復合材料等同性試驗

孫盤滔

摘 要：本文敘述了復合材料等同性試驗原理和試驗數(shù)據(jù)處理程序。本文試圖通過此等同性試驗原理，說明在民用飛機生產(chǎn)中驗證使用同一材料、同一工藝由不同制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品（或僅在生產(chǎn)廠址轉(zhuǎn)變時）的等同性評估方法。

關(guān)鍵詞：復合材料；民用飛機；等同性試驗

1 前言

纖維增強聚合物基復合材料（碳纖維增強復合材料為代表）是現(xiàn)代民用航空器主要結(jié)構(gòu)材料之一，以其輕質(zhì)、高比強度、比剛度、抗疲勞等優(yōu)異性能及耐腐蝕、可設(shè)計、易于成型等特點，已用于機體主結(jié)構(gòu)，并廣泛用于各類其他結(jié)構(gòu)，在有些機型上的用量已占結(jié)構(gòu)重量的50%以上，在一些小型輕型飛機上復合材料的用量更高，出現(xiàn)了全復合材料飛機。復合材料用量的多少已經(jīng)成為衡量飛機先進性的指標之一。因此飛機復合材料結(jié)構(gòu)的使用備受關(guān)注。

在飛機復合材料結(jié)構(gòu)中，所使用的復合材料和工藝，需要通過足夠的試驗和試制以證明設(shè)計具有生產(chǎn)可重復性和可靠性。這通常啟動一個設(shè)計研制計劃，在計劃中通過試驗和分析事先評估結(jié)構(gòu)的性能。在復合材料飛機設(shè)計中，為證實復合材料構(gòu)件的性能與耐久性，一般采用“積木式方法”來進行設(shè)計研制試驗，以協(xié)同分析驗證。

在民用飛機設(shè)計中，復合材料積木式方法主要用于獲得材料的基準值和許用值，確定環(huán)境補償因子和疲勞分散性補償因子，驗證結(jié)構(gòu)的完整性。復合材料試驗按照數(shù)據(jù)應(yīng)用分為篩選試驗、材料鑒定試驗、驗收試驗、等同性試驗和結(jié)構(gòu)證實試驗。在等同性試驗中，用于等同性試驗的情況一般分為兩種：一種是材料/材料體系發(fā)生變化，另外一種是工藝/工藝過程的變化。

在民用飛機設(shè)計中，為確保制造商能夠制造出具有同最初制造和試驗鑒定等價的物理和化學性能的層壓板，需要制造商進行此材料的等同性試驗。

復合材料等同性評定方法可用盡量少的試驗證據(jù)證明新/替代材料或者新/改進工藝不會使結(jié)構(gòu)性能（首先是材料性能）發(fā)生變化，使結(jié)構(gòu)重新鑒定的工作量降到最少，是復合材料使用方降低制造成本的重要手段。

2 試驗方法和數(shù)據(jù)分析方法

2.1 等同性評定方法

評價復合材料的等同性首先要有一個現(xiàn)有的、已經(jīng)通過鑒定的比較完整的材料性能數(shù)據(jù)庫。在此數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，評價新/替代材料或者新/改進工藝相對于原始鑒定材料/工藝的材料性能的等同性。評價過程通常是通過對其關(guān)鍵的性能與原始鑒定數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行對比，以確定其是否與原始鑒定材料性能等同。等同性試驗的規(guī)模要能完整地反映待評價材料/工藝的各方面關(guān)鍵性能；同時此試驗的規(guī)模遠小于新材料/工藝的鑒定試驗規(guī)模。以此達到在顯著降低鑒定成本的同時，正確評價新/替代材料或新/改進工藝對于原始鑒定材料/工藝的等同性。

復合材料的等同性試驗評價一般分為兩種情況，一種是材料/材料體系發(fā)生變化，一種是工藝/工藝過程發(fā)生變化。

2.2 采用新生產(chǎn)線生產(chǎn)的復合材料等同性評定程序

在復合材料等同性評估中，存在一種情況：在生產(chǎn)中，客戶發(fā)布成熟的圖紙，由供應(yīng)商進行生產(chǎn)，在這過程中，由于復合材料的鑒定/研發(fā)試驗是在設(shè)計過程中由客戶完成，所以存在復合材料產(chǎn)品原材料的材料體系和生產(chǎn)工藝與初始鑒定的材料體系和生產(chǎn)工藝相同，但是生產(chǎn)地點不同的情況，這時需要對新生產(chǎn)線生產(chǎn)的復合材料產(chǎn)品性能與原進行材料鑒定試驗用材料的生產(chǎn)線生產(chǎn)的復合材料產(chǎn)品進行等同性評定。此評定一般只進行組分級及單層板級試驗。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法—正則化方法

數(shù)據(jù)正則化方法是試驗后的數(shù)據(jù)處理過程，用于消除試驗數(shù)據(jù)中因纖維局部變化所造成的人為偏差。數(shù)據(jù)正則化方法是把原始的試驗值調(diào)整到一個規(guī)定的纖維體積含量。數(shù)據(jù)正則化方法的基礎(chǔ)是忽略高纖維含量時品質(zhì)的影響。纖維體積含量和層壓板強度在整個纖維/樹脂比例范圍內(nèi)是線性關(guān)系，具體為：（1）在整個纖維/樹脂比例范圍內(nèi)，纖維體積含量與層壓板極限強度之間呈線性關(guān)系。（2）在纖維體積含量為0.45-0.65的范圍內(nèi)，認為纖維體積含量與層壓板固化后單層厚度之間呈線性關(guān)系。

數(shù)據(jù)正則化方法計算方程如下：

式中：

CPT試樣 ——實際試樣單層厚度

CPT正則化——相對于纖維體積分數(shù)正則化后的單層厚度

在統(tǒng)計檢測中，應(yīng)把初始鑒定中被正則化的那些性能值，與后來材料的正則化的性能比較。且對這兩組數(shù)據(jù)進行正則化的方法應(yīng)相同。

3 結(jié)束語

本試驗原理是基于FAA-DOT-AR-03-191《聚合物基復合材料體系的材料認 證（取證）和等同性》文件指導，本試驗計劃的實施可驗證同一材料、同一工藝由不同制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品的等同性。該類等同性試驗是民用飛機生產(chǎn)中不可或缺的一環(huán)，是確保設(shè)計有效性的基礎(chǔ)。

通過該等同性評估試驗，有助于更具體的理解復合材料積木式試驗中的等同性試驗，也有助于研究復合材料積木式試驗中材料篩選試驗、材料鑒定試驗、結(jié)構(gòu)證實試驗等。

參考文獻

[1]區(qū)煥文，徐穩(wěn)林，冼定國.等效介質(zhì)理論在各向同性復合材料的彈性性能上的應(yīng)用[J].復合材料學報，1994，11（1）：49-58.

（作者單位：中航沈飛民用飛機有限責任公司 工程研發(fā)中心）