葛春生，魏士禮

（中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 遼寧 沈陽 110000）

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，材料技術(shù)得到飛速發(fā)展，其中先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展尤為突出。大型民用客機(jī)的材料應(yīng)用也逐步由以金屬材料為主的結(jié)構(gòu)形式逐步發(fā)展成以復(fù)合材料為主要材料。美國波音公司第一代民用客機(jī)B707的復(fù)合材料用量為0，20世紀(jì)六、七十年代，先進(jìn)復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的用量僅為1%～3%，金屬材料占絕對主導(dǎo)地位。經(jīng)過50多年的發(fā)展，如今B787夢想飛機(jī)上所用的鋁合金僅占20%，先進(jìn)復(fù)合材料的用量高達(dá)50%[1]，空客新一代客機(jī)A350的復(fù)合材料用量甚至達(dá)到52%[2]。我國復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用起步較晚，直到近些年隨著大飛機(jī)項目的啟動和發(fā)展，才帶動了復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用，在我國最新一代寬體客機(jī)CR929飛機(jī)的復(fù)合材料用量也有望達(dá)到50%左右。

由于復(fù)合材料相比傳統(tǒng)金屬材料的特殊性，以復(fù)合材料為主的結(jié)構(gòu)部件所要進(jìn)行的試驗要遠(yuǎn)比以金屬材料為主的飛機(jī)所進(jìn)行的試驗多得多，這就要求飛機(jī)研制過程中嚴(yán)格按照復(fù)合材料符合性驗證的流程開展相關(guān)試驗驗證工作。

1 復(fù)合材料的適航審定基礎(chǔ)

民用飛機(jī)在設(shè)計過程中要滿足適航要求，國際上采用的各適航規(guī)章中對材料的審定也做出了相關(guān)要求和規(guī)定。以中國適航規(guī)章CCAR25部為例，從材料角度要滿足第25.603條款的要求，從結(jié)構(gòu)強度角度要滿足25.613的要求[3]。

適航條款提出了復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須滿足的原則，但并未提供如何證明復(fù)合材料滿足這些原則的方法。目前在實際驗證中一般遵循美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）于2009年9月修訂頒布的AC20-107B《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)》，該咨詢通報是在1984年4月25日頒布的AC20-107A“復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)”基礎(chǔ)上進(jìn)行升級的修訂版，是目前有關(guān)復(fù)合材料適航審定的一份較系統(tǒng)、完整的文件，從材料與制造、靜力、疲勞和損傷容限驗證等方面提出了具體要求和指導(dǎo)規(guī)范，進(jìn)一步明確和推薦了復(fù)合材料在民機(jī)上應(yīng)用的適航審查技術(shù)、程序要求和工作指南，是飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可接受但非唯一的適航驗證方法。

該通報建議復(fù)合材料結(jié)構(gòu)驗證采用“積木式方法”[4]，將飛機(jī)研制過程中的試驗驗證環(huán)節(jié)根據(jù)試驗件尺寸的大小劃分成試樣級、元件級、次組件級、組件級和全尺寸級5個級別的試驗，見圖1。采用該方法可以減小試驗風(fēng)險和降低成本，同時使得復(fù)合材料設(shè)計和適航審定規(guī)范化，是目前在復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)研制中普遍采用的驗證方法。

積木式試驗從設(shè)計和制造角度分為工程研發(fā)試驗和工藝試驗，兩種試驗在飛機(jī)研發(fā)過程中并行開展，相輔相成。本文以民用飛機(jī)復(fù)合材料垂尾結(jié)構(gòu)為例，探索規(guī)劃工程研發(fā)試驗的積木式驗證試驗的規(guī)劃方法。

2 復(fù)合材料垂尾結(jié)構(gòu)概述

大型民用飛機(jī)復(fù)合材料尾翼通常由垂直安定面和方向舵組成，垂直安定面又由前緣、主盒段和后緣等結(jié)構(gòu)組成，除部分肋、接頭等結(jié)構(gòu)外，其余結(jié)構(gòu)均可采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

垂尾主盒段一般采用雙梁多肋的結(jié)構(gòu)形式，由壁板、前/后梁和翼肋組成，除端肋外，其余均可采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。翼盒壁板采用整體加筋設(shè)計，整個翼盒通過壁板根部的金屬對接接頭與后機(jī)身連接。

前緣采用前緣艙和可卸前緣的結(jié)構(gòu)形式，主要起到維持外形和抗鳥撞的作用，其中前緣蒙皮和前緣艙壁板均可采用復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。

