鄭曉玲 /

(上海飛機設(shè)計研究院，上海201210)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的適航符合性分析研究

鄭曉玲 /

(上海飛機設(shè)計研究院，上海201210)

針對復(fù)合材料應(yīng)用于大型民用飛機主結(jié)構(gòu)件，從材料、工藝、設(shè)計、分析、制造、驗證與維護修理等方面要求進行分析研究，給出了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的適航符合性驗證思路和試驗規(guī)劃的建議，為民機機體采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件提供技術(shù)支持。

復(fù)合材料；適航符合性；自動化鋪貼；自動化制造；試驗規(guī)劃

0 引言

隨著復(fù)合材料機翼、機身的應(yīng)用，以及自動化制造技術(shù)的發(fā)展，如何規(guī)劃復(fù)合材料的研究思路，如何進行研究與試驗以表明適航的符合性，本文從材料、工藝、設(shè)計、分析、制造、驗證與維護修理等方面進行分析研究，給出了如何進行試驗規(guī)劃的研究，需要考慮的因素及適航符合性的思路，為復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 未來民機對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求

以波音787、A380和A350等為代表的新型民用飛機在總體設(shè)計方面廣泛應(yīng)用數(shù)字化、信息化手段，大量采用數(shù)字建模、數(shù)字仿真、數(shù)字制造與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)了異地協(xié)同與并行工程；在機體結(jié)構(gòu)上大量采用先進的輕質(zhì)材料和復(fù)合材料，顯著降低了飛機結(jié)構(gòu)重量；在航電系統(tǒng)方面大幅提高了綜合化、模塊化水平；機載機電系統(tǒng)向多電飛機邁出了重要步伐，采用了電剎車系統(tǒng)和局部電-液作動器，并將環(huán)控系統(tǒng)改為電驅(qū)動。同時還選用了推力大、耗油率低、環(huán)保性好、涵道比高的新型渦扇發(fā)動機，使飛機的燃油消耗大幅降低。

2020年后的飛機應(yīng)具有以下特點：

1)技術(shù)特點

更加安全、更加經(jīng)濟、更加舒適、更加環(huán)保。

2)技術(shù)目標(biāo)

①提高安全性，人為因素影響降低80%；

②提高經(jīng)濟性，油耗降低50%，整機減重10%；

③提高舒適性，噪音降低50%；

④提高環(huán)保性，碳排放降低60%，氮氧化物排放降低80%。

為了實現(xiàn)整機的技術(shù)目標(biāo)，結(jié)構(gòu)應(yīng)實現(xiàn)以下技術(shù)要求：

1)提高安全性，使用的材料、設(shè)計的結(jié)構(gòu)、制造工藝等應(yīng)具有高可靠性和耐久性，需要經(jīng)過充分的試驗驗證；

2)提高經(jīng)濟性，降低研制成本，實現(xiàn)全壽命成本控制，結(jié)構(gòu)減重15%；

3)提高舒適性，降低和控制艙內(nèi)噪聲，艙內(nèi)噪聲降低5dBA；

4)提高環(huán)保性，通過減重實現(xiàn)碳排放降低5%。

輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是實現(xiàn)上述目標(biāo)的有效途徑之一，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是主要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。而復(fù)合材料機翼、機身的應(yīng)用代表了復(fù)合材料在飛機上應(yīng)用的水平。

2 國際復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展分析

隨著復(fù)材技術(shù)的不斷發(fā)展及用量的增長，最具有代表性的新一代大型民用飛機——空客A380飛機、波音787飛機和正在研制的空客A350 XWB飛機，有別于以往同類飛機的一個重要標(biāo)志就是機體結(jié)構(gòu)大量采用復(fù)合材料，其復(fù)合材料用量分別占機體結(jié)構(gòu)重量的25%、50%和52%。圖1表示了新一代大型民用飛機與上世紀后期研制的民用飛機復(fù)合材料應(yīng)用情況對比。

在考慮將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用于新機研發(fā)時，通常都要對相關(guān)復(fù)合材料進行充分的前期論證和預(yù)先研究，特別要非常重視復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)的預(yù)先研究。為此，世界航空工業(yè)先進國家先后制定了多個國家級的預(yù)發(fā)展研究計劃，并據(jù)其完成了一系列輕質(zhì)、高性能、低成本復(fù)合材料的研究項目。

