民用飞机复合材料结构设计与验证PDF电子书下载

1 复合材料结构总论 1

1.1 复合材料的定义 1

1.2 复合材料的构造形式 1

1.3 先进复合材料结构的应用 2

1.4 复合材料性能和制造工艺特点 9

1.5 复合材料结构设计特点 10

2 民机复合材料结构的适航审定基础 12

2.1 条款CCAR25.601 总则 12

2.2 条款CCAR25.603 材料 12

2.3 条款CCAR25.605 制造方法 12

2.4 条款CCAR25.613 材料的强度性能和设计值 12

2.5 条款CCAR25.305 强度和变形 13

2.6 条款CCAR25.307 结构符合性的证明 14

2.7 条款CCAR25.571 结构的损伤容限和疲劳评定 14

2.8 条款CCAR25.611 可达性措施 16

2.9 条款CCAR25.629 气动弹性稳定性要求 16

2.10 条款CCAR25.581 闪电防护 17

2.11 条款CCAR25.609 结构保护 18

2.12 应急着陆情况 18

2.12.1 条款CCAR25.561 总则 18

2.12.2 条款CCAR25.783（c，g）舱门 19

2.12.3 条款CCAR25.785 座椅、卧铺、安全带和肩带 19

2.12.4 条款CCAR25.787（a，b）储存舱 21

2.12.5 条款CCAR25.789 客舱和机组舱以及厨房中物件的固定 21

2.12.6 条款CCAR25.801 水上迫降 21

2.12.7 条款CCAR25.809 应急出口的布置 22

2.12.8 条款CCAR25.963（d）燃油箱：总则 22

2.13 防火 23

2.13.1 条款CCAR25.853 座舱内部设施 23

2.13.2 条款CCAR25.855 货舱和行李舱 24

2.13.3 条款CCAR25.859 燃烧加温器的防火 24

2.13.4 条款CCAR25.863 可燃液体的防火 26

2.13.5 条款CCAR25.865 飞行操纵系统、发动机架和其他飞行结构的防火 26

2.13.6 条款CCAR25.867 其他部件的防火 26

2.13.7 条款CCAR25.903（c）发动机 26

2.13.8 条款CCAR25.967（e）燃油箱安装 27

2.13.9 条款CCAR25.1121（c）总则 28

2.13.10 条款CCAR25.1181 指定火区的范围 28

2.13.11 条款CCAR25.1182 防火墙后面的短舱区域和包含可燃液体导管的发动机吊舱连接结构 29

2.13.12 条款CCAR25.1183 输送可燃液体的组件 29

2.13.13 条款CCAR25.1185 可燃液体 29

2.13.14 条款CCAR25.1189（a）（2）切断措施 29

2.13.15 条款CCAR25.1191 防火墙 30

2.13.16 条款CCAR25.1193（c，d，e）发动机罩和短舱蒙皮 30

2.14 条款CCAR25.1529 持续适航文件 30

2.15 附录H 持续适航文件 31

2.15.1 附录H25.1 总则 31

2.15.2 附录H25.2 格式 31

2.15.3 附录H25.3 内容 31

2.15.4 附录H25.4 适航限制条款 32

2.16 AC咨询通报 32

2.17 政策声明 33

2.18 技术报告 33

3 民机适航审查程序 35

3.1 民机型号合格证的申请和受理 35

3.1.1 设计保证 35

3.1.2 设计保证系统 35

3.1.3 型号合格证的申请 35

3.1.4 型号合格证的受理 35

3.1.5 申请人资料的提交 35

3.1.6 受理的初步评审 36

3.1.7 受理过程 36

3.2 民机适航符合性方法 36

3.3 审查程序 37

3.4 适航验证试验的审查要求和程序 37

3.4.1 审查要求 37

3.4.2 工作程序 38

3.4.3 试验大纲 38

3.4.4 试验报告 38

3.5 技术资料和试验的工程评审 39

3.5.1 结构（强度）专业需要审查的基本技术资料 39

3.5.2 结构（强度）专业的动载分析 40

3.5.3 结构（强度）专业的应力分析 41

3.5.4 结构（强度）专业的试验 43

3.5.5 设计与构造 43

3.5.6 工艺和工艺规范或说明书 45

3.5.7 设备目录、图纸目录的审查 45

3.6 表明适航符合性的工作程序 45

3.6.1 掌握适航法规 45

3.6.2 提供证据表明符合法规 46

3.6.3 执行法规的法律程序 46

4 符合适航要求的验证技术途径分析 47

4.1 符合性方法的确定 47

