復合材料力學緒論

1、商用飛機復合材料機翼壁板商用飛機復合材料機翼壁板商用飛機復合材料機翼盒段商用飛機復合材料機翼盒段三、國外民機結構技術發(fā)展計劃成果的應用情況三、國外民機結構技術發(fā)展計劃成果的應用情況ACT計劃復合材料機身計劃復合材料機身 B7E7機體結構、機翼主承力盒機體結構、機翼主承力盒段將采用碳纖維復合材料段將采用碳纖維復合材料-鈦合金層鈦合金層壓板，復合材料機身，以及采用非壓板，復合材料機身，以及采用非熱壓罐的真空輔助樹脂傳遞模塑工熱壓罐的真空輔助樹脂傳遞模塑工藝（藝（VaRTM）制造的復合材料前機）制造的復合材料前機身等。先進復合材料、下一代合金身等。先進復合材料、下一代合金以及纖維以及纖維金屬層合板的

2、最終用量金屬層合板的最終用量會達到會達到50%以上。以上。787的設計思想與的設計思想與ACT和和AST計劃所取得的成果有著計劃所取得的成果有著直接的關系。直接的關系。 B787復合材料機身整體結構驗證樣段復合材料機身整體結構驗證樣段(7米長、米長、6米寬米寬)，可顯著減少零件數(shù)量，減重約達，可顯著減少零件數(shù)量，減重約達20%。飛機復合材料機翼主起落架接頭飛機復合材料機翼主起落架接頭三維編織機身舷窗窗框復合材料機身壁板比強度和比剛度 飛機結構上使用的復合材料以碳纖維/環(huán)氧樹脂為代表，它具有高的比強度(b/)和比剛度(E/)，可使飛機的結構重量大幅度減小。表1-3列出了幾種單向復合材料與常用金屬

3、材料性能的比較。更為先進的T800/改性環(huán)氧樹脂的比強度可高出鋁合金10倍，比剛度高出4倍。表表1-3 幾種結構材料性能比較幾種結構材料性能比較拉伸強度(MPa)拉伸模量(GPa)比強度MPa/(g/cm3)比剛度GPa/(g/cm3)密度(g/cm3)鋁合金42072.0151.125.92.78鋼(結構用)1 200206.0152.926.37.85鈦合金1 000116.7221.225.84.52玻璃纖維/聚酯復合材料1 24548.2623.024.12.0高強度碳/環(huán)氧樹脂1 471137.31 01494.71.45高模量碳/環(huán)氧樹脂1 049235.0656.0146.91.

4、60芳綸/環(huán)氧樹脂1 37378.4981.056.01.40一、民機發(fā)展與復合材料應用一、民機發(fā)展與復合材料應用B707B737B747B757B767B777B787B727B717A350B747-8產(chǎn)品發(fā)展方向產(chǎn)品發(fā)展方向全譜化全譜化系列化系列化A380復合材料應用水平不斷提高復合材料應用水平不斷提高 復合材料機身與機翼復合材料機身與機翼復合材料機翼復合材料機翼A380復合材料部件復合材料部件 (用量用量23%)Boeing 787 結構材料構成結構材料構成復合材料層合板復合材料層合板復合材料夾芯結構復合材料夾芯結構玻璃鋼復合材料玻璃鋼復合材料鋁合金鋁合金鈦合金鈦合金結構的主要材料構成

5、結構的主要材料構成Boeing 787 機身結構特征機身結構特征桁條桁條抗剪帶抗剪帶蒙皮蒙皮地板帶地板帶框框全復合材料機身具有良好的抗全復合材料機身具有良好的抗疲勞與抗腐蝕性能，可以使座疲勞與抗腐蝕性能，可以使座艙：艙：承受更大的壓力承受更大的壓力提高的濕度提高的濕度安裝更大的視窗安裝更大的視窗空客飛機進化技術特征空客飛機進化技術特征雙人駕駛艙雙人駕駛艙雙發(fā)雙通道飛機雙發(fā)雙通道飛機側桿控制器側桿控制器碳纖維復合材碳纖維復合材料中央翼盒料中央翼盒全新氣動技術機翼全新氣動技術機翼A310A300A320A380A340A300B2A310-200A320-200A330-300A340-300A3