美國及歐盟為保持其在復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)先地位，實施了ACT(Advanced Composite Technology)、AST(Advanced Subsonic Technology)、CAI(Composite Affordability Initiative)以及TANGO(Technology Application to the Near-term Business Goals and Objectives)、ALCAS(Advanced and Low Cost Airframe Structure)等一系列復(fù)合材料專項技術(shù)發(fā)展計劃和結(jié)構(gòu)技術(shù)綜合發(fā)展計劃，使復(fù)合材料大量應(yīng)用于民用飛機成為可能。圖2表示了其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展歷程。

復(fù)合材料應(yīng)用于民用飛機的主結(jié)構(gòu)帶動了全球復(fù)合材料技術(shù)的迅猛發(fā)展。目前以波音787和空客A350為中心，已形成了全球性的有效供應(yīng)鏈(見圖3、圖4)，極大地提高了復(fù)合材料機體結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)和生產(chǎn)能力。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)也從手工鋪層發(fā)展出了各種自動鋪層的方法，在提高制造質(zhì)量的同時大大降低了工藝制造成本。根據(jù)對波音787和A350復(fù)合材料機翼和機身的制造工藝及可能發(fā)展的歸納分析(見表1)，可以看到自動化鋪層和成型是保證復(fù)合材料機翼和機身制造質(zhì)量的根本保證。事實上為了進一步降低制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的成本，關(guān)于機體主結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料工藝技術(shù)還在不斷地探索和研究之中，表2展望了其未來的自動化制造發(fā)展方向。

表1 復(fù)合材料機翼/機身制造工藝

表2 復(fù)合材料機體結(jié)構(gòu)件自動化制造技術(shù)的發(fā)展方向

3 面向復(fù)合材料自動化制造的設(shè)計技術(shù)探討

需要始終生產(chǎn)出完好的、可靠的、符合設(shè)計要求的結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，才能用于民用飛機機體裝配。確保復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品符合要求的關(guān)鍵，是復(fù)材結(jié)構(gòu)件制造的全過程控制。首先從原材料的生產(chǎn)、運輸、儲存控制，其次要有經(jīng)過驗證并得到局方批準/認可的工藝規(guī)范/工藝規(guī)程、檢測規(guī)范和質(zhì)量控制系統(tǒng)，包括相關(guān)人員的上崗培訓(xùn)和持證上崗。要保證大批量的復(fù)合材料飛機主結(jié)構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量要求，標(biāo)準化、自動化的制造技術(shù)不可或缺。所以攻克復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)件的標(biāo)準化自動化制造技術(shù)，是首先要解決的問題，這里包括標(biāo)準化的工藝研究、適用的自動化設(shè)備研制或購置。

自動化的制造包括自動鋪帶、不同帶寬的自動鋪絲、加筋構(gòu)件的自動化預(yù)成型體制造等。同時還涉及到很多結(jié)構(gòu)設(shè)計細節(jié)，如開口周緣的加強鋪層、剃層區(qū)、變截面變厚度筋條、連接區(qū)加厚、爬坡鋪層和梯度等。這類變截面部位可以通過優(yōu)化設(shè)計獲取最佳結(jié)果，結(jié)合上述自動化制造工藝實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕重優(yōu)質(zhì)。而對于一些采用液體成型工藝的預(yù)成型體制備，能否實現(xiàn)自動化制備也是制約其應(yīng)用的重要因素。

要實現(xiàn)復(fù)合材料機體結(jié)構(gòu)件的自動化制造，必須在設(shè)計初始階段就充分考慮所使用設(shè)備的能力和參數(shù)。特別是對于一些細節(jié)設(shè)計部位，必須考慮相關(guān)設(shè)備的功能和技術(shù)參數(shù)進行細節(jié)設(shè)計，如鋪帶/鋪絲機的帶寬容量、單向和(或)雙向爬坡能力等。對于液體成型工藝，如采用自動化制備加筋結(jié)構(gòu)預(yù)成型體，設(shè)計時需要考慮所采用的制備方法，有可能會制約變厚度的設(shè)計情況。

針對復(fù)合材料自動化制造技術(shù)，需要研究適合于自動化制造的設(shè)計技術(shù)與設(shè)計準則，要確保復(fù)合材料、加工工藝、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一體化設(shè)計。除此之外，設(shè)計上還需要考慮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的可修理性、可維護性以及降低制造和使用的成本等，這些都是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)得以應(yīng)用于民用飛機機體主結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