4.2 确定审定大纲与验证项目 48

4.3 符合性验证与审查 48

4.4 各条款符合性方法和验证技术途径分析 49

4.4.1 条款CCAR25.601（总则）的分析 49

4.4.2 条款CCAR25.603（材料）的分析 50

4.4.3 条款CCAR25.605（制造方法）的分析 50

4.4.4 条款CCAR25.613（材料的强度性能和设计值）的分析 51

4.4.5 条款CCAR25.305（强度和变形）的分析 52

4.4.6 条款CCAR25.307（结构符合性的证明）的分析 52

4.4.7 条款CCAR25.571（结构的损伤容限和疲劳评定）的分析 53

4.4.8 条款CCAR25.611（可达性措施）的分析 54

4.4.9 条款CCAR25.629（气动弹性稳定性要求）的分析 55

4.4.10 条款CCAR25.581（闪电防护）的分析 55

4.4.11 条款CCAR25.609（结构保护）的分析 55

4.4.12 应急着陆情况 56

4.4.13 防火 58

4.4.14 条款CCAR25.1529（持续适航文件）的分析 61

4.5 解读AC20-107B的新要点 61

4.5.1 新增名词定义 61

4.5.2 重点更新与强调的内容 63

4.6 积木式验证方法 63

4.6.1 积木式方法 63

4.6.2 积木式方法要点 64

4.6.3 为何要建立积木式的验证方法 65

4.6.4 不同级别试验的目的 65

4.6.5 材料基本力学性能与物理性能 66

4.6.6 结构构型 67

4.6.7 分析与试验的关系 67

4.6.8 Mil-HDBK-17涉及积木式方法的章节 67

4.6.9 用于B777基本结构的积木式方法 68

4.6.10 关于积木式结构验证方法的思考 69

5 材料与制造工艺及控制 70

5.1 材料 70

5.1.1 环氧树脂 70

5.1.2 环氧树脂的固化及固化剂 70

5.1.3 高性能环氧树脂 71

5.1.4 环氧树脂的增韧途径 71

5.1.5 碳纤维 72

5.1.6 碳纤维的分类 72

5.1.7 碳纤维的性能 73

5.1.8 碳纤维的生产方法 74

5.1.9 碳纤维的结构 77

5.1.10 碳纤维的性质 78

5.1.11 小结 82

5.2 制造技术 83

5.2.1 热压罐成形工艺 83

5.2.2 树脂传递模塑（RTM）成形工艺 90

5.2.3 真空辅助树脂渗透（VARTM或VARI）成形工艺 91

5.2.4 树脂膜熔浸（RFI）成形工艺 92

5.2.5 胶接工艺 92

5.3 材料和工艺的技术要求 94

5.4 重点说明的问题 94

5.5 材料的控制 95

5.6 工艺的控制 96

5.6.1 采用预浸料成型的叠层板制造技术 96

5.6.2 对结构性能有影响的关键制造因素 96

5.6.3 叠层板铺贴的控制 96

5.6.4 零件封装和固化的控制 97

5.6.5 加工过程的控制 98

5.6.6 胶接装配过程的控制 99

5.6.7 螺接装配过程的控制 99

5.6.8 新制造技术的控制 100

5.6.9 复合材料的培训 100

5.7 制造缺陷 101

5.7.1 制造缺陷的控制要求 101

5.7.2 制造缺陷的类型 101

5.8 设计中需要考虑的制造问题 103

5.9 规范编制要求 104

5.9.1 材料规范 104

5.9.2 工艺规范 104

5.10 材料和工艺的验证方法 105

5.10.1 材料的验证 105

5.10.2 工艺的验证 106

5.10.3 部件的制造检验 106

5.11 工艺评审 110

5.11.1 概述 110

5.11.2 工艺规范内容的评审 111

5.11.3 工艺实施的检查 111

5.11.4 工艺符合性的检查 112

5.11.5 无损检验（NDI）方法的评审 112

5.11.6 工艺规范的批准 112

5.12 综述 112

6 复合材料力学性能与设计许用值 113

6.1 单层的基本性能和细观力学 113

6.1.1 分类 113

6.1.2 单层的细观力学分析 113

6.2 复合材料基本力学性能测试 118

6.2.1 试件的制造要求 118

6.2.2 力学性能测试 119

6.3 层压板分析和宏观力学 123

6.3.1 单层的应力-应变关系 123

6.3.2 层压板理论 125

6.3.3 层压板的性能 128

6.3.4 湿热分析 129

6.3.5 层压板的应力分析 130

6.4 层压板的强度和失效 130

6.4.1 单层板强度 130

6.4.2 层压板的失效准则 131

