《复合材料力学绪论》PPT课件.ppt

商用飞机复合材料机翼壁板 商用飞机复合材料机翼盒段 三 国外民机结构技术发展计划成果的应用情况 ACT计划复合材料机身 B7E7机体结构 机翼主承力盒段将采用碳纤维复合材料 钛合金层压板 复合材料机身 以及采用非热压罐的真空辅助树脂传递模塑工艺 VaRTM 制造的复合材料前机身等 先进复合材料 下一代合金以及纤维 金属层合板的最终用量会达到50 以上 787的设计思想与ACT和AST计划所取得的成果有着直接的关系 B787复合材料机身整体结构验证样段 7米长 6米宽 可显著减少零件数量 减重约达20 飞机复合材料机翼主起落架接头 三维编织机身舷窗窗框 复合材料机身壁板 比强度和比刚度飞机结构上使用的复合材料以碳纤维 环氧树脂为代表 它具有高的比强度 b 和比刚度 E 可使飞机的结构重量大幅度减小 表1 3列出了几种单向复合材料与常用金属材料性能的比较 更为先进的T800 改性环氧树脂的比强度可高出铝合金10倍 比刚度高出4倍 表1 3几种结构材料性能比较 一 民机发展与复合材料应用 B707 B737 B747 B757 B767 B777 B787 B727 B717 A350 B747 8 更安全更经济更舒适更环保 技术发展方向 产品发展方向 全谱化系列化 A380 复合材料应用水平不断提高 复合材料机身与机翼 复合材料机翼 A380复合材料部件 用量23 Boeing787结构材料构成 复合材料层合板 复合材料夹芯结构 玻璃钢复合材料 铝合金 钛合金 结构的主要材料构成 Boeing787机身结构特征 桁条 抗剪带 蒙皮 地板带 框 全复合材料机身具有良好的抗疲劳与抗腐蚀性能 可以使座舱 承受更大的压力提高的湿度安装更大的视窗 空客飞机进化技术特征 双人驾驶舱 双发双通道飞机 侧杆控制器 碳纤维复合材料中央翼盒 全新气动技术机翼 A310 A300 A320 A380 A340 碳纤维复合材料垂尾 第二代数字飞控系统 变频发电机 碳纤维复合材料乘客舱后端密封球形隔墙 1970 1980 1990 2000 高性能轻质结构用量达62 空客第一架全复合材料机翼飞机在中型民机中燃油消耗最低 百公里2 5升 人机组人员休息不占用座舱空间 超宽客机 A350 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 复合材料结构重量与飞机结构重量之比 A300 A310 200 A320 A340 300 A340 600 A380 A400M 服役起始年 空客飞机复合材料应用发展历程 A350 Airbus复合材料技术发展历程 机翼前缘 龙骨梁 客舱后密封球形隔墙 A340 600 500 A380 中央翼盒 翼肋 在过去的三十多年里 AIRBUS不断地把加大复合材料在飞机的应用时不时 积累了丰富的经验与教训 单通道飞机 A320系列 襟 副翼 扰流片 机翼前缘 导流片 发动机整流罩 垂尾 平尾 密封球形隔墙 长航程A340 600 J 形机翼前缘 龙骨梁 空中巨无霸A380 800 中央翼盒 后机身19截面 后机身19 1截面 副翼导轨安装梁及侧壁板 翼肋 预浸料 自动预浸带铺迭制件 A340高抗扭壁板 A380襟翼蒙皮 A380中央翼盒壁板 纤维铺放 A380后机身 大型复杂形状复合材料构件优化后的复合材料铺层在A380上的首次使用 纤维铺放机 液体树脂渗透技术的应用 铺覆编织带 客舱后密封加筋球形隔墙 A380客舱后密封加筋球形隔墙 树脂转移模塑工艺 A380后机后框 A380副翼梁 A380连接件 A380centrewingbox A380中央翼盒 大型商用运输机复合材料应用发展 大型商用运输机复合材料用量 Airbus A 340复合材料用量占飞机总重13 A 380复合材料用量占飞机总重20 Boeing B 777复合材料用量占飞机总重10 B 7E7复合材料用量计划占飞机总重50 以上 B 777复合材料使用情况 A 380复合材料使用情况 军用飞机复合材料应用发展 F 