6、40-600碳纖維復合材碳纖維復合材料垂尾料垂尾第二代數(shù)字飛控系統(tǒng)第二代數(shù)字飛控系統(tǒng)變頻發(fā)電機變頻發(fā)電機碳纖維復合材料碳纖維復合材料乘客艙后端乘客艙后端密封密封球形隔墻球形隔墻1970198019902000A380高性能輕質(zhì)結構用量達高性能輕質(zhì)結構用量達62%空客第一架全復合材料機翼飛機空客第一架全復合材料機翼飛機在中型民機中燃油消耗最低在中型民機中燃油消耗最低 百百公里公里2.5升升/ 人人機組人員休息不占用座艙空間機組人員休息不占用座艙空間超寬客機超寬客機 A350051015202530354045197019751980198519901995200020052010復合材料結構重量

7、與飛機結構重量之比復合材料結構重量與飛機結構重量之比%A300A310-200A320A340-300A340-600A380A400M服役起始年服役起始年空客飛機復合材料應用發(fā)展歷程空客飛機復合材料應用發(fā)展歷程A350Airbus復合材料技術發(fā)展歷程復合材料技術發(fā)展歷程1980-19901990-20001970-19802000-20101970-19801980-19901990-20002000-2010A310-300+ 升降舵+ 垂尾盒段件A400M+ 機翼+ 機身A300-B2整流裝置雷達罩A310-200+方向舵+擾流片+阻力板 A320-200+ 發(fā)動機整流罩+高抗扭盒段件+

8、 起落架艙門+ 副翼+ 襟翼+油箱高抗扭盒段件 A330-300A340-300+ 機翼前緣+ 龍骨梁+ 客艙后密封球形隔墻A340-600/500A380+ 中央翼盒+ 翼肋在過去的三十多年里，在過去的三十多年里， AIRBUS 不斷地把加大復合材料在飛機的應用時不斷地把加大復合材料在飛機的應用時不時，積累了豐富的經(jīng)驗與教訓不時，積累了豐富的經(jīng)驗與教訓單通道飛機單通道飛機 A320 系列系列襟、副翼，擾流片襟、副翼，擾流片機翼前緣機翼前緣/ 導流片導流片發(fā)動機整流罩發(fā)動機整流罩垂尾垂尾平尾平尾密封球形隔墻密封球形隔墻長航程長航程 A340-600J-形機翼前緣形機翼前緣龍骨梁龍骨梁空中巨無霸

9、空中巨無霸A380-800中央翼盒中央翼盒后機身后機身19截面截面后機身后機身19.1截面截面 副翼導軌安裝梁及副翼導軌安裝梁及側壁板側壁板翼肋翼肋預浸料預浸料 自動預浸帶鋪迭制件自動預浸帶鋪迭制件A340 高抗扭壁板高抗扭壁板A380 襟翼蒙皮襟翼蒙皮A380 中央翼盒壁板中央翼盒壁板纖維鋪放纖維鋪放A380 后機身后機身大型復雜形狀復合材料構件大型復雜形狀復合材料構件優(yōu)化后的復合材料鋪層優(yōu)化后的復合材料鋪層 在在A380上的首次上的首次 使用使用纖維鋪放機纖維鋪放機液體樹脂滲透技術的應用液體樹脂滲透技術的應用鋪覆編織帶鋪覆編織帶客艙后客艙后密封加筋密封加筋球形球形隔墻隔墻A380客艙后客艙

10、后密封加筋密封加筋球形球形隔墻隔墻樹脂轉移模塑工藝樹脂轉移模塑工藝A380 后機后框后機后框A380 副翼梁副翼梁A380 連接件連接件A380 centre wing boxA380 中央翼盒中央翼盒大型商用運輸機復合材料應用發(fā)展大型商用運輸機復合材料用量Airbus : A-340復合材料用量占飛機總重13% A-380復合材料用量占飛機總重20%Boeing : B-777復合材料用量占飛機總重10% B-7E7復合材料用量計劃占飛機總 重50%以上B-777復合材料使用情況 A-380復合材料使用情況軍用飛機復合材料應用發(fā)展F-18EF戰(zhàn)斗機復合材料占19%AV8-B鷂式戰(zhàn)斗機復合材料

