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第1章 绪论 1

1.1 复合材料的原材料 1

1.1.1 纤维 1

1.1.2 织物 2

1.1.3 夹芯材料 3

1.1.4 基体材料 4

1.1.5 预浸料 8

1.1.6 胶黏剂 10

1.1.7 涂层材料 13

1.2 复合材料成形工艺 13

1.2.1 手工铺层 14

1.2.2 自动铺带 14

1.2.3 自动丝束铺放 14

1.2.4 热压罐固化成形 15

1.2.5 复合材料液体成形 16

1.2.6 热隔膜成形 16

1.2.7 复合材料构件加工与装配 17

1.3 复合材料在民用飞机结构中的应用 18

1.3.1 NASA飞机效能计划 18

1.3.2 复合材料在波音系列飞机中的应用 20

1.3.3 复合材料在空中客车系列飞机中的应用 21

第2章 环境影响 24

2.1 环境对复合材料性能的影响 24

2.2 温度环境与最高使用温度限制 26

2.2.1 温度环境的取值 26

2.2.2 玻璃化转变温度与最高使用温度限制 27

2.3 加速吸湿与吸湿量取值 29

2.3.1 复合材料的平衡吸湿量 29

2.3.2 环境加速吸湿试验 29

2.3.3 达到平衡吸湿量的标准 31

2.3.4 吸湿量的取值 33

2.4 温度循环及热胀系数和湿胀系数 33

2.4.1 温度循环 33

2.4.2 热膨胀系数和湿膨胀系数 34

2.5 复合材料的液体敏感性 35

第3章 铺层设计、损伤阻抗与混杂复合材料 38

3.1 铺层设计 38

3.1.1 铺层的方向 38

3.1.2 各种铺层的比例要求 38

3.1.3 铺层顺序 40

3.1.4 防腐铺层设计 44

3.2 损伤阻抗 45

3.2.1 层合板结构损伤阻抗的影响因素 45

3.2.2 夹芯结构损伤阻抗的影响因素 47

3.2.3 提高损伤阻抗的设计技术 48

3.3 混杂复合材料与超混杂复合材料 51

3.3.1 混杂复合材料 51

3.3.2 超混杂复合材料 55

第4章 试验数据的统计分析方法 62

4.1 引言 62

4.2 确定基准值的样本容量 62

4.2.1 批间差异和批内差异的概念 62

4.2.2 样本容量的选取 63

4.2.3 批次数量对方差分析的影响 63

4.3 非结构型数据与结构型数据 63

4.3.1 非结构型数据与结构型数据的概念 63

4.3.2 非结构型数据与结构型数据的判别 64

4.4 异常数据的检查 65

4.4.1 异常数据 65

4.4.2 筛选异常数据的最大赋范残差方法 65

4.4.3 产生异常数据的物理原因和工程判断 66

4.5 试验数据的归一化处理 69

4.5.1 归一化处理方法 69

4.5.2 归一化方法的应用 71

4.6 非结构型数据的基准值 72

4.6.1 采用双参数Weibull分布计算非结构型数据基准值 72

4.6.2 采用正态分布计算非结构型数据基准值 74

4.6.3 采用对数正态分布计算非结构型数据基准值 75

4.6.4 采用非参数法计算基准值 75

4.7 结构型数据的基准值 76

4.7.1 单因素方差分析方法 76

4.7.2 简单线性回归分析方法及应用 79

4.7.3 组合Weibull分析方法 81

4.8 材料性能包络线和内插法 82

第5章 材料的认证、验收与等效 98

5.1 材料认证 98

5.1.1 未固化预浸料的物理和化学特性试验矩阵 99

5.1.2 单层固化片的物理特性试验矩阵 101

5.1.3 单层固化片的力学性能试验矩阵 101

5.2 材料的验收 103

5.3 材料等效性的认证 107

5.3.1 材料等效性验证的目的和程序 107

5.3.2 材料兼容性 107

5.3.3 关键性能参数的选取 108

5.3.4 相似材料等效性的单层级试验矩阵 109

5.3.5 评估相似材料等效性的层合板级试验矩阵 109

5.4 材料等效与验收试验数据的统计检验 110

5.4.1 平均值或最低单个值降低的舍弃判据 111

5.4.2 平均值改变的舍弃判据 113

5.4.3 高平均值的舍弃判据 114

5.4.4 针对验收试验的准则 115

5.4.5 统计检验举例 115

5.4.6 讨论 117

