復(fù)合材料力學(xué)緒論

1、商用飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼壁板商用飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼壁板商用飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼盒段商用飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼盒段三、國外民機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃成果的應(yīng)用情況三、國外民機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃成果的應(yīng)用情況ACT計(jì)劃復(fù)合材料機(jī)身計(jì)劃復(fù)合材料機(jī)身 B7E7機(jī)體結(jié)構(gòu)、機(jī)翼主承力盒機(jī)體結(jié)構(gòu)、機(jī)翼主承力盒段將采用碳纖維復(fù)合材料段將采用碳纖維復(fù)合材料-鈦合金層鈦合金層壓板，復(fù)合材料機(jī)身，以及采用非壓板，復(fù)合材料機(jī)身，以及采用非熱壓罐的真空輔助樹脂傳遞模塑工熱壓罐的真空輔助樹脂傳遞模塑工藝（藝（VaRTM）制造的復(fù)合材料前機(jī)）制造的復(fù)合材料前機(jī)身等。先進(jìn)復(fù)合材料、下一代合金身等。先進(jìn)復(fù)合材料、下一代合金以及纖維以及纖維金屬層合板的

2、最終用量金屬層合板的最終用量會(huì)達(dá)到會(huì)達(dá)到50%以上。以上。787的設(shè)計(jì)思想與的設(shè)計(jì)思想與ACT和和AST計(jì)劃所取得的成果有著計(jì)劃所取得的成果有著直接的關(guān)系。直接的關(guān)系。 B787復(fù)合材料機(jī)身整體結(jié)構(gòu)驗(yàn)證樣段復(fù)合材料機(jī)身整體結(jié)構(gòu)驗(yàn)證樣段(7米長、米長、6米寬米寬)，可顯著減少零件數(shù)量，減重約達(dá)，可顯著減少零件數(shù)量，減重約達(dá)20%。飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼主起落架接頭飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼主起落架接頭三維編織機(jī)身舷窗窗框復(fù)合材料機(jī)身壁板比強(qiáng)度和比剛度 飛機(jī)結(jié)構(gòu)上使用的復(fù)合材料以碳纖維/環(huán)氧樹脂為代表，它具有高的比強(qiáng)度(b/)和比剛度(E/)，可使飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量大幅度減小。表1-3列出了幾種單向復(fù)合材料與常用金屬

3、材料性能的比較。更為先進(jìn)的T800/改性環(huán)氧樹脂的比強(qiáng)度可高出鋁合金10倍，比剛度高出4倍。表表1-3 幾種結(jié)構(gòu)材料性能比較幾種結(jié)構(gòu)材料性能比較拉伸強(qiáng)度(MPa)拉伸模量(GPa)比強(qiáng)度MPa/(g/cm3)比剛度GPa/(g/cm3)密度(g/cm3)鋁合金42072.0151.125.92.78鋼(結(jié)構(gòu)用)1 200206.0152.926.37.85鈦合金1 000116.7221.225.84.52玻璃纖維/聚酯復(fù)合材料1 24548.2623.024.12.0高強(qiáng)度碳/環(huán)氧樹脂1 471137.31 01494.71.45高模量碳/環(huán)氧樹脂1 049235.0656.0146.91.

4、60芳綸/環(huán)氧樹脂1 37378.4981.056.01.40一、民機(jī)發(fā)展與復(fù)合材料應(yīng)用一、民機(jī)發(fā)展與復(fù)合材料應(yīng)用B707B737B747B757B767B777B787B727B717A350B747-8產(chǎn)品發(fā)展方向產(chǎn)品發(fā)展方向全譜化全譜化系列化系列化A380復(fù)合材料應(yīng)用水平不斷提高復(fù)合材料應(yīng)用水平不斷提高 復(fù)合材料機(jī)身與機(jī)翼復(fù)合材料機(jī)身與機(jī)翼復(fù)合材料機(jī)翼復(fù)合材料機(jī)翼A380復(fù)合材料部件復(fù)合材料部件 (用量用量23%)Boeing 787 結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成復(fù)合材料層合板復(fù)合材料層合板復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)玻璃鋼復(fù)合材料玻璃鋼復(fù)合材料鋁合金鋁合金鈦合金鈦合金結(jié)構(gòu)的主要材料構(gòu)成

