复合材料飞机结构强度设计与验证概论PDF电子书下载

1总论 1

1.1概述 1

1.2复合材料的发展及其在飞机结构中的应用 2

1.2.1复合材料的发展概况 2

1.2.2复合材料在飞机结构中的应用 2

1.3复合材料结构的特点 5

1.3.1结构性能方面 5

1.3.2制造工艺方面 9

1.4复合材料结构的成本 10

1.4.1材料 10

1.4.2制造技术 10

1.4.3整体化设计与制造技术 11

1.4.4充分利用复合材料优异的抗疲劳和耐腐蚀性能 11

参考文献 11

2强度设计要点和特点 12

2.1飞机复合材料结构设计规范的演变 12

2.1.1军机复合材料结构设计规范的发展 12

2.1.2民机复合材料结构适航文件的发展 13

2.2复合材料结构设计要点 15

2.2.1设计特点 15

2.2.2设计-分析-制造优化途径 15

2.2.3应避免的问题 15

2.2.4适航审定 15

2.2.5整体化结构的设计流程 16

2.3复合材料结构强度设计要点 16

2.3.1材料/工艺 16

2.3.2许用值和设计值 17

2.3.3静强度设计 17

2.3.4耐久性 17

2.3.5损伤容限 18

2.3.6验证试验 18

2.3.7结论 18

参考文献 19

3许用值和设计值 20

3.1许用值和设计值术语的演变 20

3.2许用值和设计值的定义和范畴 21

3.2.1许用值 21

3.2.2设计值 23

3.2.3许用值试验要求的环境条件 24

3.2.4总结 24

3.3许用值与设计值的关系 25

3.4国外飞机复合材料结构设计值的确定方法 25

3.4.1早期设计值的确定方法 25

3.4.2 20世纪70～80年代的研究概况 26

3.4.3确定拉伸和压缩设计值的一般方法 27

3.5许用值及其确定 28

3.5.1概述 28

3.5.2确定许用值的路线图 28

3.5.3试验矩阵 29

3.5.4试验方法和试验数据的处理方法 36

3.5.5许用值确定方法 38

3.5.6不同结构研制阶段和关键程度的许用值试验要求 40

3.6确定结构设计值的方法 42

3.6.1基本原则 42

3.6.2尺寸效应和边界支持的影响 43

3.7有关冲击损伤的研究新进展 44

3.7.1结构压缩设计值和复合材料体系的抗冲击性能 44

3.7.2复合材料层压板抗冲击行为及表征方法 46

3.7.3关于BVID和VID对应的剩余强度要求 50

3.7.4空客公司CAI的确定方法 50

3.8湿热环境影响 51

3.8.1聚合物基复合材料的吸湿和平衡吸湿量 51

3.8.2影响范围 51

3.8.3湿热对玻璃化转变温度的影响 52

3.8.4湿热对力学性能的影响 53

附录3A确定设计许用值的计算范例 55

3A.1层压板强度毯式曲线计算范例 55

3A.2含缺口层压板强度毯式曲线计算范例 57

3A.3机械连接挤压强度许用值计算范例 59

附录3B ASTM D30标准目录 60

附录3C力学性能测试数据的处理方法 63

3C.1异常数据的处理 63

3C.2正则化 63

3C.3 B基准值计算过程简述 64

附录3D得到设计许用值的参考方法和数据 66

3D.1基本思路 66

3D.2无缺口多向层压板的性能 67

3D.3影响开孔强度的各种因素 68

3D.4算例 69

附录3E试样吸湿试验方法 70

3E.1试样吸湿试验方法 70

3E.2有效吸湿平衡状态的定义 71

3E.3试验标准的选用 71

3E.4影响吸湿量的因素 72

参考文献 74

4静强度设计与验证 75

4.1概述 75

4.2结构静强度设计要点 76

4.3结构静强度验证试验 78

4.3.1试验目的和特点 78

4.3.2全尺寸部件试验件的状态 79

4.3.3重复载荷和环境条件叠加的疲劳对静强度的影响 79

4.3.4材料分散性的考虑 80

4.3.5全尺寸部件试验环境影响的处理方法 81

4.3.6环境补偿因子的确定方法 83

4.3.7结构吸湿试验方法 84

4.3.8静强度验证试验提前破坏的实例 85

附录4A一般设计准则 88

4A.1一般结构设计 88

4A.2夹层结构设计 90

4A.3螺接连接 91

4A.4胶接连接 93

4A.5复合材料与金属的斜面搭接连接 95

4A.6复合材料与金属的连续连接 95

4A.7复合材料与复合材料的斜面搭接连接 95

参考文献 96

5耐久性设计与验证 97

5.1概述 97

5.2耐久性设计要点 97

5.3复合材料结构耐久性中经常提及的几个概念 98

5.3.1静力覆盖疲劳 98

5.3.2冲击损伤阻抗 99

5.3.3胶接结构的耐久性 100

5.4耐久性设计要求 100

5.4.1概述 100

5.4.2工具坠落 100

5.4.3冰雹和跑道碎石冲击 101

5.4.4操作和踩踏 101

5.4.5可拆卸的夹层结构要求 101

5.5复合材料及其结构的疲劳特性 102

5.5.1层压板的疲劳特性 102

5.5.2结构件的疲劳特性 102

5.6耐久性分析 104

5.6.1概述 104

5.6.2疲劳寿命估算方法 104

5.7耐久性试验验证 108

5.7.1基本原则 108

5.7.2载荷/环境谱 108

5.7.3环境影响的处理方法 109

5.7.4疲劳寿命分散性 110

5.7.5试验件的状态 113

5.7.6复合材料/金属混合结构的耐久性验证 113

附录5A复合材料的分散性和载荷放大系数法 114

5A.1 Weibull分布 114