第6章 工艺控制 124

6.1 制造符合性检查与质量控制体系 124

6.1.1 制造符合性检查 124

6.1.2 质量控制体系和最终验收 127

6.2 成形工艺控制程序与工艺流程检验 128

6.2.1 成形工艺控制程序 128

6.2.2 工艺流程检验 129

6.3 成品检测 133

6.3.1 制造缺陷 133

6.3.2 无损检测 137

6.3.3 破坏性检验 140

6.3.4 检测工艺流程 142

6.3.5 验收／拒收标准 142

6.4 基于统计的工艺过程控制 148

6.4.1 收集和绘制数据曲线图 148

6.4.2 工艺能力 148

6.4.3 工艺控制常用的统计方法 149

第7章 积木式方法 155

7.1 积木式方法的基本概念和计划流程 155

7.1.1 积木式方法的基本概念 155

7.1.2 积木式计划的典型流程 155

7.2 各层级积木块的功用 158

7.2.1 复合材料结构研制的三个阶段 158

7.2.2 积木式方法的基本构型 158

7.2.3 材料性能的确定 159

7.2.4 设计值的确定 160

7.2.5 最终验证 161

7.3 积木式方法的应用实例——波音777型飞机尾翼的积木块试验 162

7.3.1 试样和结构元件 162

7.3.2 组合件试验 163

7.3.3 全尺寸试验 166

第8章 全尺寸结构试验 169

8.1 全尺寸结构试验的必要性 169

8.1.1 全尺寸结构静力试验 169

8.1.2 全尺寸结构疲劳／耐久性试验 170

8.1.3 全尺寸结构损伤容限试验 170

8.2 全尺寸结构试验技术 170

8.2.1 试件的固定装置 170

8.2.2 加载方式 171

8.2.3 加载动力装置 172

8.2.4 载荷控制系统 173

8.2.5 应变与变形数据的测量与采集 173

8.2.6 数据采集和处理系统 173

8.3 全尺寸结构试件缺陷和损伤的模拟 173

8.3.1 制造缺陷的模拟 173

8.3.2 冲击损伤的模拟 174

8.3.3 雷击损伤的模拟 176

8.3.4 大损伤的模拟 177

8.4 空中客车系列飞机全尺寸复合材料结构试验程序 177

8.4.1 空中客车系列飞机全尺寸复合材料结构的一般试验程序 177

8.4.2 A320型飞机全尺寸复合材料垂直尾翼结构试验程序 178

8.5 混合结构试验 183

8.5.1 混合结构疲劳试验的一般方法 183

8.5.2 A380型飞机金属与复合材料结构的全尺寸试验 185

第9章 静强度 188

9.1 应力集中 188

9.1.1 应力集中的基本概念 188

9.1.2 应力集中系数 188

9.1.3 不同开口尺寸的应力分布 189

9.1.4 铺层对应力集中的影响 189

9.1.5 应力集中对静强度的影响 190

9.2 失效模式与失效判据 191

9.2.1 失效模式 191

9.2.2 失效判据 195

9.3 层合板／结构元件的试验矩阵 197

9.3.1 无缺口试样强度试验矩阵 197

9.3.2 缺口试样强度试验矩阵 199

9.4 静强度设计许用值 200

9.4.1 材料许用值 200

9.4.2 设计许用值 201

9.5 静强度试验数据的分散性分析 203

9.5.1 双参数Weibull分布 203

9.5.2 Weibull分布形状参数的假设检验 204

9.5.3 美国海军试验数据的Weibull形状参数 205

9.5.4 基本数据的Weibull形状参数 208

9.5.5 组合数据的Weibull形状参数 210

9.6 静强度可靠性分析 212

9.6.1 基本假设 212

9.6.2 可靠度计算方法 212

9.7 环境影响的处理方法 215

9.7.1 环境补偿因子法 215

9.7.2 环境箱模拟法 217

9.7.3 试验支持的分析方法 218

第10章 耐久性 224

10.1 复合材料的疲劳特性 224

10.1.1 复合材料的良好疲劳特性 224

10.1.2 复合材料的疲劳损伤特性 224

10.2 影响复合材料疲劳强度的因素 225

10.2.1 基体材料 225

10.2.2 纤维材料 225

10.2.3 铺层 226

10.2.4 环境 227

10.2.5 载荷作用方式 229

