復(fù)合材料結(jié)構(gòu)積木式方法的運(yùn)用(全文)

精品文檔-下載后可編輯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)積木式方法的運(yùn)用(全文)一、“積木式”方法原理和假設(shè)

“積木式”方法在應(yīng)用上嚴(yán)格程度不一，細(xì)節(jié)上遠(yuǎn)未達(dá)到通用的程度。只是通過(guò)不同層次的試驗(yàn)降低了在臨近生產(chǎn)終結(jié)時(shí)出現(xiàn)重大、不可逆風(fēng)險(xiǎn)的概率，所以“積木式”方法在應(yīng)用中應(yīng)該遵循一些基本原理和假設(shè)。首先，復(fù)合材料的特點(diǎn)是對(duì)面外載荷敏感度高，潛在的多種失效模式，對(duì)工作環(huán)境敏感度高，這些都是適用于“積木式”方法進(jìn)行驗(yàn)證；同時(shí)由于復(fù)合材料對(duì)于固有缺陷敏感度高，所以不能用金屬材料那樣采用最底層的材料性能來(lái)預(yù)計(jì)全尺寸部件的分析方法。復(fù)合材料層間強(qiáng)度相對(duì)較低是其對(duì)面外載荷敏感的主要原因，面外載荷可以是直接作用于構(gòu)件上的，也可以是有面內(nèi)載荷所引起的。而這種載荷常常是無(wú)法預(yù)知的，所以模擬正確的面外失效模式對(duì)“積木式”方法具有重要作用。模擬正確的失效模式需要正確模擬試驗(yàn)環(huán)境和存在的缺陷模式，因此正確的設(shè)計(jì)試件和選取試驗(yàn)環(huán)境具有關(guān)鍵作用。同時(shí)由復(fù)合材料性質(zhì)可以推知相對(duì)于纖維，基體敏感的失效模式更為重要。其次，目前的分析方法和能力有限，不能始終使用較低層次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)精確預(yù)計(jì)復(fù)雜構(gòu)件的行為。分析結(jié)構(gòu)很大程度上還依賴(lài)材料性能異變、缺陷和結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)。因此使用“積木式”方法揭示在底層試驗(yàn)中未出現(xiàn)的失效模式，驗(yàn)證和修正在底層試驗(yàn)中驗(yàn)證過(guò)的分析方法并允許在全尺寸結(jié)構(gòu)中包含底層次試驗(yàn)件中不同的結(jié)構(gòu)缺陷。以上“積木式”方法基于假設(shè)由復(fù)雜程度低的試件所得到的結(jié)構(gòu)對(duì)外載荷的響應(yīng)，可以直接轉(zhuǎn)化到復(fù)雜程度較高的試件上?；谝陨霞僭O(shè)應(yīng)該設(shè)計(jì)一些試件，用驗(yàn)證過(guò)的分析方法，在復(fù)雜試件中消除不太復(fù)雜試件的失效模式。這樣就可以在更高層次的試件中出現(xiàn)新的失效模式，從而進(jìn)一步修正分析方法，最終得到理想的設(shè)計(jì)。