5、結(jié)構(gòu)的主要材料構(gòu)成Boeing 787 機(jī)身結(jié)構(gòu)特征機(jī)身結(jié)構(gòu)特征桁條桁條抗剪帶抗剪帶蒙皮蒙皮地板帶地板帶框框全復(fù)合材料機(jī)身具有良好的抗全復(fù)合材料機(jī)身具有良好的抗疲勞與抗腐蝕性能，可以使座疲勞與抗腐蝕性能，可以使座艙：艙：承受更大的壓力承受更大的壓力提高的濕度提高的濕度安裝更大的視窗安裝更大的視窗空客飛機(jī)進(jìn)化技術(shù)特征空客飛機(jī)進(jìn)化技術(shù)特征雙人駕駛艙雙人駕駛艙雙發(fā)雙通道飛機(jī)雙發(fā)雙通道飛機(jī)側(cè)桿控制器側(cè)桿控制器碳纖維復(fù)合材碳纖維復(fù)合材料中央翼盒料中央翼盒全新氣動(dòng)技術(shù)機(jī)翼全新氣動(dòng)技術(shù)機(jī)翼A310A300A320A380A340A300B2A310-200A320-200A330-300A340-300A3

6、40-600碳纖維復(fù)合材碳纖維復(fù)合材料垂尾料垂尾第二代數(shù)字飛控系統(tǒng)第二代數(shù)字飛控系統(tǒng)變頻發(fā)電機(jī)變頻發(fā)電機(jī)碳纖維復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料乘客艙后端乘客艙后端密封密封球形隔墻球形隔墻1970198019902000A380高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)用量達(dá)高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)用量達(dá)62%空客第一架全復(fù)合材料機(jī)翼飛機(jī)空客第一架全復(fù)合材料機(jī)翼飛機(jī)在中型民機(jī)中燃油消耗最低在中型民機(jī)中燃油消耗最低 百百公里公里2.5升升/ 人人機(jī)組人員休息不占用座艙空間機(jī)組人員休息不占用座艙空間超寬客機(jī)超寬客機(jī) A350051015202530354045197019751980198519901995200020052010復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量

7、與飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量之比復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量與飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量之比%A300A310-200A320A340-300A340-600A380A400M服役起始年服役起始年空客飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展歷程空客飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展歷程A350Airbus復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展歷程復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展歷程1980-19901990-20001970-19802000-20101970-19801980-19901990-20002000-2010A310-300+ 升降舵+ 垂尾盒段件A400M+ 機(jī)翼+ 機(jī)身A300-B2整流裝置雷達(dá)罩A310-200+方向舵+擾流片+阻力板 A320-200+ 發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩+高抗扭盒段件+

8、 起落架艙門+ 副翼+ 襟翼+油箱高抗扭盒段件 A330-300A340-300+ 機(jī)翼前緣+ 龍骨梁+ 客艙后密封球形隔墻A340-600/500A380+ 中央翼盒+ 翼肋在過去的三十多年里，在過去的三十多年里， AIRBUS 不斷地把加大復(fù)合材料在飛機(jī)的應(yīng)用時(shí)不斷地把加大復(fù)合材料在飛機(jī)的應(yīng)用時(shí)不時(shí)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)不時(shí)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)單通道飛機(jī)單通道飛機(jī) A320 系列系列襟、副翼，擾流片襟、副翼，擾流片機(jī)翼前緣機(jī)翼前緣/ 導(dǎo)流片導(dǎo)流片發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩垂尾垂尾平尾平尾密封球形隔墻密封球形隔墻長航程長航程 A340-600J-形機(jī)翼前緣形機(jī)翼前緣龍骨梁龍骨梁空中巨無霸