10.2.6 缺口 230

10.2.7 预载 230

10.3 疲劳试验载荷谱 230

10.3.1 疲劳试验载荷谱的分类 230

10.3.2 谱载截除 232

10.4 疲劳寿命试验数据的分散性分析 233

10.4.1 疲劳寿命试验数据的收集方法 233

10.4.2 美国海军试验数据的Weibull形状参数 235

10.4.3 基本数据的Weibull形状参数 237

10.4.4 组合数据的Weibull形状参数 238

10.4.5 静强度分散性与疲劳寿命分散性的比较 239

10.5 疲劳寿命的可靠性分析 240

10.5.1 寿命分散因子法 240

10.5.2 载荷放大系数法 240

10.5.3 极限强度方法 242

10.6 疲劳试验矩阵与疲劳强度设计许用值 242

10.6.1 疲劳寿命试验矩阵 242

10.6.2 疲劳强度设计许用值 243

第11章 损伤容限 246

11.1 引言 246

11.2 制造缺陷 246

11.2.1 铺层和固化过程中形成的缺陷 246

11.2.2 制造和装配过程中产生的缺陷 247

11.3 冲击损伤源和冲击损伤形态 248

11.3.1 冲击损伤源 248

11.3.2 冲击损伤形态 250

11.4 冲击威胁 250

11.4.1 冲击威胁的Weibull分布 250

11.4.2 军机的冲击能量—超越数曲线 252

11.4.3 冲击威胁的对比分析 253

11.5 损伤假设 255

11.5.1 冲击能量截止值 255

11.5.2 损伤容限设计的关键参数 257

11.5.3 概率损伤容限设计的关键参数 259

11.5.4 其他损伤假设 259

11.6 缺陷／损伤对静强度和疲劳强度的影响 260

11.6.1 不同缺陷／损伤形式对静强度影响的对比分析 260

11.6.2 冲击损伤对拉、压静强度影响的差异 260

11.6.3 不同设计参数对冲击后压缩强度的影响 261

11.6.4 缺陷／冲击损伤对疲劳强度的影响 263

11.7 剩余强度要求 263

11.7.1 损伤分类 264

11.7.2 不同损伤程度的剩余强度要求 264

11.7.3 剩余强度要求的评定程序 266

11.8 循环载荷作用下的损伤扩展 267

11.8.1 含孔层合板的损伤扩展 267

11.8.2 分层的疲劳扩展特性 267

11.8.3 损伤无扩展设计 270

11.9 损伤容限设计许用值和损伤容限验证试验 272

11.9.1 损伤容限设计许用值 272

11.9.2 损伤无扩展验证试验 273

11.10 损伤容限的确定性符合方法 277

11.10.1 制定剩余强度—损伤尺寸关系曲线 277

11.10.2 基于可检性水平的几个典型损伤尺寸 277

11.10.3 检测计划的评定程序 278

11.10.4 确定性符合方法的两类主要试验依据 279

11.11 损伤容限设计的概率符合性方法 279

11.11.1 确定满足损伤容限设计要求的程序 280

11.11.2 冲击能量—超越概率曲线 281

11.11.3 冲击能量—超越概率数据的两种拟合方法 281

11.11.4 设计使用寿命和检查间隔 282

第12章 紧固件连接 285

12.1 引言 285

12.2 连接形式、失效模式与失效准则 285

12.2.1 连接形式 285

12.2.2 失效模式 285

12.2.3 失效准则 287

12.3 紧固件的选择 287

12.4 疲劳强度的影响因素和剩余强度 288

12.4.1 疲劳强度的影响因素 288

12.4.2 剩余强度 288

12.5 紧固件连接试验 289

12.5.1 试件制备 289

12.5.2 挤压强度的表达式 289

12.5.3 推荐的接头挤压试验矩阵 289

12.5.4 推荐的挤压—旁路试验矩阵 292

12.6 紧固件连接的许用值 292

12.6.1 紧固件连接的材料许用值 292

12.6.2 静强度设计许用值 293

第13章 胶结连接 294

13.1 胶结连接的特点和应用局限性 294

13.1.1 胶结连接的特点 294

13.1.2 胶结连接的应用局限性 295

13.1.3 胶结缺陷的检查 295

13.2 胶结连接形式与失效模式 295

13.2.1 胶结连接形式 295

