制中的一项关键技术。

复合材料作为飞机研制中新兴的材料体系，同样需要达到传统的金属结构初次使用时的安全水平才能真正得到应用。当研制团队准备制造复合材料结构部件时，一般会对使用性能有预期的评估，然后通过试验或计算分析的手段来验证复合材料构件结构使用性能及耐久性等。通过试验和分析相结合，用试验来验证分析的结果，用分析来指导试验的计划，既降低了整个试验费用，又增加了结构的可靠性。在航空器设计过程中，通常不能采用简单试样的试验数据来预计复杂结构件或部件的力学性能。通常采用“积木式”方法进行试验验证。由于复合材料对面外载荷的敏感性、破坏模式的多样性、环境影响的严酷性，试验数据的较高分散性以及缺乏标准的分析方法，“积木式”方法通常被认为是复合材料结构认证/合格审定必不可少的。

“积木式”方法通常分为试样试验、元件试验、结构细节试验、次部件试验和全尺寸结构试验积木块。其基本原理是以支持技术为保障，考虑各项设计要求，按照试验件尺寸和规模、环境复杂程度逐级增加、数量逐级减少，后一级直接利用前一级所得的材料/结构相应结果进行试验与分析，以积累认知、深化认知，形成低技术风险、低费用的复合材料设计研制和验证/审定技术体系。其目的是能在研制计划进程早期更有效地评定设计研制技术风险，降低全尺寸试验出现重大风险的概率。

本文就针对民机飞机复合材料结构设计过程对零件积木式验证试验规划进行探讨。

1 复合材料结构适航审定中的新问题

根据复合材料的使用经验，复合材料层合结构对环境因素、重复加载和外来物冲击等敏感，且破坏模式具有不确定性并缺乏规律性，这些特点使得复合材料结构在适航审定中出现了一系列与金属结构不同的新问题[1]，具体如下：①需高度重视材料、制造控制和制造实施。材料规范与工艺规范是用来控制复合材料性能变异性的方法，因此，材料和/或工艺任何一种发生变更，结构性能都需要重新审定。②材料和工艺偏差、环境因素、重复加载、允许的缺陷和损伤以及维修不当等均可引起复合材料性能下降，结构设计和合格审定时必须充分考虑这些因素。③构型几何不连续和材料不连续等引起的高度应力集中，使细节设计成为复合材料结构设计的关键和合格审定的重点。④结构胶接通常更需要关注胶接工艺细节，螺栓连接也是薄弱环节。⑤外来物冲击损伤是复合材料结构损伤容限设计主要考虑的损伤形式，是结构完整性的主要威胁因素。⑥热问题包括固化、热应力受温度影响导致性能下降等，在设计和验证中需重视。⑦采取闪电防护措施，并进行闪电防护验证。

结合复合材料零件结构验证中出现的诸多问题，加之适航审定条款在民机研制过程的严肃性，这就再一次强调了民机研制中复合材料结构采用“积木式”方法开展验证的必要性。

2 “积木式”试验计划的流程

在复合材料结构研发过程中，需制定“积木式”试验计划。它是申请人适航符合性验证的重要组成部分，也是适航当局合格审定的重要方面。在制定“积木式”试验计划时，采用大量低成本的小试样试验，只需要少量较贵的子部件和全尺寸试验件，这可达到投资的高效率。并且，可在复合材料结构研制过程中，早期更有效地评估技术风险。复合材料结构设计成功与失败的风险程度取决于积木式计划。对于新材料和新工艺，需要对积木式方法的每个层级进行必要而充分的评价。

“积木式”试验计划的典型流程如图1所示。在初步设计中，采用小的试样和元件试验，来确定基本的材料无缺口静力性能、一般的缺口敏感性、环境因子、材料工作限制以及层合板的疲劳响应。通过这一部分的试验和统计分析，提供第一轮的设计和计算分析数据，包括确定材料分散系数和材料许用值，评价材料和元件的失效模式以及初步的层合板分析，并同时确定结构外载荷和给出初始尺寸。

图1 “积木式”试验计划的典型流程

在图1的第二部分中，采用由第一部分给出的数据来计算内力、识别关键区域，并预计关键失效模式。设计更复杂的元件和组合件，来验证分析结构和失效模式。对于更复杂的试件，将用来分析和验证更加复杂的静力和疲劳情况，特别注意评定面外载荷及识别未预料到的失效模式，还将处理尺寸效应和结构响应问题。积木块的最后一个层级是全尺寸结构的静力和疲劳试验，全尺寸试验用来验证所分析的结构内力、变形和失效模式，并验证从未出现过的未预料到的重大次级载荷。