9、空中巨無霸A380-800中央翼盒中央翼盒后機(jī)身后機(jī)身19截面截面后機(jī)身后機(jī)身19.1截面截面 副翼導(dǎo)軌安裝梁及副翼導(dǎo)軌安裝梁及側(cè)壁板側(cè)壁板翼肋翼肋預(yù)浸料預(yù)浸料 自動(dòng)預(yù)浸帶鋪迭制件自動(dòng)預(yù)浸帶鋪迭制件A340 高抗扭壁板高抗扭壁板A380 襟翼蒙皮襟翼蒙皮A380 中央翼盒壁板中央翼盒壁板纖維鋪放纖維鋪放A380 后機(jī)身后機(jī)身大型復(fù)雜形狀復(fù)合材料構(gòu)件大型復(fù)雜形狀復(fù)合材料構(gòu)件優(yōu)化后的復(fù)合材料鋪層優(yōu)化后的復(fù)合材料鋪層 在在A380上的首次上的首次 使用使用纖維鋪放機(jī)纖維鋪放機(jī)液體樹脂滲透技術(shù)的應(yīng)用液體樹脂滲透技術(shù)的應(yīng)用鋪覆編織帶鋪覆編織帶客艙后客艙后密封加筋密封加筋球形球形隔墻隔墻A380客艙后客艙

10、后密封加筋密封加筋球形球形隔墻隔墻樹脂轉(zhuǎn)移模塑工藝樹脂轉(zhuǎn)移模塑工藝A380 后機(jī)后框后機(jī)后框A380 副翼梁副翼梁A380 連接件連接件A380 centre wing boxA380 中央翼盒中央翼盒大型商用運(yùn)輸機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展大型商用運(yùn)輸機(jī)復(fù)合材料用量Airbus : A-340復(fù)合材料用量占飛機(jī)總重13% A-380復(fù)合材料用量占飛機(jī)總重20%Boeing : B-777復(fù)合材料用量占飛機(jī)總重10% B-7E7復(fù)合材料用量計(jì)劃占飛機(jī)總 重50%以上B-777復(fù)合材料使用情況 A-380復(fù)合材料使用情況軍用飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展F-18EF戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料占19%AV8-B鷂式戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料

11、占26%EF-2000中機(jī)身復(fù)合材料上壁板F-22復(fù)合材料用量占飛機(jī)總重26%F-22復(fù)合材料應(yīng)用情況 機(jī) 翼：蒙皮碳/雙馬 中梁碳/環(huán)氧 機(jī) 身：鈦合金、鋁合金、復(fù)合材 料 平尾安定面：碳/雙馬蒙皮鋁蜂窩夾層板 垂尾安定面：碳/雙馬蒙皮、碳/環(huán)氧梁 操 縱 面：復(fù)合材料蜂窩夾層板F-22復(fù)合材料機(jī)翼組裝情況B-2轟炸機(jī)（1989年首飛）B-2轟炸機(jī)復(fù)合材料使用情況 機(jī)翼：蒙皮和內(nèi)部結(jié)構(gòu)為碳/環(huán)氧的蜂窩夾 層板 機(jī)身：大量使用復(fù)合材料 C-17軍用運(yùn)輸機(jī)復(fù)合材料使用情況 原型機(jī)復(fù)合材料用于：次要結(jié)構(gòu)和操縱面 1994年將平尾改為復(fù)合材料（AS4/Epoxy） 1998年通過靜力試驗(yàn)： 133%