4 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的適航符合性思路分析

對于大型民用運輸類飛機，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的適航符合性驗證主要涉及CCAR25部的下列條款：25.601總則、25.603材料、25.605制造方法、25.607緊固件、25.609結(jié)構(gòu)保護、25.611可達性措施、25.613材料的強度性能和材料的設(shè)計值、25.619特殊系數(shù)、25.623支承系數(shù)、25.625接頭系數(shù)、25.303安全系數(shù)、25.305強度與變形、25.307結(jié)構(gòu)符合性證明、25.365增壓艙載荷、25.561應(yīng)急著陸情況總則、25.562應(yīng)急著陸動力要求、25.563水上迫降的結(jié)構(gòu)要求、25.571結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評定、25.581閃電防護、25.629氣動彈性穩(wěn)定性要求、25.631鳥撞損傷、25.785座椅、臥鋪、安全帶和肩帶、25.787儲存艙、25.789客艙和機組艙以及廚房中貨物的固定、25.801水上迫降、25.841增壓座艙、25.843增壓座艙的試驗、25.853座艙內(nèi)部設(shè)施、25.854廁所防火、25.855貨艙和行李艙、25.856隔熱/隔音材料、25.1529持續(xù)適航文件、H25持續(xù)適航文件等。

本文主要從復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的材料、工藝、許用值和設(shè)計值、結(jié)構(gòu)、零件制造等方面進行分析說明，包括分析部分條款的技術(shù)內(nèi)涵，研究提出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研發(fā)和驗證技術(shù)思路。

1)材料：基于供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)進行初步篩選，進行材料篩選試驗，編制材料規(guī)范(草稿)，開展PCD(Process Control Document)審核，進行材料預(yù)鑒定，全面獲取材料性能數(shù)據(jù)，編制材料規(guī)范(初稿)，可供初步設(shè)計使用。若申請人正式提交型號合格審定申請，則需要提交適航進行符合CCAR25.603條款的適航驗證工作，編制材料鑒定試驗大綱，進行材料合格鑒定，形成材料規(guī)范(正式稿)、批準進入QPL(Qualified Product List)，得到滿足CCAR25.603要求的材料規(guī)范及材料，可以用于結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計和驗證。

2)工藝：針對具體結(jié)構(gòu)件的設(shè)計特征選擇適用的工藝方法，編制相關(guān)工藝規(guī)范，并通過元件試驗，獲得工藝規(guī)范中的參數(shù)，如復(fù)合材料層壓板吸膠和固化的溫度、時間及壓力、加壓點選擇等工藝參數(shù)，測定復(fù)合材料層壓板的孔隙率和力學(xué)性能，確定材料的固化工藝參數(shù)。

接著在工藝規(guī)范確定的要求內(nèi)，通過對具體結(jié)構(gòu)件制造工藝的研究，包括結(jié)構(gòu)所采用的成型工藝方法、模具方案、工藝方案和各零件成型工藝，編制零件的工藝規(guī)程，并開展PPM(Pre Part Manufacture)研究，進行熱分布測試和剖切、檢測等試驗分析，優(yōu)化各種成型工藝參數(shù)，無損檢測標(biāo)塊，形成所選工藝的工藝規(guī)范、各類零部件制造的工藝規(guī)程和相應(yīng)的無損檢測規(guī)范。

最終編制復(fù)合材料結(jié)構(gòu)各種制造方法的工藝規(guī)范和工藝規(guī)程，并編制工藝規(guī)范的驗證試驗大綱，經(jīng)局方批準后進行試驗，試驗符合要求后，工藝規(guī)范獲得局方批準，可生效并執(zhí)行。接著編制各類零件制造的工藝規(guī)程和PPM實施方案，經(jīng)局方批準后實施，結(jié)果符合要求后，獲得局方批準，確認按照批準的工藝規(guī)范，某個制造商可按照批準的工藝規(guī)程正式生產(chǎn)某類零件，至此完成了符合CCAR25.605條款的符合性驗證。

3)新型結(jié)構(gòu)形式：確定有疑問的或新型的結(jié)構(gòu)形式或細節(jié)，需要采用試驗的方法加以驗證以符合CCAR25.601條款的要求。

4)材料許用值確定：對各部位復(fù)合材料結(jié)構(gòu)選取其典型層板的鋪層設(shè)計按照適航認可的試驗標(biāo)準進行材料許用值的試驗，并在統(tǒng)計方法的基礎(chǔ)上獲得材料許用值(CCAR25.613)，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析。該項試驗的結(jié)果一般要求與材料供應(yīng)商的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)進行對比，確保使用方的加工工藝方法與供應(yīng)商方法的一致性。