后緣結(jié)構(gòu)主要用于懸掛方向舵并為系統(tǒng)管路等提供空間，其中后緣艙壁板主要用于維持氣動外形，通常采用蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。

升降舵作為次承力結(jié)構(gòu)，可采用典型的夾芯壁板與單梁疏肋的結(jié)構(gòu)形式，其中梁、壁板、肋等均可采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

垂尾典型結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

3 垂尾積木式試驗規(guī)劃

復(fù)合材料積木式試驗的工程試驗主要是確定典型結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)型、參數(shù)定義和細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)與連接結(jié)構(gòu)的尺寸定義，并驗證典型結(jié)構(gòu)強度分析方法。

復(fù)合材料積木式試驗方法主要從試樣級、元件級、次組件級、組件級和全尺寸級5個級別進(jìn)行驗證。以復(fù)合材料垂尾為例，積木式試驗應(yīng)對以下試驗內(nèi)容進(jìn)行規(guī)劃。

3.1 試樣級試驗

試樣級試驗為材料強度相關(guān)試驗，主要研究材料基礎(chǔ)性能、數(shù)據(jù)庫建立，如材料許用值、層合板疲勞門檻值、損傷特性等。垂尾試樣級試驗至少應(yīng)包括以下幾種。

（1）材料鑒定試驗。該試驗針對選用的復(fù)合材料，對相應(yīng)材料規(guī)范中所規(guī)定的物理性能和力學(xué)性能等指標(biāo)進(jìn)行驗證，確認(rèn)選用的材料滿足CCAR25.603的要求。

（2）設(shè)計許用值試驗。該試驗屬于驗證類試驗，作為CCAR25.613條款驗證重要依據(jù)。試驗考慮兩種高溫濕態(tài)環(huán)境及一種低溫干態(tài)及室溫干態(tài)影響，材料應(yīng)包含所有使用的材料以及修理材料。

（3）疲勞門檻值試驗。該試驗用于確定層板結(jié)構(gòu)損傷無擴(kuò)展的載荷/應(yīng)變門檻值，并研究低載截除限，用于積木式試驗中其他試驗中對譜載低載情況進(jìn)行截除。疲勞門檻值試驗是CCAR25.571條款驗證的重要依據(jù)。

（4）典型連接設(shè)計值試驗。該試驗用于獲得層板機(jī)械連接設(shè)計許用值，并獲得工程中部分超差的處理所需的數(shù)據(jù)，如加墊、沉頭過深等。

（5）典型層板損傷特性試驗。該試驗考慮復(fù)合材料壁板蜂窩夾心板在不同能量沖擊下獲得的自BVID至VID的4種不同程度的損傷。

除此，還包括材料動態(tài)力學(xué)性能試驗（鳥撞）、層板厚度超差影響試驗、層板褶皺影響試驗、蜂窩缺陷影響試驗、蜂窩脫粘影響試驗。

試樣級試驗是驗證復(fù)合材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)試驗，直接關(guān)系到強度分析和優(yōu)化的結(jié)果，為保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全性，需對材料級試驗進(jìn)行多個批次、多個爐次的試驗[5]。

3.2 元件級試驗

元件級試驗主要驗證典型結(jié)構(gòu)特征的強度特性和數(shù)據(jù)庫的建立。在試驗實施過程中應(yīng)針對垂尾的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)特征來規(guī)劃試驗，對于典型的雙梁多肋復(fù)合材料垂尾結(jié)構(gòu)，可規(guī)劃有關(guān)長桁、梁、肋等結(jié)構(gòu)的元件級試驗，如長桁細(xì)節(jié)壓縮、長桁剖面選型等。垂尾元件級試驗主要包括以下幾種。

（1）長桁壓損試驗。該試驗作為長桁類零件的基礎(chǔ)試驗，通過該試驗可獲得期望的長桁失效模式；獲得長桁壓損載荷，驗證工程算法保守性；獲得BVID對長桁壓損強度的影響因子；獲得環(huán)境影響因子。

（2）梁緣條壓損試驗。該試驗作為梁類的基礎(chǔ)試驗，通過該試驗可獲得期望的梁緣條失效模式；獲得梁緣條壓損載荷，驗證工程算法保守性；獲得預(yù)埋缺陷對梁緣條壓損強度的影響因子；獲得環(huán)境影響因子。

（3）長桁截止端強度試驗。長桁截止端為壁板典型細(xì)節(jié)，該處結(jié)構(gòu)不連續(xù)，易產(chǎn)生面外載荷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)提前發(fā)生細(xì)節(jié)破壞，為研究長桁端頭的這些設(shè)計細(xì)節(jié)，開展長桁截止端試驗，應(yīng)包括靜強度試驗和疲勞損傷容限試驗等試驗內(nèi)容。