18EF战斗机复合材料占19 AV8 B鹞式战斗机复合材料占26 EF 2000中机身复合材料上壁板 F 22复合材料用量占飞机总重26 F 22复合材料应用情况 机翼 蒙皮 碳 双马中梁 碳 环氧机身 钛合金 铝合金 复合材料平尾安定面 碳 双马蒙皮铝蜂窝夹层板垂尾安定面 碳 双马蒙皮 碳 环氧梁操纵面 复合材料蜂窝夹层板 F 22复合材料机翼组装情况 B 2轰炸机 1989年首飞 B 2轰炸机复合材料使用情况 机翼 蒙皮和内部结构为碳 环氧的蜂窝夹层板机身 大量使用复合材料 C 17军用运输机复合材料使用情况 原型机复合材料用于 次要结构和操纵面1994年将平尾改为复合材料 AS4 Epoxy 1998年通过静力试验 133 UltimateLoad破坏2001年70架飞机全换为复合材料平尾 C 17军用运输机平尾 C 17军用运输机复合材料应用效果 复合材料使用量占总重量8 减重 20 减少零件数 90 减少紧固件数 80 降低成本 50 V 22旋翼机 V 22旋翼机复合材料使用情况 机翼 IM6 3501 6机身和尾翼 AS4 3501 6复合材料使用量占总重量41 减重 13 减少零件数 35 降低成本 22 科曼奇直升机 全球鹰无人侦查机 捕食者无人侦查机 X 45无人战斗机 无人直升机 表1 1国外复合材料在军机上的应用情况 表1 2民用飞机结构用材料重量百分比 各向异性和可设计性由单向预浸带铺叠并固化而成的层压结构是目前飞机复合材料结构的主要形式 单向带呈现强烈的正交异性 沿纤维方向的性能与垂直纤维方向的性能差别很大 可以在不同的方向铺设不同比例的单向带 来满足结构平面内所需方向性能的要求 当然各向异性给结构设计 分析和制造增加了困难 这也是复合材料结构设计的特点之一 损伤 断裂和疲劳行为各向异性 脆性和非均质性 特别是层间性能远低于层内性能等特点 使复合材料层压板的失效机理与金属完全不同 因而它们的损伤 断裂和疲劳性能也有很大差别 另一方面 复合材料构件制造目前主要靠人工铺贴和热压成形 再加上加工 运输过程中可能受到的外来物冲击 其制件会比金属制件更易带有程度不等的缺陷 损伤 表1 4概述了影响复合材料结构与金属结构疲劳和损伤容限的因素比较 1 主要的缺陷 损伤类型裂纹是金属飞机结构的主要损伤形式 复合材料结构的关键缺陷 损伤形式是界面脱胶 分层和低能量 特别是低速 外来物产生的冲击损伤 冲击损伤的威胁在于当内部产生大范围基体开裂和分层时 外表面往往仍目视不可检 但其压缩承载能力已大幅度下降 外表面目视勉强可检的冲击损伤可使其压缩强度降为无损强度的40 分层是复合材料层压结构特有的损伤形式 生产过程中工具坠落 撞击 使用过程中跑道碎石及冰雹 鸟类等外来物冲击 以及局部层间应力集中或结构超载 都可能引起内部分层 这类损伤的存在和扩展对层压板或结构强度和刚度下降的影响是显著的 2 缺口敏感性金属一般都具有屈服阶段 而复合材料往往直至破坏其应力 应变曲线仍呈现线性 所以复合材料的静强度缺口敏感性远高于金属 但复合材料的疲劳缺口敏感性则远低于金属 其疲劳缺口系数 一定循环次数下 无缺口试件疲劳强度与含缺口疲劳强度之比 远小于静应力集中系数 并且在中长寿命情况下接近于1 疲劳性能金属对疲劳一般比较敏感 特别是含缺口结构受拉 拉疲劳时 其疲劳强度会急剧下降 但复合材料一般都显示有优良的耐疲劳性能 另外含冲击损伤和分层的复合材料结构在疲劳载荷下 一般很难观察到它们在疲劳下的扩展 即使出现损伤扩展 也往往出现在寿命后期 并且很难确定其扩展规律 刚度降对金属结构 一般不考虑由疲劳载荷引起的刚度变化 但对复合材料结构 特别是承受高周疲劳的直升机旋转部件 如旋翼桨叶 有时需要加以考虑 5 分散性复合材料静强度和疲劳强度的分散性均高于金属 疲劳强度尤为突出 因此在对复合材料结构进行疲劳验证时 除寿命分散系数外 有时还同时考虑载荷放大系数 环境影响除了极高的温度 一般不考虑湿热对金属强度的影响 但复合材料结构则必须考虑湿热环境的联合作用 这是因为复合材料的基体通常为高分子材料 湿热