5)結(jié)構(gòu)設(shè)計值確定：在材料和工藝確定后，從穩(wěn)定地、合格地制造機體結(jié)構(gòu)零部件考慮，針對典型的結(jié)構(gòu)細節(jié)或結(jié)構(gòu)件進行設(shè)計值的試驗，需獲得局方批準認可，從而獲得該部位結(jié)構(gòu)的設(shè)計許用值(CCAR25.613)，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析。

6)損傷容限評定：針對每種結(jié)構(gòu)，需要考慮制造中可接受的各類缺陷，進行試驗驗證，從而確定各類結(jié)構(gòu)件的制造驗收條件。研究確定使用中的損傷來源、部位、能量及大小，并按照損傷容限要求進行5類損傷的確定和試驗驗證，同時要考慮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理并進行驗證，以符合CCAR25.571條款的要求。

7)強度驗證：通過典型細節(jié)、連接、壁板類、梁肋類、盒段類，以及全尺寸部件的強度分析、靜力試驗、疲勞與損傷容限(考慮各類損傷)試驗驗證，以符合CCAR25.305、CCAR25.571條款的要求。

5 復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)試驗規(guī)劃的研究分析

對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件需要按照如圖5所示的積木式驗證步驟，逐級進行試驗研究攻克關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)圖5所示的積木式驗證等級劃分，試樣和元件級別的試驗是一般試驗件，只與材料和工藝有關(guān)，用于材料和工藝的選擇與驗證，主要用于建立材料數(shù)據(jù)庫。而典型結(jié)構(gòu)件、組合件、部件級別的試驗是特殊的試驗件，與結(jié)構(gòu)件的特征密切相關(guān)，主要用于結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計的選擇與驗證，所以必須根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況、結(jié)構(gòu)特征、工藝方法、制造缺陷、使用損傷、使用環(huán)境等來設(shè)計試驗件，并進行各種載荷與環(huán)境條件下的設(shè)計和試驗驗證。

5.1 研發(fā)過程試驗規(guī)劃研究分析

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研發(fā)階段必須進行工程研發(fā)試驗，根據(jù)其選擇的材料類型和結(jié)構(gòu)形式，進行工藝方法試驗研究，在確定材料、工藝方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，制定相關(guān)結(jié)構(gòu)件的材料規(guī)范與工藝規(guī)范草案。在上述研究過程中，同時還要對所確定的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進行支持分析方法的試驗研究，給出各種結(jié)構(gòu)的強度分析方法；對各種制造缺陷、使用中的各類主要損傷進行分析與試驗研究，確定缺陷/損傷的擴展特性和影響。進行各類結(jié)構(gòu)的修理方法的研究與試驗，確定合理可行的修理方法等。

1)材料研究：材料篩選與工藝選擇密不可分，必須一起進行。供應(yīng)商有責(zé)任確保使用方正確掌握其所供應(yīng)材料的工藝方法。供應(yīng)商應(yīng)當(dāng)提供選定材料在其工廠設(shè)施的工藝條件下加工的性能數(shù)據(jù)，使用方要在其實際用于生產(chǎn)的工藝條件下對選定材料進行加工和試驗，比較兩者的數(shù)據(jù)，確保使用方的工藝條件與供應(yīng)商的工藝條件之間的一致性。

2)工藝研究：在初步確定材料工藝規(guī)范的基礎(chǔ)上進行，通過試驗確定工藝規(guī)范中的參數(shù)，形成工藝規(guī)范，包括無損檢測規(guī)范。

3)零件制造：針對各類結(jié)構(gòu)件進行實際生產(chǎn)構(gòu)型的零件成型工藝研究，需要對模具設(shè)計與制造進行研究和控制，對零件進行熱分布測定、剖切試驗，開展PPM工作，可按照結(jié)構(gòu)研發(fā)試驗件的構(gòu)型進行研究。

4)結(jié)構(gòu)件研發(fā)：結(jié)構(gòu)件構(gòu)型選擇試驗，包括壁板(平板、曲板)、長桁、框、梁等。結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計及選擇，包括各類連接試驗、整體化結(jié)構(gòu)細節(jié)等的試驗和選擇，分析方法的研究與驗證。

5)許用值和設(shè)計值：在工藝研究未完成之前，可先進行一個批次的摸底試驗，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要考慮各種使用環(huán)境因素。當(dāng)工藝規(guī)范確定或批準后，則進行全面的許用值試驗，用于結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計與驗證。