二、“積木式”方法的一般方法

第一步建立材料性能，是對(duì)準(zhǔn)備使用的每種復(fù)合材料擬定并實(shí)施一個(gè)適當(dāng)?shù)牟牧显O(shè)計(jì)許用值試件試驗(yàn)方案。每種類(lèi)型和環(huán)境（溫度和濕度）所需要的試件批數(shù)和重復(fù)試件數(shù)量取決與部件所處的開(kāi)發(fā)階段（原型、工程樣件和量產(chǎn)型）。通常將這一步稱(chēng)為材料級(jí)試驗(yàn)，用于確定材料的一般性能和收集材料許用值數(shù)據(jù)。其中包含材料篩選和選擇，編制材料與工藝規(guī)范和確定許用值三個(gè)階段。材料篩選和選擇因涉及大量備選材料的選材，通常局限于基本試件；同時(shí)由于此階段對(duì)材料控制有限，不能只依據(jù)這組數(shù)據(jù)確定材料許用值，只能提供估計(jì)值，用于比較和初始設(shè)計(jì)。編制材料與工藝規(guī)范階段是為了驗(yàn)證規(guī)范，要通過(guò)這個(gè)階段識(shí)別出設(shè)計(jì)需要的關(guān)鍵力學(xué)性能，可以用這一階段數(shù)據(jù)導(dǎo)出初步材料許用值。確定許用值階段采用材料規(guī)范和工藝規(guī)范對(duì)材料進(jìn)行充分的控制，可以得出用于設(shè)計(jì)穩(wěn)定的設(shè)計(jì)許用值，建立有效的A基準(zhǔn)和B基準(zhǔn)許用值，確定環(huán)境影響、缺口影響、鋪層影響、制造缺陷影響和工藝敏感度。材料級(jí)試驗(yàn)大部分是在這個(gè)階段進(jìn)行的，同時(shí)也可用于適航取證的數(shù)據(jù)庫(kù)的一部分。第二步元件組合件試驗(yàn)確定設(shè)計(jì)值，是在第一步的基礎(chǔ)上引入一定的尺寸效應(yīng)（通常是初步構(gòu)型的一般尺寸），本階段的樣件設(shè)計(jì)很特殊，完全不能通用。其中包含元件級(jí)試驗(yàn)和組合件試驗(yàn)。元件級(jí)試驗(yàn)主要選取結(jié)構(gòu)中經(jīng)常重復(fù)出現(xiàn)的、典型的局部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)制造樣件（比如接頭、加筋條、梁和典型夾層結(jié)構(gòu)），主要目標(biāo)是進(jìn)一步穩(wěn)定設(shè)計(jì)許用值，確定一般元件制造缺陷影響和工藝敏感度。組合件試驗(yàn)主要選取結(jié)構(gòu)典型的部件段進(jìn)行試驗(yàn)，用于評(píng)定局部損傷帶來(lái)的載荷重新分配對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響。與元件級(jí)試驗(yàn)相比約束條件和載荷條件與真實(shí)情況比較接近并且可以發(fā)現(xiàn)二次載荷效應(yīng)，面外載荷更能代表全尺寸構(gòu)件。組合件試驗(yàn)用于評(píng)估之前取得的許用值與尺寸放大的影響和靜力、疲勞損傷影響。第三步部件試驗(yàn)最后階段的靜力和疲勞試驗(yàn)，使用全尺寸結(jié)構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)。進(jìn)行到設(shè)計(jì)極限載荷為止，用于驗(yàn)證之前的出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,與金屬構(gòu)件最終的力學(xué)試驗(yàn)類(lèi)似。

三、“積木式”方法的裁剪

“積木式”試驗(yàn)方法是完全按照全新設(shè)計(jì)過(guò)程為依據(jù)的方法，適用與需要民機(jī)適航取證的要求。而事實(shí)上我們面臨的大量工作并不是全新設(shè)計(jì)的過(guò)程，這其中對(duì)“積木式”方法可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉艉髴?yīng)用。第一步建立材料性能。一般國(guó)內(nèi)各主要復(fù)合材料廠商已經(jīng)建立起豐富完整的材料體系，材料可以直接進(jìn)行采購(gòu)，無(wú)需另外新研。對(duì)于這種采購(gòu)成熟材料的情況，第一步所進(jìn)行的試驗(yàn)可以大幅度壓縮，一般可以壓縮到正常試件數(shù)量的50％以下，僅進(jìn)行驗(yàn)證性摸底試驗(yàn)，但是其中涉及制造缺陷影響和工藝敏感度的試件數(shù)量不應(yīng)大幅減少應(yīng)維持在80％左右，以確定工藝制造對(duì)構(gòu)件的影響。第二步元件組合件試驗(yàn)確定設(shè)計(jì)值。由于第一步材料性能選取試驗(yàn)大幅削減，所以元件組合件試驗(yàn)對(duì)于設(shè)計(jì)許用值的修正作用更加明顯。此階段由于將主要元件、組合件制造完成，試驗(yàn)可綜合考量設(shè)計(jì)、工藝和制造的耦合效應(yīng)，可以較為準(zhǔn)確的修正設(shè)計(jì)許用值。所以此階段試驗(yàn)不能裁剪，而且還應(yīng)加強(qiáng)，準(zhǔn)確的估計(jì)載荷、失效形式，能否準(zhǔn)確的選取局部構(gòu)型將很大程度影響產(chǎn)品的成敗與否。第三步部件試驗(yàn)無(wú)需單獨(dú)（除關(guān)鍵部件外）進(jìn)行試驗(yàn)。由于部件尺寸通常較大，單獨(dú)試驗(yàn)設(shè)計(jì)工裝、夾具、場(chǎng)地等因素較多，需要經(jīng)費(fèi)和時(shí)間較多，所以應(yīng)將部件試驗(yàn)同整機(jī)試驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)應(yīng)將重點(diǎn)關(guān)注部位的感應(yīng)器進(jìn)行集中布置，以期發(fā)現(xiàn)載荷重新分配后二次響應(yīng)情況，對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能進(jìn)行綜合評(píng)估。

四、“積木式”方法的重要意義

“積木式”方法按照試件尺寸和試驗(yàn)規(guī)模、環(huán)境復(fù)雜程度逐級(jí)增加、數(shù)量逐級(jí)減少、后一級(jí)利用前一級(jí)結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)與分析相結(jié)合的低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、低費(fèi)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研制和驗(yàn)證技術(shù)。“積木式”方法為復(fù)合材