11、占26%EF-2000中機身復合材料上壁板F-22復合材料用量占飛機總重26%F-22復合材料應用情況 機 翼：蒙皮碳/雙馬 中梁碳/環(huán)氧 機 身：鈦合金、鋁合金、復合材 料 平尾安定面：碳/雙馬蒙皮鋁蜂窩夾層板 垂尾安定面：碳/雙馬蒙皮、碳/環(huán)氧梁 操 縱 面：復合材料蜂窩夾層板F-22復合材料機翼組裝情況B-2轟炸機（1989年首飛）B-2轟炸機復合材料使用情況 機翼：蒙皮和內(nèi)部結構為碳/環(huán)氧的蜂窩夾 層板 機身：大量使用復合材料 C-17軍用運輸機復合材料使用情況 原型機復合材料用于：次要結構和操縱面 1994年將平尾改為復合材料（AS4/Epoxy） 1998年通過靜力試驗： 133%

12、 Ultimate Load 破壞 2001年70架飛機全換為復合材料平尾C-17軍用運輸機平尾 C-17軍用運輸機復合材料應用效果 復合材料使用量占總重量8% 減 重：20% 減少零件數(shù)：90% 減少緊固件數(shù)：80% 降 低 成 本：50%V-22 旋 翼 機 V-22旋翼機復合材料使用情況 機 翼：IM6/3501-6 機身和尾翼：AS4/3501-6 復合材料使用量占總重量41% 減 重：13% 減少零件數(shù)：35% 降 低 成本：22%科 曼 奇 直 升 機全球鷹無人偵查機捕食者無人偵查機X-45無人戰(zhàn)斗機無人直升機表表1-1 國外復合材料在軍機上的應用情況國外復合材料在軍機上的應用情況

13、國別機 種用量(%)首飛時間復合材料體系應 用 情 況美F-1411969硼/環(huán)氧樹脂水平安定面F-151.21972硼/環(huán)氧樹脂水平安定面、垂直安定面、方向舵F-163.41976碳/環(huán)氧樹脂(AS4/3502)進氣道斜板、垂尾、平尾。機翼蒙皮（碳/雙馬來酰亞胺）F/A-18A121978碳/環(huán)氧樹脂除前機身外，包括機翼在內(nèi)的所有蒙皮結構。前機身邊條、翼根延伸段等AV-8B26.31982碳/環(huán)氧樹脂機翼蒙皮和亞結構骨架，其機翼70%重量為復合材料結構。比金屬結構減重20%以上。機翼梁和肋為“工”形剖面，腹板為正弦波紋板A-612碳/環(huán)氧樹脂機翼蒙皮B-1轟炸機碳/環(huán)氧樹脂、硼/環(huán)氧樹脂、K

14、evlar49/環(huán)氧樹脂機身大梁、平尾、垂尾、前緣縫翼、襟翼、進氣道斜板、艙門等X-31A171990碳/增韌環(huán)氧(IM6/6376)機翼、機身蒙皮YF-22231991碳/增韌雙馬(IM7/5250-2)機翼、中機身隔框和蒙皮、尾翼F-22241996碳增韌雙馬(IM6/5250-4)機翼、中機身隔框和蒙皮、尾翼、前機身俄米格297S-3721前掠機翼等雅克-14124機翼、尾翼、部分機身1.42161.4430法Rafale24碳增韌雙馬(IM6/5245C)機翼、垂尾、鴨翼、副翼、前機身蒙皮幻影4000整體油箱翼盒、尾翼等ASX10碳/環(huán)氧樹脂機翼(壁板尺寸6.34m1.5m)、機身、垂

