第八章復合材料結構耐久性損傷容限設計4-2

1、第八章 復合材料結構耐久性損傷容限設計（二） 第 8 頁 共 8 頁課題第八章 復合材料結構耐久性損傷容限設計（二）目的與要求耐久性/損傷容限的基本設計方法、通用過程流程和一般設計原則提高零部件耐久性/損傷容限的特殊設計方法和材料使用因素了解耐久性/損傷容限設計實例材料因素對耐久性/損傷容限設計的影響程度重點耐久性/損傷容限的基本設計方法、通用過程流程和一般設計原則提高零部件耐久性/損傷容限的特殊設計方法和材料使用因素難點耐久性/損傷容限的基本設計方法、通用過程流程和一般設計原則教具復習提問耐久性/損傷容限的基本設計方法、通用過程流程和一般設計原則？提高零部件耐久性/損傷容限的特殊設計方法和材

2、料使用因素？新知識點考查耐久性/損傷容限的基本設計方法、通用過程流程和一般設計原則布置作業(yè)課堂布置課后回憶耐久性/損傷容限的基本設計方法、通用過程流程和一般設計原則？備注教員 1. 耐久性/損傷容限設計方法1.1. 概述1.1.1 目的耐久性/損傷容限的設計方法主要是正確地制定和執(zhí)行，對結構的耐久性/損傷容限控制計劃。1.1.2 主要的兩項任務l 確定關鍵件 根據(jù)系統(tǒng)的整體性、零件在系統(tǒng)中的位置、作用以及零件的服役環(huán)境，又設計人員預先或者設計過程中確定零件或部件是否屬于關鍵件，或者重要件。l 對關鍵件進行全面的質量控制 由設計人員，協(xié)同工藝人員、質量控制、操作人員和其他方面的人員，共同完成關注

3、關鍵件或重要件的制造過程，要求從材料的定制、運輸、存儲、下料、鋪貼、固化、成形、機械加工，以及隨后的試驗等方面進行控制。1.1.3 設計原則l 關鍵部位、關鍵件可能出現(xiàn)的缺陷/損傷的類型、尺寸、位置、范圍以及他們的相對嚴重性；l 評定損傷對疲勞載荷的敏感性及其疲勞擴展性，修理的最佳方案和可能保留的剩余強度值；l 最后剩余強度的驗證，確定檢查間隔時間、檢查方法，以及中間發(fā)生的損傷擴展；l 環(huán)境對帶有缺陷或損傷的零部的影響程度，突發(fā)事件可能導致的損傷和缺陷的發(fā)展。1.2. 關鍵件的選擇1.2.1. 評價因素l 一旦破壞或其破壞持續(xù)未被查出會對結構安全造成嚴重的后果的結構危險部位和構建²

4、承受的服役中出現(xiàn)超載能力 對飛機而言就是飛行可能出現(xiàn)結構承力；² 靜態(tài)試驗或啟動過程中附加的超大載荷 對飛機而言則表示為，地面試驗載荷。l 影響零部件服役的因素² 零部件的功能可靠性² 經濟性1.2.2. 關鍵件的確定原則l 著重考慮單向傳力途徑結構，特別是由于裝配完成后零部之間的遮擋造成的不可檢結構；l 具有高度、超高度的局部應力，或者具有高度的應力集中部位的零部件，以及附近的影響因素；l 強度計算或試驗中顯示的薄弱環(huán)節(jié)，或者是在服役過程中暴露出的強度下降的部位；l 剛度差別比較大、振動幅度較大的部位，可能造成布局失效，導致功能障礙或消失。1.2.3. 對復合材

