飛機(jī)典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷力學(xué)性能研究

宋鐵華

摘 要：飛機(jī)復(fù)合材料是一種復(fù)雜的多相體系，并且結(jié)構(gòu)及材料成形同時(shí)完成，成型過(guò)程中各種不確定的影響因素都難以避免會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷。飛機(jī)在使用過(guò)程中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)會(huì)受到載荷的作用、人為因素和自然環(huán)境條件的影響而導(dǎo)致各類(lèi)的損傷產(chǎn)生。了解復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件損傷力學(xué)性能，對(duì)于保障飛機(jī)安全高效運(yùn)行是十分重要的。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)；典型復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)損傷；力學(xué)性能

1 影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料設(shè)計(jì)的因素分析

1）周?chē)h(huán)境的不同會(huì)影響到飛機(jī)的使用情況，因?yàn)轱w機(jī)的結(jié)構(gòu)組成材料對(duì)環(huán)境的要求極高，比如在潮濕的環(huán)境下，一些復(fù)合材料就會(huì)生銹，這樣一來(lái)就會(huì)造成零件受損、老化。在飛機(jī)使用的過(guò)程中會(huì)帶來(lái)非常大的麻煩，飛機(jī)零件受損，飛機(jī)的安全性就出現(xiàn)了問(wèn)題，在飛行過(guò)程中，很容易發(fā)生事故，因此設(shè)計(jì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)該考慮到環(huán)境因素的影響。

2）在設(shè)計(jì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)該注意開(kāi)孔所會(huì)帶來(lái)的影響。材料開(kāi)孔就會(huì)影響到復(fù)合材料的受力情況，飛機(jī)的受力是在飛行過(guò)程中能否承載一定質(zhì)量的參考標(biāo)準(zhǔn)，一旦受力問(wèn)題出現(xiàn)，就會(huì)影響飛機(jī)的使用質(zhì)量，就會(huì)影響飛機(jī)在飛行時(shí)的安全。

3）復(fù)合材料的選用也十分的重要，如果材料選用的不正確或者是材料的質(zhì)量不好，就會(huì)影響到飛機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，在以后的飛行工作中也會(huì)受到很大的影響，并且隨著社會(huì)的創(chuàng)新意識(shí)在增強(qiáng)，人們對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的要求也越來(lái)越高了，所以應(yīng)該根據(jù)技術(shù)不斷的發(fā)展，選取前景比較好的復(fù)合材料。

2 飛機(jī)典型復(fù)合材料的力學(xué)性能

1）材料受牽伸時(shí)的力學(xué)性能。材料斷裂時(shí)均具有較大的殘余變形，即均屬于塑性材料。不同的是，有些材料不存在明顯的屈服階段。對(duì)于不存在明顯屈服階段的塑性材料，工程中通常以卸載后產(chǎn)生數(shù)值為0.2%的殘余應(yīng)變的應(yīng)力作為屈服應(yīng)力，稱(chēng)為屈服強(qiáng)度。

至于脆性材料，例如灰口鑄鐵與陶瓷等，從開(kāi)始受力直至斷裂，變形始終很小，既不存在屈服階段，也無(wú)縮頸現(xiàn)象。

2）材料受壓縮時(shí)的力學(xué)性能。材料受壓時(shí)的力學(xué)性能由壓縮試驗(yàn)測(cè)定，一般細(xì)長(zhǎng)試樣壓縮時(shí)容易失穩(wěn)，因此在金屬壓縮試驗(yàn)中，通常采用短粗圓柱形試樣。在屈服之前，壓縮曲線與拉伸曲線基本重合，壓縮與拉伸時(shí)的屈服應(yīng)力與彈性模量大致相同。不同的是，隨著壓力不斷增大，低碳鋼試樣將愈壓愈"扁平" 。

3）材料的力學(xué)性能分析。評(píng)價(jià)一種材料和結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能無(wú)非主要是從以下三方面入手：強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。

強(qiáng)度指的是材料抵抗破壞的能力，在實(shí)際中具體體現(xiàn)在應(yīng)力分析上，更進(jìn)一步的分析是彈塑性極限分析，考慮了材料的塑性以后，可提高材料的許用應(yīng)力。疲勞與斷裂也屬于強(qiáng)度問(wèn)題。疲勞問(wèn)題主要出現(xiàn)在具有較高塑性的材料中，斷裂在微觀上是由于原子間或分子間的鍵斷開(kāi)而引起的，在宏觀上是由于結(jié)構(gòu)中裂紋的擴(kuò)展，使得結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的最大應(yīng)力高于結(jié)構(gòu)材料的破壞極限而引起斷裂，斷裂韌性用應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)表征。還有沖擊強(qiáng)度問(wèn)題，可以用應(yīng)力波的一套理論來(lái)解釋。

4）剛度指的是材料抵抗變形的能力，在實(shí)際中具體體現(xiàn)在變形分析上。穩(wěn)定性指的是結(jié)構(gòu)抵抗外來(lái)擾動(dòng)的能力。特別是梁、板、殼在壓縮載荷下的穩(wěn)定性問(wèn)題，穩(wěn)定性問(wèn)題也有不同的理論來(lái)解釋?zhuān)绫さ姆€(wěn)定性就有彈性穩(wěn)定性理論和塑性穩(wěn)定性理論之分，彈性穩(wěn)定性理論又有非線性大撓度理論、前屈曲一致理論、初始后屈曲理論等。穩(wěn)定性的另一方面是振動(dòng)分析，結(jié)構(gòu)的固有頻率、模態(tài)以及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相應(yīng)。對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率的分析是為了避免外力的頻率接近結(jié)構(gòu)的固有頻率而引起共振破壞。穩(wěn)定性問(wèn)題是結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)是極為重要的一個(gè)問(wèn)題。