6.5 结构设计许用值的确定 132

6.5.1 设计许用值确定方法 132

6.5.2 设计许用值试验 133

7 复合材料结构设计 137

7.1 结构选材 137

7.2 结构工艺方案确定 137

7.2.1 构件结构工艺可行性确定 137

7.2.2 结构设计方案确定 138

7.2.3 影响复合材料构件的结构工艺性因素 138

7.3 层压板设计 140

7.3.1 层压板刚度预测与设计 140

7.3.2 利用Carpet曲线初步设计 140

7.3.3 层压板强度特性 141

7.3.4 层压板应力应变分布 142

7.3.5 层压板破坏机理 143

7.3.6 层压板铺层及顺序设计 145

7.3.7 环境影响的考虑 147

7.4 结构连接设计 150

7.4.1 机械连接设计 150

7.4.2 胶接连接设计 152

7.5 结构细节设计 155

7.5.1 结构细节设计要求 155

7.5.2 考虑强度评定的设计特性 156

7.5.3 面外破坏分析与试验数据 158

7.5.4 结构细节设计导致的破坏 160

7.6 复合材料结构设计要求 161

7.6.1 结构设计原则 161

7.6.2 结构设计要求 161

7.7 壁板类结构设计 164

7.7.1 适用的结构类型 164

7.7.2 载荷特点 165

7.7.3 设计原则 165

7.7.4 结构总体参数优化 165

7.8 夹层类结构设计 166

7.8.1 适用的结构类型 166

7.8.2 载荷特点 166

7.8.3 设计要点 166

7.9 多梁类结构设计 167

7.9.1 适用的结构类型 167

7.9.2 设计特点 168

7.10 整体化结构设计概念 168

7.10.1 整体化结构概念 168

7.10.2 复合材料整体化结构特点 169

7.10.3 复合材料整体化结构发展趋势 172

8 复合材料强度计算方法 173

8.1 复合材料强度设计关注的问题 173

8.1.1 复合材料的基本材料特性 173

8.1.2 复合材料静强度评定中要考虑的设计问题 173

8.1.3 关注的问题 173

8.2 复合材料的材料特性 173

8.3 强度分析时材料数据的选取 174

8.4 有限元分析模型的建立 174

8.5 强度校核内容 175

8.6 稳定性分析方法 176

8.6.1 平板的轴向屈曲和压损 176

8.6.2 平板的剪切屈曲 182

8.6.3 加筋层压板的屈曲分析 182

8.7 夹层结构分析方法 188

8.7.1 基本参数 188

8.7.2 夹层结构局部失效分析 189

8.7.3 复合材料夹层结构总体稳定性分析 192

8.8 连接强度分析方法 193

8.8.1 机械连接的静力分析 193

8.8.2 机械连接钉载分配 193

8.8.3 单钉强度估算 193

8.8.4 单钉经验方法 195

8.8.5 许用挤压强度值 197

8.8.6 单钉被连接板的强度校核 197

8.8.7 单钉紧固件的强度校核 197

8.8.8 多钉连接强度校核 197

8.9 细节分析 198

8.9.1 结构单元要素的设计因素 198

8.9.2 结构单元的受力分析 198

8.9.3 复合材料整体化结构特有的失效模式 200

8.10 积木式分析与试验的迭代 200

8.11 静强度的符合性验证方法 201

9 复合材料损伤容限设计 203

9.1 复合材料结构损伤容限设计要求 203

9.2 损伤容限三大要素 204

9.2.1 损伤容限三大要素 204

9.2.2 结构检查大纲三大要素 204

9.3 结构分类和主要结构件的确定 205

9.3.1 结构分类 205

9.3.2 主要结构件的确定 207

9.4 损伤容限技术要求 207

9.4.1 损伤的阶段和来源与物理表征 207

9.4.2 缺陷尺寸假设 208

9.4.3 剩余强度要求 209

9.4.4 多个缺陷／损伤考虑（类似于广布疲劳损伤） 209

9.4.5 耐久性／损伤容限设计考虑 209

9.4.6 损伤分析 210

9.5 复合材料损伤容限概念及结构特征 210

9.5.1 影响复合材料损伤特性的结构细节 210

9.5.2 缺陷和损伤的影响和结构特征 211

9.5.3 由于缺陷和损伤引起的强度下降 211

9.5.4 拉伸缺口敏感性（影响拉伸剩余强度） 212

9.5.5 压缩缺口敏感性（影响压缩剩余强度） 212

9.5.6 缺陷损伤对于静压缩强度的相对严重性 213

9.5.7 缺陷损伤对压缩疲劳强度（R＝10）的相对严重性 213

9.5.8 临界损伤的威胁 214

9.5.9 对称和反对称冲击损伤状态 214