5、料來講的主要結構l 容易遭受外來物沖擊的部位；l 可能承受非層板平面內的載荷（即面外載荷）、受載復雜的承力區(qū)域的構件和部位；l 受高溫、濕/熱或特殊環(huán)境因素長期作用的部位；l 加工、裝配困難，易產生缺陷的部位。1.3. 復合材料結構損傷容限結構類型1.3.1 損傷無擴展概念l 前提² 在規(guī)定的檢查間隔時間內不出現(xiàn)損傷擴展，如果出現(xiàn)了明顯的缺陷/損傷擴展，必須更改原有設計和所有按此方案進行的零部件或系統(tǒng)，并且重新確定設計方案；² 為了滿足含有損傷時的剩余強度要求l 原因² 隱蔽性強 無論是生產現(xiàn)場、裝配過程，還是服役過程發(fā)生的缺陷，對于復合材料來說，都是很難發(fā)現(xiàn)的；

6、² 擴展的無規(guī)律性 在疲勞載荷下的擴展目前無明確的規(guī)律性可循，因此一般設計時將設計許用值控制在較低值；² 有極好的疲勞性能 和金屬材料相比較，復合材料有極好的疲勞性能，即使受到沖擊后的疲勞性能也好于金屬材料。l 驗證方法² 試驗驗證的支持數(shù)據(jù)² 結構疲勞試驗驗證1.3.2 損傷擴展概念的前提條件l 對可能出現(xiàn)每種缺陷/損傷，在使用載荷譜下的擴展特性有可靠的數(shù)據(jù)和足夠可靠試驗檢測方法；l 對于試驗件和實際服役的零部件，應該有服役的先例作為印證依據(jù)，最好具有失效分析的數(shù)據(jù)。1.4. 復合材料結構耐久性/損傷容限的一般設計原則1.4.1 合理控制設計應變/應力

7、水平根據(jù)構件所受載荷的性質和大小，綜合考慮強度、剛度、耐久性和損傷容限的要求，確定合理的應變水平和質量指標。這是復合材料耐久性和損傷容限設計的關鍵方面。1.4.2 結構形式選擇和材料選擇考慮構件使用部位、載荷類型、連接要求、工作環(huán)境、工藝性等多種因素的同時，還應該選擇能夠提高復合材料結構損傷特性的合理的結構形式，進行合理的材料設計包括選擇組份材料和鋪層材料。1.4.3 細節(jié)設計應該注意到復合材料層壓結構層間性能比較低，在細節(jié)設計時應盡量避免使其遭受面外載荷。對于無法避免的面外載荷和應力集中、剛度突變、傳力不連續(xù)等細節(jié)處理，必須采取適當?shù)脑O計措施，最好參照已有的設計事例或試驗數(shù)據(jù)。1.4.4 可

8、修理性和可更換性復合材料呈現(xiàn)的脆性、易分層性，以及抗沖擊性明顯低于金屬材料的特性，因此設計時要求考慮到結構受損時，能夠方便地進行更換和修理。1.4.5 可檢查性對于重要的接頭、應力集中部位及其它關鍵結構部位，能方便地進行日常維護和定期檢查。1.5. 復合材料結構耐久性/損傷容限的設計選材和材料設計1.5.1 影響條件l 環(huán)境因素² 材料的韌性² 最高使用溫度l 抗沖擊損傷性能² 沖擊后的剩余強度（CAI）Ø 沖擊抗組Ø 損傷容限² 沖擊后的損傷面積² 層間韌性CIC、CIIC² 開控試樣（零件）拉伸、壓縮性能1.5

9、.2 選取韌性好的集體l 環(huán)氧基體² T300/5208² AS6/2220-3l 雙馬基體² T300/QY8911² T300/5405² T800/5245² IM7/5250-4² AS6/5245Cl 熱塑性² IM6/APC2² AS6/PEEK1.5.3 利用復合材料的材料可設計性來提高韌性l 采用混合復合材料l 利用鋪層設計改善損傷容限特性1.6. 設計細節(jié)1.6.1 復合材料細節(jié)設計的特殊要求l 不同鋪設角的相鄰鋪層之間剛度特性和熱膨脹性差別過大；l 各層之間出現(xiàn)過大的鋪層應力；l 自由邊或因沖擊而出現(xiàn)層間法向應力，容易引起分層。1.6.2 膠接連接處的細節(jié)設計1.6.3 蜂窩夾層結