6)損傷容限：編制復(fù)合材料的載荷譜，通過疲勞試驗確定低載截除值。確定各類結(jié)構(gòu)件及細節(jié)的損傷特性，包括制造缺陷、沖擊損傷的引入。損傷的類型、大小、部位、能量需要通過試驗和統(tǒng)計分析獲得，必須涵蓋使用中的各類損傷。目標(biāo)是驗證各類結(jié)構(gòu)件的5類損傷(BVID、VID、LVID、離散源損傷、非正常損傷)和制造缺陷，提供經(jīng)過驗證的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件驗收技術(shù)條件和結(jié)構(gòu)檢查大綱。

7)修理：選擇修理材料、修理工藝、修理設(shè)計、修理分析、修理容限，要考慮使用中的維護修理，通過修理試驗，確定修理方法并得到驗證。

5.2 適航驗證試驗

根據(jù)CCAR25部適航條款的符合性驗證分析，針對每個條款開展適航驗證試驗，并遵循AC20-107B咨詢通報的要求。需要關(guān)注的是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強度驗證試驗不能僅靠全尺寸試驗來驗證，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點、工藝方法規(guī)劃積木式的各級別驗證試驗來表明符合性。所有的適航驗證試驗都需要經(jīng)過局方的審批、制造符合性檢查、現(xiàn)場目擊、批準過程，最終獲得條款關(guān)閉的適航批準。

1)材料：編制材料規(guī)范，進行現(xiàn)場PCD審核，編制材料規(guī)范的鑒定試驗大綱，進行材料預(yù)鑒定、鑒定試驗。

2)工藝：編制工藝規(guī)范、工藝規(guī)范的驗證試驗大綱，進行工藝驗證試驗。

3)零件制造：針對各類結(jié)構(gòu)件，進行全尺寸零件和整體成型結(jié)構(gòu)件的試生產(chǎn)鑒定試驗(PPV(Preproduction Verification))。

4)許用值：在工藝規(guī)范確定后進行許用值的試驗，需要考慮各種使用環(huán)境的影響。

5)結(jié)構(gòu)驗證：針對各結(jié)構(gòu)細節(jié)、典型結(jié)構(gòu)件、全尺寸結(jié)構(gòu)部件進行驗證試驗。

6)損傷容限：對每個部件所確定的5類損傷(BVID(Barely Visible Impact Damage)、VID(Visible Impact Damage)、LVID(Large Visible Impact Damage)、離散源損傷、非正常損傷)進行驗證，對可接受的制造缺陷進行驗證，與結(jié)構(gòu)驗證同時進行。

7)修理：對每個部件(需修理的部位)的修理方法(修理材料、修理工藝、修理設(shè)計、修理分析、修理容限)進行驗證后編入修理手冊，可與結(jié)構(gòu)驗證一同進行。對于結(jié)構(gòu)細節(jié)、結(jié)構(gòu)件的驗證，靜力、疲勞、損傷容限需要一起進行，并要考慮環(huán)境影響。

6 結(jié)論

通過對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航要求的深刻理解和分析認為，有充分的試驗支持，制造過程可控，持續(xù)保持經(jīng)驗證的構(gòu)型狀態(tài)是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性的根本保證，也是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的設(shè)計和制造獲取局方批準的重要前提。因此要充分重視復(fù)合材料的材料、工藝、設(shè)計、分析、制造、檢測、驗證和使用維護的一體化的研制思路，統(tǒng)籌規(guī)劃各專業(yè)關(guān)于材料、工藝、設(shè)計、分析、制造、檢測、驗證和使用維護的試驗任務(wù)，全面按照積木式的研發(fā)試驗和積木式的驗證來規(guī)劃試驗并開展研制工作。

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[6] 鄭曉玲.民用飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗證[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2011.11.

[7] AC 25.571-1D. Damage Tolerance and Fatigue Evaluation of Structure[S].USA: FAA, Jan.13, 2011.

Analysis and Research on the Airworthihess Compliance of Compisite Structure

ZHENG Xiaoling

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

Based on the research of the requirements of composite material, process, its structure design, analysis, manufacturing technologies, verification process, maintenance and repair, etc. give the airworthiness compliance method and test planning suggestions to provide technical support for primary composite airframe structure application in the civil aircraft.

composite; airworthiness compliance; automatic layer up; automatic manufacture; test plan

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.01.001

V221+.91

A

鄭曉玲 女，博士，研究員，副總師。主要研究方向：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研制，耐久性與損傷容限的設(shè)計與驗證;E-mail： zhengxiaoling@comac.cc