（4）曲梁4點彎試驗。該試驗為梁類零件必要的基礎(chǔ)試驗，通過該類試驗可獲得期望的失效模式；獲得層間拉伸強度許用值；獲得環(huán)境影響因子；獲得預(yù)埋缺陷對層間拉伸強度的影響因子。

（5）V型缺口梁剪切試驗。該試驗為梁類零件必要的基礎(chǔ)試驗，通過該試驗可獲得期望的失效模式，獲得層間剪切強度。

（6）典型連接結(jié)構(gòu)面外拉伸試驗。垂尾梁和肋均與蒙皮連接，為驗證梁、肋的R區(qū)性能，應(yīng)進(jìn)行梁、肋與蒙皮面外拉伸試驗。通過該試驗可獲得期望的失效模式；獲得R角承載能力，驗證工程算法的保守性；獲得環(huán)境影響因子；獲得疲勞后試驗件的剩余強度等。

除此，還包括R區(qū)厚度超差影響試驗、鋪層遞減研發(fā)試驗、金屬/復(fù)材連接試驗（熱應(yīng)力）、典型層板修理參數(shù)試驗、蜂窩層板損傷試驗。

有關(guān)試樣級和元件級的材料試驗，美國材料與試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTMD30中對各類材料試驗的方法、過程、設(shè)備、數(shù)據(jù)處理等做了詳細(xì)的介紹，是該類試驗的主要參考依據(jù)[6]。

3.3 典型結(jié)構(gòu)件級試驗

典型結(jié)構(gòu)件級試驗用于驗證典型結(jié)構(gòu)特征或細(xì)節(jié)特性，如典型結(jié)構(gòu)的連接、結(jié)構(gòu)選型等，垂尾典型結(jié)構(gòu)件級試驗可規(guī)劃以下內(nèi)容。

（1）壁板加筋形式選型試驗。該試驗用于選擇壁板加筋的截面形式（如T型和工型）、蒙皮與長桁的固化連接形式、長桁間距和數(shù)量、鋪層組合等。

（2）加筋壁板力學(xué)性能試驗。加筋壁板力學(xué)性能試驗用于驗證不同加筋壁板的軸壓、壓剪等力學(xué)性能，驗證壁板靜強度分析方法與剩余強度分析方法，并驗證壁板的疲勞損傷特性。

（3）夾層結(jié)構(gòu)芯材選型試驗。該試驗用于對夾層板結(jié)構(gòu)采用蜂窩、泡沫不同芯材在重量、成本、維修、工藝性等方面的驗證和對比，選擇更為合理的夾層板結(jié)構(gòu)形式。

（4）梁腹板開口試驗。該試驗用于驗證梁腹板開口的形狀尺寸、強度分析方法和不同補強方式性能，如插層補強和加強支柱補強等。

除此，還包括電流傳導(dǎo)試驗、典型結(jié)構(gòu)允許損傷試驗、典型結(jié)構(gòu)可修理損傷試驗、筋壁板修理驗證試驗。

3.4 組合件級試驗

組合件級試驗是能夠反映部段特征的典型組合件，如典型盒段、壁板等，通過組合件級試驗?zāi)苓M(jìn)一步驗驗證典型部段的性能和特征，驗證強度分析方法。垂尾組合件級試驗可規(guī)劃以下內(nèi)容。

（1）典型盒段試驗。該試驗件應(yīng)反映主翼盒的設(shè)計特征和參數(shù)，至少要包括壁板、梁、肋等結(jié)構(gòu)，通過該試驗可驗證壁板強度分析方法、梁腹板開口強度分析方法與剩余強度分析方法，并獲得主翼盒的損傷容限性能。

（2）垂尾前緣典型段鳥撞試驗。典型段鳥撞試驗作為鳥撞驗證試驗的關(guān)鍵一環(huán)，垂尾前緣典型結(jié)構(gòu)鳥撞試驗是必要和必需的，通過該試驗可驗證動力學(xué)分析方法和仿真參數(shù)，驗證鳥撞結(jié)構(gòu)的合理性，為全尺寸級鳥撞試驗提供準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

除此，還包括閃電防護(hù)試驗、熱應(yīng)力分析試驗、關(guān)鍵接頭連接試驗。

3.5 部件級試驗

部件級試驗一般為全尺寸級部件，是與實際產(chǎn)品完全一致的結(jié)構(gòu)部件，是對前期試驗的最終驗證，是對適航符合性驗證最具說服力的證明。垂尾部件級試驗可規(guī)劃以下內(nèi)容。