9.5.10 层板横截面冲击损伤微观图像 215

9.5.11 冲击后特征损伤状态（CDS）的强度评估 215

9.5.12 结构类型的冲击位置与损伤的试验数据 215

9.5.13 对于已知的CDS冲击后压缩（CAI）强度预测 216

9.5.14 局部元件破坏（冲击损伤结构的构型影响） 216

9.5.15 大的穿透损伤 217

9.5.16 关注的要点 218

9.6 复合材料结构损伤容限的设计考虑 218

9.6.1 基本材料强度、极限强度、设计值与剩余强度 218

9.6.2 结构耐久性与损伤容限——设计载荷和损伤考虑 219

9.6.3 结构损伤的设计考虑 219

9.6.4 剩余强度要求与损伤尺寸的关系 221

9.6.5 损伤的模拟 221

9.7 无损检测方法 223

9.7.1 检测方法 223

9.7.2 检测实例 225

9.8 复合材料结构疲劳与损伤容限特性 226

9.8.1 复合材料与金属在疲劳特性上的差异 226

9.8.2 复合材料无扩展损伤和金属疲劳裂纹损伤的比较 226

9.8.3 金属和复合材料拉伸破坏模式比较 227

9.8.4 疲劳特性 227

9.9 复合材料结构载荷谱制定 231

9.10 复合材料结构评定要求 232

9.10.1 损伤容限（破损-安全）评定 232

9.10.2 疲劳（安全寿命）的评定 233

9.11 复合材料结构损伤容限的验证 233

9.11.1 符合性验证方法的确定 233

9.11.2 符合性验证方法 233

9.11.3 概率或半概率符合性方法 234

9.11.4 疲劳与损伤容限验证试验方案 235

9.12 BVID和VID确定 237

9.12.1 目视勉强可见冲击损伤BVID确定 237

9.12.2 目视可见损伤VID确定 237

9.13 复合材料结构维护检查要求 238

9.13.1 检测方法选择 238

9.13.2 研究确定关键损伤 239

9.13.3 结构维修检查大纲的初步制定 239

9.14 应用实例 240

9.14.1 B777安定面疲劳与损伤容限试验 240

9.14.2 A320垂尾疲劳与损伤容限试验 242

10 复合材料结构持续适航 243

10.1 持续适航 243

10.2 维修性设计 243

10.3 损伤检测 243

10.4 损伤检查 243

10.5 修理总则 244

10.6 结构修理区域划分 244

10.6.1 影响结构安全性的主要结构件 244

10.6.2 影响结构功能完整性的结构件 244

10.7 结构修理原则 244

10.7.1 复合材料的结构修理 244

10.7.2 修理原则 244

10.7.3 考虑复合材料修理的结构设计原则 245

10.8 结构修理容限确定方法 246

10.9 复合材料结构修理方法 246

10.9.1 修理方法选择的一般原则 246

10.9.2 修理方法种类 246

10.9.3 各种损伤的修理 247

10.9.4 各类结构的修理 247

10.9.5 影响结构修理的因素 250

10.9.6 夹层板胶接修理的研究及试验 251

10.10 修理方法的分析与验证 252

10.10.1 损伤修理要求 252

10.10.2 修理方法的强度分析与验证 254

10.10.3 结构修理后的强度分析与验证 254

11 复合材料特殊问题的处理 255

11.1 湿热环境 255

11.2 太阳光／热辐射环境 258

11.3 闪电防护 260

11.3.1 闪电防护要求 260

11.3.2 复合材料雷击损伤特性 261

11.3.3 复合材料闪电防护评定方法 262

11.4 适坠性 265

11.5 易燃性 266

12 复合材料结构强度工作思路及内容 268

12.1 复合材料结构强度的工作思路 268

12.2 结构设计与强度验证工作内容 268

12.2.1 结构设计工作要求 268

12.2.2 强度设计工作要求 268

12.3 各研制阶段的复合材料结构强度工作内容 269

12.3.1 各研制阶段的标志性工作要求 269

12.3.2 结构强度专业的设计工作 270

12.3.3 复合材料结构强度专业的设计工作 271

13 复合材料结构的适航验证技术 273

13.1 积木式验证试验的确定 273

13.1.1 按照试验类型分类 273

13.1.2 按照试验级别分类 275

13.1.3 试验规划实例 275

13.2 各类试验的试验技术 276

13.2.1 标准试验 276

13.2.2 非标准试验 277

13.2.3 局部试验的试验件及支持设计 282

参考文献 283