12、 Ultimate Load 破壞 2001年70架飛機(jī)全換為復(fù)合材料平尾C-17軍用運(yùn)輸機(jī)平尾 C-17軍用運(yùn)輸機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用效果 復(fù)合材料使用量占總重量8% 減 重：20% 減少零件數(shù)：90% 減少緊固件數(shù)：80% 降 低 成 本：50%V-22 旋 翼 機(jī) V-22旋翼機(jī)復(fù)合材料使用情況 機(jī) 翼：IM6/3501-6 機(jī)身和尾翼：AS4/3501-6 復(fù)合材料使用量占總重量41% 減 重：13% 減少零件數(shù)：35% 降 低 成本：22%科 曼 奇 直 升 機(jī)全球鷹無人偵查機(jī)捕食者無人偵查機(jī)X-45無人戰(zhàn)斗機(jī)無人直升機(jī)表表1-1 國外復(fù)合材料在軍機(jī)上的應(yīng)用情況國外復(fù)合材料在軍機(jī)上的應(yīng)用情況

13、國別機(jī) 種用量(%)首飛時(shí)間復(fù)合材料體系應(yīng) 用 情 況美F-1411969硼/環(huán)氧樹脂水平安定面F-151.21972硼/環(huán)氧樹脂水平安定面、垂直安定面、方向舵F-163.41976碳/環(huán)氧樹脂(AS4/3502)進(jìn)氣道斜板、垂尾、平尾。機(jī)翼蒙皮（碳/雙馬來酰亞胺）F/A-18A121978碳/環(huán)氧樹脂除前機(jī)身外，包括機(jī)翼在內(nèi)的所有蒙皮結(jié)構(gòu)。前機(jī)身邊條、翼根延伸段等AV-8B26.31982碳/環(huán)氧樹脂機(jī)翼蒙皮和亞結(jié)構(gòu)骨架，其機(jī)翼70%重量為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。比金屬結(jié)構(gòu)減重20%以上。機(jī)翼梁和肋為“工”形剖面，腹板為正弦波紋板A-612碳/環(huán)氧樹脂機(jī)翼蒙皮B-1轟炸機(jī)碳/環(huán)氧樹脂、硼/環(huán)氧樹脂、K

14、evlar49/環(huán)氧樹脂機(jī)身大梁、平尾、垂尾、前緣縫翼、襟翼、進(jìn)氣道斜板、艙門等X-31A171990碳/增韌環(huán)氧(IM6/6376)機(jī)翼、機(jī)身蒙皮YF-22231991碳/增韌雙馬(IM7/5250-2)機(jī)翼、中機(jī)身隔框和蒙皮、尾翼F-22241996碳增韌雙馬(IM6/5250-4)機(jī)翼、中機(jī)身隔框和蒙皮、尾翼、前機(jī)身俄米格297S-3721前掠機(jī)翼等雅克-14124機(jī)翼、尾翼、部分機(jī)身1.42161.4430法Rafale24碳增韌雙馬(IM6/5245C)機(jī)翼、垂尾、鴨翼、副翼、前機(jī)身蒙皮幻影4000整體油箱翼盒、尾翼等ASX10碳/環(huán)氧樹脂機(jī)翼(壁板尺寸6.34m1.5m)、機(jī)身、垂

15、尾瑞典JAS-39301988碳/環(huán)氧樹脂(AS4/8552)機(jī)翼、機(jī)身、鴨翼、垂尾、進(jìn)氣道德、英西、意EF-2000301994碳/增韌雙馬(T800/5245)機(jī)翼、前機(jī)身、中機(jī)身、尾翼蒙皮日FS-X18整體機(jī)翼、垂尾、平尾等英美洲豹虎碳/環(huán)氧樹脂機(jī)翼、方向舵占結(jié)構(gòu)重量 百分比(%)機(jī)型材料表表1-2 民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材料重量百分比民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材料重量百分比復(fù)合材料鋁合金鈦合金鋼第1代Boing7070.2第2代Boing747A300158176441313第3代Boing767Boeing757A320335.5807876.5264.5141213.5第4代Boing777A3401