实际上在复合材料结构的研制过程中，可能会采用初步的、估计的设计许用值来完成零件、元件以及组合件的初步设计分析。并在得到设计许用值前，就已经完成了元件和组合件的试验。但是，在开始全尺寸结构试验之前，应当确定设计许用值。

在制定积木式试验计划的过程中，建议飞机复合材料结构制造商与合格审定机构进行协商，或者与合格审定机构合作共同制定积木式试验计划，以便得到合格审定机构的批准。经过批准的积木式试验计划也是复合材料结构研发计划的管理工具。

3 “积木式”试验方法的基本框架

“积木式”试验可分为试样级、元件级、典型结构件级、组合件级和部件级五个层级结构，如图2所示。

图2 复合材料零件“积木式”试验框架

3.1 试样级

试样级试验主要对材料选择提供数据支撑，为材料规范、工艺规范的编制提供试验数据。

试样级试验能够对材料供应商所提供的材料经过行业的鉴定，然后提供足够多的材料性能及相关的材料信息供设计使用，当设计综合所有因素（性能、工艺性、稳定性、可靠性、结构可设计性、结构适应性、成本、货源等）权衡后选择某个或多个材料供应商。

3.2 元件级

当零件所用材料需要特殊制造和工艺控制才能保证设计要求时，必须进行元件机械性能和物理性能的试验验证，以便选定材料和控制工艺参数，典型的就是复合材料制件。

进行元件级的试验，确定典型结构单元的工艺参数试验、结构工艺适用性试验，确定设计许用值、连接试验，考虑各种环境影响，进行疲劳和损伤容限试验，考虑制造缺陷、使用损伤因素。

3.3 典型结构细节级

进行典型结构件试验，如加筋壁板结构件、多肋壁板结构件、缝合加筋壁板、泡沫夹层结构件和加筋夹层家构建等的设计试验，研究确定设计和工艺参数的匹配、壁板稳定性、连接强度、缺陷影响、开口影响、环境影响、损伤影响和修理方法，制定结构验收技术条件、检查大纲和修理方法，为制定装配工艺规范、结构验收技术条件、检查大纲和修理方法提供试验数据。

3.4 组合件级

评定接近真实边界条件的结构装配，开展相关分析，确定与低层次试验的关联性和实用性。证明预期的破坏模式，进行各部件典型盒段的各类试验，确定其承载能力、稳定性、破坏模式、损伤容限特性、离散源损伤、制造工艺、防雷击性能。进行盒段的损伤容限试验，评估盒段的寿命、损伤容限的能力及修理后的评估。

3.5 部件级

进行全尺寸复合材料结构部件的设计、分析、制造和试验验证，包括全尺寸的静力试验、疲劳损伤容限试验、鸟撞试验、雷击试验等。

4 “积木式”试验方法的应用案例

B777-200型飞机尾翼复合材料的合格审定方法采用的就是“积木式”试验支持的分析方法。这些支持试验包括试验级、结构元件、组合件级。最后，在全尺寸试件在大气环境下进行试验验证。B777-200型飞机复合材料尾翼研制过程中采用的积木式方法如图3所示。对于复合材料结构的环境影响问题，则在试样级、结构元件级和组合件级进行环境试验，并在结构分析中予以考虑。

图3 B777飞机“积木式”试验方法

B777飞机的“积木式”试验体系完整，试验项目广泛而充分，提供了适航要求的数据和结论，所建立的试验数据库、取得的设计经验和验证过的分析方法为B777复合材料基体结构的验证和审定奠定了基础[2]。

5 关于复合材料“积木式”试验验证方法的思考

复合材料零件结构的验证与适航审定若能严格按照完整的“积木式”试验方法开展，不仅能够建立材料的基本性能数据库和结构设计许用值，而且使结构的设计方案得到了评估，复材制造技术得到了考核，最终还充分分析了结构性能与成本的综合效能。“积木式”试验所积累的数据和经验，有利于促进批量生产和维修计划的制定，有利于结构设计细节与工艺过程的集成，有利于可靠工具与重复工艺步骤的融合，更有利于材料与工艺的控制以及厂家的稳定生产。

民用飞机复合材料适航审定过程中“积木式”试验方法的成功应用，需要结构设计、材料及工艺控制、复材制造等相关方面的高度集成、协同努力，这样才能生产出可靠的复合材料结构。

［1］冯振宇.复合材料飞机结构合格审定［M］.北京：航空工业出版，2012.

［2］FAWCETTL A，TROSTLE J，WARD S.777empennage certification approach［C］//11th international conference on composite materials，cambridge：woodhead publishing limited，1997：178.

V214.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.029

2095－6835（2021）01－0081－03

季文，主要从事复合材料工艺规范及标准的研究工作。

〔编辑：王霞〕