5A.2 Weibull分布的B基准 115

5A.3寿命分散系数 116

5A.4载荷放大系数 117

参考文献 118

6损伤容限设计与验证 120

6.1概述 120

6.2损伤容限设计要求 121

6.2.1复合材料飞机结构损伤容限设计要求的演变 121

6.2.2军用飞机复合材料结构 124

6.2.3民用飞机复合材料结构 126

6.2.4关于BVID和VID对应的剩余强度要求 128

6.3对民机复合材料结构的损伤容限评定策略 129

6.3.1复合材料结构的损伤类别 129

6.3.2对AC 20-107B有关条款的理解 131

6.3.3损伤容限评定 132

6.4民机复合材料结构损伤容限符合性方法 134

6.4.1确定性符合性方法 134

6.4.2概率或半概率符合性方法 136

6.4.3确定性方法和概率方法的比较 141

6.5缺陷/损伤类型及其对强度的影响 141

6.5.1按产生时机表征的缺陷/损伤 141

6.5.2用物理缺陷表征的损伤 142

6.5.3缺陷/损伤影响的强度评定 143

6.6目视检测在损伤容限设计中的地位及相关的定义 147

6.6.1目视检测在损伤容限设计中的地位 147

6.6.2目视检测的定义和类型 147

6.7波音复合材料主结构的损伤容限原理 149

6.7.1一般原理 149

6.7.2冲击损伤假设和剩余强度要求 151

6.8空客的损伤容限原理 151

6.8.1概述 151

6.8.2符合性流程图 152

6.8.3损伤可检性 154

6.8.4对飞机实际可能遇到的冲击能量威胁 157

6.9损伤容限分析方法 160

6.9.1缺口敏感性和适用的失效判据 160

6.9.2含缺口层压板剩余强度估算方法 160

6.9.3含冲击损伤层压板压缩剩余强度估算方法 163

6.9.4含分层层压板剩余强度估算方法 164

6.9.5含缺陷/损伤层压加筋板剩余强度估算方法 164

6.10损伤容限试验技术 165

6.10.1冲击损伤引入技术 165

6.10.2雷击损伤的模拟 166

6.10.3结构验证试验的无损检测（NDI） 166

参考文献 168

7积木式结构设计验证试验 170

7.1概述 170

7.2基本原理与假设 173

7.3积木式验证试验的要求 173

7.3.1一般方法 173

7.3.2技术验证样机 174

7.3.3工程制造发展型和生产型的飞机 177

7.4积木式验证方法 179

7.4.1鉴定方法 179

7.4.2积木式方法 179

7.5 B777飞机复合材料主结构的积木式方法 185

7.5.1引言 185

7.5.2试样和元件 185

7.5.3组合件 187

7.5.4部件 188

7.5.5 B777预生产型安定面试验 188

7.5.6安定面根部接头试验 190

7.5.7 B777水平安定面试验 190

7.5.8 B777垂直安定面试验 190

7.6 ATR72复合材料外翼的适航取证 191

7.6.1概述 191

7.6.2 ATR72外翼的适航取证 193

7.6.3结论 204

参考文献 204

8全尺寸复合材料结构验证试验 205

8.1概述 205

8.2复合材料结构的疲劳性能 205

8.2.1目前的设计水平和结构的疲劳性能 205

8.2.2受冲击复合材料的疲劳性能 206

8.3波音公司全尺寸结构验证试验方法 207

8.3.1 B7J7水平安定面盒段 207

8.3.2 B777预生产型水平安定面 208

8.3.3 B787预生产型水平安定面 210

8.4空客公司的全尺寸结构验证试验方法 212

8.4.1复合材料结构疲劳和损伤容限试验原则 212

8.4.2 A320-100复合材料全尺寸验证试验 217

8.5对金属/复合材料混合结构验证试验的考虑 219

8.6载荷-寿命-损伤（LLD）混合验证方法简介 220

参考文献 225

附录A材料力学性能表征 226

A.1引言 226

A.2设计选材和材料标准的力学性能表达 226

A.2.1概述 226

A.2.2材料筛选用力学性能表达 226

A.2.3材料标准及其力学性能表达 228

A.3材料的鉴定 233

A.3.1概述 233

A.3.2新材料鉴定路线图 234

A.3.3鉴定计划 234

A.4材料等同性评定 239

A.4.1概述 239

A.4.2等同材料的变更分类 240

A.4.3替代材料 241

A.4.4材料等同性评定方法 241

A.5 NCAMP简介 250

A.5.1复合材料许用值及其数据库现状 250

A.5.2 NCAMP复合材料共享数据库简介 251

A.5.3 NCAMP的组织架构 253

A.5.4 NCAMP的核心文件 254

A.5.5材料鉴定和性能数据获取及等同性评定程序 255

A.5.6采用NCAMP程度的优点 256

参考文献 257

附录B咨询通报AC 20-107B复合材料飞机结构 259

1.本咨询通报的目的 259

2.本咨询通报的应用对象 259

3.撤销 259

4.有关规章 259

5.总则 259

6.材料和制造研发 260

7.结构验证——静力 264

8.结构验证——疲劳和损伤容限 267

9.结构验证——颤振和其他气动弹性不稳定性 274

10.持续适航 275

11.其他考虑 277

附录B1适用的规章和有关的指南 281

1适用的规章 281

2指南 282

附录B2定义 283

附录B3复合材料和/或工艺的变化 285