15、尾瑞典JAS-39301988碳/環(huán)氧樹脂(AS4/8552)機翼、機身、鴨翼、垂尾、進氣道德、英西、意EF-2000301994碳/增韌雙馬(T800/5245)機翼、前機身、中機身、尾翼蒙皮日FS-X18整體機翼、垂尾、平尾等英美洲豹虎碳/環(huán)氧樹脂機翼、方向舵占結構重量 百分比(%)機型材料表表1-2 民用飛機結構用材料重量百分比民用飛機結構用材料重量百分比復合材料鋁合金鈦合金鋼第1代Boing7070.2第2代Boing747A300158176441313第3代Boing767Boeing757A320335.5807876.5264.5141213.5第4代Boing777A3401

16向異性和可設計性 由單向預浸帶鋪疊并固化而成的層壓結構是目前飛機復合材料結構的主要形式。單向帶呈現(xiàn)強烈的正交異性(沿纖維方向的性能與垂直纖維方向的性能差別很大)，可以在不同的方向鋪設不同比例的單向帶，來滿足結構平面內(nèi)所需方向性能的要求。當然各向異性給結構設計、分析和制造增加了困難，這也是復合材料結構設計的特點之一。 損傷、斷裂和疲勞行為 各向異性、脆性和非均質(zhì)性，特別是層間性能遠低于層內(nèi)性能等特點，使復合材料層壓板的失效機理與金屬完全不同，因而它們的損傷、斷裂和疲勞性能也有很大差別。另一方面，復合材料構件制造目前主要靠人工鋪貼和熱壓成形，再加上加工、運輸過程中可能受到的

17、外來物沖擊，其制件會比金屬制件更易帶有程度不等的缺陷/損傷。表1-4概述了影響復合材料結構與金屬結構疲勞和損傷容限的因素比較。 (1) 主要的缺陷/損傷類型 裂紋是金屬飛機結構的主要損傷形式。復合材料結構的關鍵缺陷/損傷形式是界面脫膠、分層和低能量(特別是低速)外來物產(chǎn)生的沖擊損傷。沖擊損傷的威脅在于當內(nèi)部產(chǎn)生大范圍基體開裂和分層時，外表面往往仍目視不可檢，但其壓縮承載能力已大幅度下降(外表面目視勉強可檢的沖擊損傷可使其壓縮強度降為無損強度的40%)。分層是復合材料層壓結構特有的損傷形式。生產(chǎn)過程中工具墜落、撞擊；使用過程中跑道碎石及冰雹、鳥類等外來物沖擊，以及局部層間應力集中或結構超載，都可

18、能引起內(nèi)部分層。這類損傷的存在和擴展對層壓板或結構強度和剛度下降的影響是顯著的。 (2) 缺口敏感性 金屬一般都具有屈服階段，而復合材料往往直至破壞其應力-應變曲線仍呈現(xiàn)線性，所以復合材料的靜強度缺口敏感性遠高于金屬。但復合材料的疲勞缺口敏感性則遠低于金屬，其疲勞缺口系數(shù)(一定循環(huán)次數(shù)下，無缺口試件疲勞強度與含缺口疲勞強度之比)遠小于靜應力集中系數(shù)，并且在中長壽命情況下接近于1。疲勞性能 金屬對疲勞一般比較敏感，特別是含缺口結構受拉-拉疲勞時，其疲勞強度會急劇下降，但復合材料一般都顯示有優(yōu)良的耐疲勞性能。另外含沖擊損傷和分層的復合材料結構在疲勞載荷下，一般很難觀察到它們在疲勞下的擴展，即使出現(xiàn)損傷擴展，也往往出現(xiàn)在壽命后期，并且很難確定其擴展規(guī)律。剛度降 對金屬結構，一般不考慮由疲勞載荷引起的剛度變化，但對復合材料結構，特別是承受高周疲勞的直升機旋轉部件(如旋翼槳葉)，有時需要加以考慮。(5) 分散性 復合材料靜強度和疲勞強度的分散性均高于金屬，疲勞強度尤為突出，因此在對復合材料結構進行疲