復(fù)合材料結(jié)構(gòu)積木式方法的運用(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)用上嚴格程度不一，細節(jié)上遠未達到通用的程度。只是通過不同層次的試驗降低了在臨近生產(chǎn)終結(jié)時出現(xiàn)重大、不可逆風險的概率，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)合材料的特點是對面外載荷敏感度高，潛在的多種失效模式，對工作環(huán)境敏感度高，這些都是適用于“積木式”方法進行驗證；同時由于復(fù)合材料對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預(yù)計全尺寸部件的分析方法。復(fù)合材料層間強度相對較低是其對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法預(yù)知的，所以模擬正確的面外失效模式對“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環(huán)境和存在的缺陷模式，因此正確的設(shè)計試件和選取試驗環(huán)境具有關(guān)鍵作用。同時由復(fù)合材料性質(zhì)可以推知相對于纖維，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數(shù)據(jù)來精確預(yù)計復(fù)雜構(gòu)件的行為。分析結(jié)構(gòu)很大程度上還依賴材料性能異變、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中未出現(xiàn)的失效模式，驗證和修正在底層試驗中驗證過的分析方法并允許在全尺寸結(jié)構(gòu)中包含底層次試驗件中不同的結(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)計一些試件，用驗證過的分析方法，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，從而進一步修正分析方法，最終得到理想的設(shè)計。

二、“積木式”方法的一般方法

第一步建立材料性能，是對準備使用的每種復(fù)合材料擬定并實施一個適當?shù)牟牧显O(shè)計許用值試件試驗方案。每種類型和環(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發(fā)階段（原型、工程樣件和量產(chǎn)型）。通常將這一步稱為材料級試驗，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；同時由于此階段對材料控制有限，不能只依據(jù)這組數(shù)據(jù)確定材料許用值，只能提供估計值，用于比較和初始設(shè)計。編制材料與工藝規(guī)范階段是為了驗證規(guī)范，要通過這個階段識別出設(shè)計需要的關(guān)鍵力學性能，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)范對材料進行充分的控制，可以得出用于設(shè)計穩(wěn)定的設(shè)計許用值，建立有效的A基準和B基準許用值，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。材料級試驗大部分是在這個階段進行的，同時也可用于適航取證的數(shù)據(jù)庫的一部分。第二步元件組合件試驗確定設(shè)計值，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)計很特殊，完全不能通用。其中包含元件級試驗和組合件試驗。元件級試驗主要選取結(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)），主要目標是進一步穩(wěn)定設(shè)計許用值，確定一般元件制造缺陷影響和工藝敏感度。組合件試驗主要選取結(jié)構(gòu)典型的部件段進行試驗，用于評定局部損傷帶來的載荷重新分配對結(jié)構(gòu)造成的影響。與元件級試驗相比約束條件和載荷條件與真實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。組合件試驗用于評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。第三步部件試驗最后階段的靜力和疲勞試驗，使用全尺寸結(jié)構(gòu)件進行試驗。進行到設(shè)計極限載荷為止，用于驗證之前的出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,與金屬構(gòu)件最終的力學試驗類似。

三、“積木式”方法的裁剪

“積木式”試驗方法是完全按照全新設(shè)計過程為依據(jù)的方法，適用與需要民機適航取證的要求。而事實上我們面臨的大量工作并不是全新設(shè)計的過程，這其中對“積木式”方法可以進行適當?shù)牟眉艉髴?yīng)用。第一步建立材料性能。一般國內(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，材料可以直接進行采購，無需另外新研。對于這種采購成熟材料的情況，第一步所進行的試驗可以大幅度壓縮，一般可以壓縮到正常試件數(shù)量的50％以下，僅進行驗證性摸底試驗，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，以確定工藝制造對構(gòu)件的影響。第二步元件組合件試驗確定設(shè)計值。由于第一步材料性能選取試驗大幅削減，所以元件組合件試驗對于設(shè)計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，試驗可綜合考量設(shè)計、工藝和制造的耦合效應(yīng)，可以較為準確的修正設(shè)計許用值。所以此階段試驗不能裁剪，而且還應(yīng)加強，準確的估計載荷、失效形式，能否準確的選取局部構(gòu)型將很大程度影響產(chǎn)品的成敗與否。第三步部件試驗無需單獨（除關(guān)鍵部件外）進行試驗。由于部件尺寸通常較大，單獨試驗設(shè)計工裝、夾具、場地等因素較多，需要經(jīng)費和時間較多，所以應(yīng)將部件試驗同整機試驗結(jié)合進行。進行試驗時應(yīng)將重點關(guān)注部位的感應(yīng)器進行集中布置，以期發(fā)現(xiàn)載荷重新分配后二次響應(yīng)情況，對結(jié)構(gòu)整體性能進行綜合評估。

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規(guī)模、環(huán)境復(fù)雜程度逐級增加、數(shù)量逐級減少、后一級利用前一級結(jié)果進行試驗與分析相結(jié)合的低技術(shù)風險、低費用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計研制和驗證技術(shù)?！胺e木式”方法為復(fù)合材