16向異性和可設(shè)計(jì)性 由單向預(yù)浸帶鋪疊并固化而成的層壓結(jié)構(gòu)是目前飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的主要形式。單向帶呈現(xiàn)強(qiáng)烈的正交異性(沿纖維方向的性能與垂直纖維方向的性能差別很大)，可以在不同的方向鋪設(shè)不同比例的單向帶，來滿足結(jié)構(gòu)平面內(nèi)所需方向性能的要求。當(dāng)然各向異性給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和制造增加了困難，這也是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一。 損傷、斷裂和疲勞行為 各向異性、脆性和非均質(zhì)性，特別是層間性能遠(yuǎn)低于層內(nèi)性能等特點(diǎn)，使復(fù)合材料層壓板的失效機(jī)理與金屬完全不同，因而它們的損傷、斷裂和疲勞性能也有很大差別。另一方面，復(fù)合材料構(gòu)件制造目前主要靠人工鋪貼和熱壓成形，再加上加工、運(yùn)輸過程中可能受到的

17、外來物沖擊，其制件會(huì)比金屬制件更易帶有程度不等的缺陷/損傷。表1-4概述了影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)疲勞和損傷容限的因素比較。 (1) 主要的缺陷/損傷類型 裂紋是金屬飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要損傷形式。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵缺陷/損傷形式是界面脫膠、分層和低能量(特別是低速)外來物產(chǎn)生的沖擊損傷。沖擊損傷的威脅在于當(dāng)內(nèi)部產(chǎn)生大范圍基體開裂和分層時(shí)，外表面往往仍目視不可檢，但其壓縮承載能力已大幅度下降(外表面目視勉強(qiáng)可檢的沖擊損傷可使其壓縮強(qiáng)度降為無損強(qiáng)度的40%)。分層是復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)特有的損傷形式。生產(chǎn)過程中工具墜落、撞擊；使用過程中跑道碎石及冰雹、鳥類等外來物沖擊，以及局部層間應(yīng)力集中或結(jié)構(gòu)超載，都可

18、能引起內(nèi)部分層。這類損傷的存在和擴(kuò)展對(duì)層壓板或結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度下降的影響是顯著的。 (2) 缺口敏感性 金屬一般都具有屈服階段，而復(fù)合材料往往直至破壞其應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍呈現(xiàn)線性，所以復(fù)合材料的靜強(qiáng)度缺口敏感性遠(yuǎn)高于金屬。但復(fù)合材料的疲勞缺口敏感性則遠(yuǎn)低于金屬，其疲勞缺口系數(shù)(一定循環(huán)次數(shù)下，無缺口試件疲勞強(qiáng)度與含缺口疲勞強(qiáng)度之比)遠(yuǎn)小于靜應(yīng)力集中系數(shù)，并且在中長壽命情況下接近于1。(3) 疲勞性能 金屬對(duì)疲勞一般比較敏感，特別是含缺口結(jié)構(gòu)受拉-拉疲勞時(shí)，其疲勞強(qiáng)度會(huì)急劇下降，但復(fù)合材料一般都顯示有優(yōu)良的耐疲勞性能。另外含沖擊損傷和分層的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在疲勞載荷下，一般很難觀察到它們?cè)谄谙碌臄U(kuò)展，即使出現(xiàn)損傷擴(kuò)展，也往往出現(xiàn)在壽命后期，并且很難確定其擴(kuò)展規(guī)律。(4) 剛度降 對(duì)金屬結(jié)構(gòu)，一般不考慮由疲勞載荷引起的剛度變化，但對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，特別是承受高周疲勞的直升機(jī)旋轉(zhuǎn)部件(如旋翼槳葉)，有時(shí)需要加以考慮。(5) 分散性 復(fù)合材料靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的分散性均高于金屬，疲勞強(qiáng)度尤為突出，因此在對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