（1）垂尾與機(jī)身連接試驗。垂尾與機(jī)身的界面為垂尾的關(guān)鍵連接，垂尾全部的載荷均通過該處結(jié)構(gòu)傳遞至機(jī)身，通過該試驗可驗證垂尾根部結(jié)構(gòu)及其連接是否滿足靜強度要求，驗證垂尾根部結(jié)構(gòu)及其連接靜強度分析方法。

（2）全尺寸垂尾前緣鳥撞試驗。在全尺寸鳥撞試驗中，通過前期鳥撞結(jié)構(gòu)的選型和典型鳥撞試驗件結(jié)果，采用最優(yōu)前緣構(gòu)型的全尺寸前緣結(jié)構(gòu)，并對其薄弱段進(jìn)行鳥撞驗證試驗，驗證鳥撞分析結(jié)果和參數(shù)，考察所篩選出的最優(yōu)構(gòu)型是否滿足條款25.631的要求。

除此，還包括垂直安定面靜力和疲勞損傷容限試驗、方向舵靜力和疲勞損傷容限試驗。

除上述工程試驗外，相關(guān)制造部門還應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和自身生產(chǎn)能力與經(jīng)驗開展工藝研發(fā)試驗，如驗證固化參數(shù)，驗證長桁、壁板、梁等結(jié)構(gòu)的制造方案，驗證梁緣回彈情況，驗證典型結(jié)構(gòu)定位精度，驗證檢測方案和裝配方案等，以確保正式產(chǎn)品制造時的工藝可行性和穩(wěn)定性。工藝研發(fā)試驗與工程研發(fā)試驗應(yīng)并行開展，也可以交叉驗證，如在典型壁板的靜力學(xué)試驗中，可同時驗證長桁的制造工藝和細(xì)節(jié)參數(shù)的工藝性，以降低研發(fā)成本，節(jié)約資源。

4 積木式試驗矩陣設(shè)計原則

積木式試驗旨在建立基于計算機(jī)輔助工程（computer aided engineering,CAE）的試驗體系（包括標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、方法、工具），通過分析和試驗等方式表明適航符合性。在進(jìn)行復(fù)合材料的積木式試驗規(guī)劃時，總體上可遵循以下原則。

（1）積木式原則。復(fù)合材料試驗矩陣應(yīng)嚴(yán)格按照積木式原則，以AC20-107B為依據(jù)進(jìn)行積木式試驗規(guī)劃，按照復(fù)雜程度遞增的方式，從試樣級、元件級、典型結(jié)構(gòu)件級、組合件級到全尺寸級遞進(jìn)完善。

（2）完整性原則。復(fù)合材料試驗矩陣應(yīng)確保矩陣的完整性，包括內(nèi)容完整性、結(jié)構(gòu)完整性、失效模式完整性、功能完整性、環(huán)境完整性等。

（3）有限目標(biāo)原則?？紤]到復(fù)合材料試驗的規(guī)模、周期、成本及可實施性，按照試驗需求的輕重緩急，重點開展擬采用的材料、構(gòu)型和工藝方法進(jìn)行試驗。

（4）矩陣最小原則。提高試驗件的通用性，綜合考慮各專業(yè)的驗證需求，將試驗項目進(jìn)行整合，并保持材料和結(jié)構(gòu)的繼承性，以節(jié)省經(jīng)費，縮短周期，提高效率。

（5）成本最低原則。在矩陣最小原則的基礎(chǔ)上，制造過程中充分利用現(xiàn)有工裝，并提高新制工裝的共用性，以降低成本。

（6）動態(tài)更新原則。在試驗過程中，隨著試驗數(shù)據(jù)積累和認(rèn)知的提升，應(yīng)適時對試驗矩陣進(jìn)行動態(tài)更新，不斷完善試驗矩陣。

5 結(jié)語

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的積木式驗證試驗是一個龐大的系統(tǒng)工程，涉及規(guī)劃、設(shè)計、制造、實施、驗證等各方面。對于新研發(fā)機(jī)型的垂尾部段來說，完整的積木式試驗將多達(dá)成千上萬件，從試樣級到部件級的數(shù)量依次減少，試驗難度依次增加，其驗證過程將直接決定適航審定的結(jié)果，因此復(fù)合材料的積木式驗證試驗從規(guī)劃、設(shè)計、制造、實施等方面綜合考慮，保證積木式試驗應(yīng)具有系統(tǒng)性、完整性、嚴(yán)謹(jǐn)性和繼承性，試驗過程和結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性、準(zhǔn)確性，以滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的適航審定要求。