13.2.2 胶结接头的失效模式 296

13.3 胶结连接设计的基本准则 297

13.4 胶结连接强度的影响因素 300

13.4.1 被胶结件厚度 300

13.4.2 连接形式 301

13.4.3 被胶结件刚度 301

13.4.4 胶黏剂韧性 302

13.4.5 胶结件性能 303

13.4.6 胶结缺陷 305

13.5 胶结连接的耐久性 308

13.5.1 胶结接头的疲劳特性 308

13.5.2 胶结连接耐久性的设计准则 309

13.5.3 胶结结构的耐久性试验 309

13.6 表面处理 311

13.6.1 概述 311

13.6.2 表面处理效果的检查 313

13.6.3 避免潮湿或污染的方法 314

13.7 胶结连接试验 314

13.7.1 胶黏剂性能试验 314

13.7.2 胶结连接性能试验 316

13.8 基于测试的断裂力学评估 319

13.8.1 断裂测试与剪切强度试验的对比分析 320

13.8.2 双悬臂梁测试法 320

13.9 胶结连接强度的分散性分析 323

13.9.1 静强度数据的分散性分析 323

13.9.2 疲劳寿命数据的分散性分析 329

第14章 加筋结构 333

14.1 加筋条端头 333

14.1.1 壁板与加筋条 333

14.1.2 加筋条端头的受力状态 334

14.1.3 静强度 335

14.1.4 疲劳强度 339

14.2 桁条与蒙皮的胶结连接 339

14.2.1 引言 339

14.2.2 C-X运输机复合材料机翼结构 340

14.2.3 脱胶损伤的评估要求 340

14.2.4 含脱胶损伤壁板的翘曲分析 341

14.2.5 加筋条与蒙皮胶结连接的验证 342

第15章 夹芯结构 344

15.1 夹芯结构与受力特性 344

15.1.1 夹芯结构 344

15.1.2 受力特性和其他特性 344

15.2 夹芯结构的损伤与损伤阻抗设计 345

15.2.1 夹芯结构常见损伤 345

15.2.2 夹芯结构的损伤阻抗设计 346

15.3 夹芯结构的连接设计 348

15.4 夹芯结构试件的环境浸润处理 350

15.5 夹芯壁板结构损伤阻抗和损伤容限试验 352

15.5.1 引言 352

15.5.2 冲击损伤尺寸的影响因素 353

15.5.3 夹芯壁板CAI强度的尺寸效应 356

第16章 闪电防护技术 366

16.1 雷击区域划分 366

16.1.1 闪电附着 366

16.1.2 区域划分 366

16.1.3 不同1区部位遭受闪电初始附着的百分比 369

16.2 复合材料结构闪电直接效应 370

16.2.1 非导电复合材料的闪电直接效应 370

16.2.2 导电复合材料 370

16.3 闪电防护环境标准 371

16.3.1 闪电波形 373

16.3.2 闪电波形应用 375

16.4 复合材料结构闪电防护技术 376

16.4.1 非导电复合材料防护 376

16.4.2 导电复合材料防护 381

16.4.3 防护有效性评定 389

16.5 复合材料结构闪电直接效应的试验 389

16.5.1 试验设备 389

16.5.2 试验方法 391

第17章 修理 394

17.1 可接近性设计与可检查性设计 394

17.1.1 可接近性设计 394

17.1.2 可检查性设计 394

17.2 可修理性设计 395

17.2.1 层合板可修理性设计 396

17.2.2 夹芯结构可修理性设计 397

17.2.3 波音787飞机复合材料结构的一些特殊可修理性设计 397

17.3 损伤的检测 398

17.3.1 目视及其他的简单检查方法 398

17.3.2 无损检查方法 401

17.4 修理的分类 408

17.4.1 按损伤严重程度分类 408

17.4.2 按修理对象和修理方法分类 408

17.4.3 按修理场地分类 409

17.4.4 按损伤危害性分类 410

17.5 修理设计准则 410

17.5.1 刚度 411

17.5.2 静强度和稳定性 411

17.5.3 耐久性 412

17.5.4 损伤容限 412

17.5.5 与飞机系统的相容性 412

17.5.6 气动光滑性 412

17.5.7 重量与平衡 413

17.6 修理方案的确定 413