3 飛機(jī)典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理技術(shù)

飛機(jī)復(fù)合材料的修理目的是最大限度的恢復(fù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的完整性和安全性，主要修理的效果如何與多種因素有關(guān)，如修理后的強(qiáng)度、耐久性、氣動(dòng)平滑度、重量、工作溫度、環(huán)境因素等，強(qiáng)度主要考慮恢復(fù)結(jié)構(gòu)的剛度、靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，因此，為了避免修理中出現(xiàn)意外的錯(cuò)誤，必須嚴(yán)格按照一定的操作規(guī)程進(jìn)行，一般的修理程序?yàn)椋?/p>

找出損傷區(qū)域→評(píng)估損傷的程度→損傷應(yīng)力的評(píng)估→修理方案設(shè)計(jì)→修理結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)備→補(bǔ)丁的制造→補(bǔ)丁的安裝→修理后的無(wú)損檢測(cè)。當(dāng)今復(fù)合材料修理的主要工藝有以下幾種：

3.1 復(fù)合材料的連接和打孔

飛機(jī)復(fù)合材料不同于其他金屬或合金材料，由于自身的特點(diǎn)，在修理時(shí)容易出現(xiàn)下列問(wèn)題：復(fù)合材料件裝配前的鉆孔困難，容易磨損鉆具，鉆孔附近易出現(xiàn)分層現(xiàn)象；復(fù)合材料與金屬件連接時(shí)，由于電位差較大，容易腐蝕金屬件；復(fù)合材料裝配時(shí)易造成損傷等，基于這種種原因，必須對(duì)打孔和連接工藝做特殊的處理，才能保證復(fù)合材料件的安裝和修理后的使用安全。

3.2 膠結(jié)修理技術(shù)

膠結(jié)修理的應(yīng)用非常廣泛，它的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)致應(yīng)力集中小，增重少。缺點(diǎn)是對(duì)施工環(huán)境要求高，質(zhì)量難以控制，其應(yīng)用主要在下面3個(gè)方面：

1）裝飾性修理。對(duì)僅影響氣動(dòng)外觀的小損傷如小凹坑、劃痕、脫漆等進(jìn)行的修理。

2）注膠修理。小面積脫膠或分層用該種方法修理，方法是鉆一些通往損傷層的小孔作為注膠孔和溢膠孔，將加熱的膠液用注膠槍從注膠孔注入，滲透到損傷層并從溢膠孔流出為止，然后加熱時(shí)膠液固化二完成修理。

3）補(bǔ)強(qiáng)修理。對(duì)豬承力構(gòu)件的較大損傷，要用補(bǔ)強(qiáng)板修理。補(bǔ)強(qiáng)板膠接修理有兩種方法：（1）外補(bǔ)強(qiáng)板修理，主要用于薄的層合板及蜂窩板的修理，用該種方法修理后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可達(dá)原結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度的50%-80%。（2）光滑外表面修理，主要用于較厚板或氣動(dòng)光滑性要求嚴(yán)格部位的修理效率高，修理后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可達(dá)原結(jié)構(gòu)材料極限強(qiáng)度的60%-100%。

3.3 鉚接（或螺接）修理技術(shù)

鉚（螺）接修理技術(shù)適用于較厚的整體壁板，常用的補(bǔ)板材料是鋁合金和鈦合金。鋁合金和碳纖維復(fù)合材料接觸時(shí)容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，因此，在用鋁合金修補(bǔ)時(shí)要在鋁合金板和復(fù)合材料之間進(jìn)行隔離，制作隔離層。鈦合金不存在這樣的問(wèn)題，可以直接用于復(fù)合材料修補(bǔ)。

3.4 微波快速修復(fù)

復(fù)合材料微波修復(fù)技術(shù)是指將微波引入復(fù)合材料修補(bǔ)領(lǐng)域，在修復(fù)區(qū)注入微波吸收劑，以提高修復(fù)區(qū)材料的導(dǎo)電磁率，同時(shí)用特殊設(shè)計(jì)的微波施加器對(duì)修復(fù)區(qū)施加微波能，使之在數(shù)十秒內(nèi)形成新的、更強(qiáng)的界面，見(jiàn)那個(gè)損傷或缺陷修復(fù)。

3.5 光固化預(yù)浸修理技術(shù)

光固化預(yù)浸膠接修理技術(shù)是利用光敏膠固化速度快的特點(diǎn)和適宜的力學(xué)性能，以光敏膠作基體樹(shù)脂，用玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，預(yù)先制備成預(yù)浸修理補(bǔ)片，根據(jù)修理對(duì)象的需求，選用合適的修理補(bǔ)片，在紫外光的輻照下迅速固化，以達(dá)到快速修復(fù)飛機(jī)蒙皮表面裂紋、孔洞、腐蝕、灼燒等損傷的方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

伴隨復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用范圍和重要性的增加，對(duì)其損傷的檢測(cè)和評(píng)估要求也相應(yīng)提高。通過(guò)對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷力學(xué)性能研究，可以更好的制定具體維修方案，是保證飛行安全的重要技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)

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