表 " "&%低能量冲击损伤及其耐久性要求(冰雹和跑道碎石冲击)
区域 损伤源 损伤水平 要求
%所有的垂直表面,和水平表面的上表面 冰雹: ,直径 &-’ )) ,比重 . -’ / ,速度 &(’ ) 0 1 ,垂直于水平表面 ,与垂直表面成 ,2 冲击点均匀分布冲击点中心间距 &-)) ,&倍设计寿命期内无功能性障碍,或不需要结构修理 ,无目视可检损伤
%可能冲击到的结构表面 跑道碎石: ,直径 &’ ()) ,比重 . ,与飞机速度相当 无 ,&倍设计寿命期后无功能障碍;如果损伤目视可检,则外场修理后不渗水
,’结构损伤容限设计要求结构损伤容限设计目的在于避免因未检测到的损伤引起结构发生灾难性破坏。 •-,•
总结复合材料结构已有设计应用实践,在结构损伤容限方面获得以下认识和经
验: 目视可检冲击损伤(")是复合材料(层合)结构最严重的缺陷 损伤形式; "冲击损伤面积("%)和剩余强度,以及破坏形式在很大程度上取决于结构的
构造形式; 现有复合材料结构的冲击损伤扩展特性可归为缓慢裂纹扩展。复合材料结构与金属结构相比,冲击损伤虽然使复合材料承载能力突然明显下
降,但在谱载荷作用下,扩展却是缓慢的,即含冲击损伤复合材料结构对疲劳载荷是不敏感
的,相比之下,复合材料结构具有更好的破损安全特性。 冲击损伤分析技术十分缺乏,使用经验有限。复合材料结构损伤容限设计应满足下列要求:
(&)初始缺陷 损伤假设
应当在对设计 制造方法和检测方法能力评定后建立初始缺陷尺寸假设。具体讲,对树脂基复合材料,当对结构进行分类 定义可检度和建立初始缺陷尺寸假设时,必须考虑使用中引起的缺陷(外来物损伤,操作损伤等)。
使用损伤假设指结构使用中遭受作战弹伤、鸟撞、雷击、发动机高速旋转零件的非包容破坏等、外来物高能量冲击,产生的目视易见损伤。使用损伤尺寸应由试验或试验支持的分析方法确定。
应该用验证过程中所用的尺寸来定义临界缺陷,所选尺寸与制造和使用缺陷 损伤的检查计划有关,并由其支持,它还与出现的概率有关,例如,对于某个具体结构部位,它与具有一定强度和出现频率的外部物体的损伤敏感性有关。当没有全面的检测验证计划时,则应假设如表 ’ () (’所给出的缺陷 损伤类型和尺寸。应注意,不能把使用中的冲击损伤要求,用于不会遭受外部冲击的飞行安全结构,如内部的框和梁。
表 ’ () (’*初始缺陷 损伤尺寸假设(军用飞机) +
缺陷 损伤形式 缺陷 损伤尺寸
划伤 长 &,,--深 ,. /--的表面划伤
分层 分层面积当量于直径为 /,--的圆,并具有相对所在位置是最危险的分层形状
•),0•
第三篇 +复合材料飞机结构设计
缺陷 损伤形式 缺陷 损伤尺寸
冲击损伤 由 " %&&直径半球形端头的冲击物造成的冲击损伤,其冲击能量为 ’()*或产生 " &&深凹坑所需冲击能量值中的较小者;当板厚小于 " &&时,其冲击能量为产生等于板厚深度凹坑所需冲击能量值
++对表 ( ,% ,(,需解释以下几点:
划伤是指普通检验员可能漏检的最大尺寸,而不应是大多数熟练的检验员能注意到的最小尺寸。 "分层,考虑了可能发生且在维护修理时可能漏检的分层。 冲击损伤假设按层合板厚度大致可分为 (个厚度范围对应的不同冲击损伤假设。对厚度小于 -’ &".层(" &&以下)薄层合板,按表面凹坑深度等于板厚确定冲
击损伤假设,以避免薄蒙皮层合板出现穿透性冲击损伤;对厚度 -’ /-% &". /.层(相当于 " /)&&)层合板,按表面凹坑深度等于 " &&确定冲击损伤假设;对厚度大于 -% 0.层(相当于 )&&以上)层合板,按最大冲击能量等于 ’()*确定冲击损伤假设。
对油箱等有特殊要求部位,应按具体要求确定冲击损伤尺寸。有的技术文件还对制孔或紧固件安装不当的缺陷 损伤,规定在每一紧固件群中有一个孔径过大,超差 . (1&&,或有一个紧固件歪斜 ’.2,取其中严重的情况。
(")结构剩余强度要求
复合材料结构应有足够的损伤容限能力,在缺陷 损伤被发现前,应当承受合理水平的载荷,而不发生破坏或过大变形,确保飞机安全。含损伤结构剩余强度,根据损伤的可检度、检查间隔,规范规定了不同的要求。
含初始缺陷 损伤的结构,在一倍寿命期内,其剩余强度应不小于使用载荷,或一倍寿命期中所出现最大载荷的 ’ "倍(应不大于 ’ "倍使用载荷)。含使用损伤的结构,在检查间隔期间内,其剩余强度应不小于(规定的) 3倍检查间隔内出现 ’次的最大平均内部元件载荷,以保证飞机能安全返航。(()结构损伤扩展要求
复合材料结构损伤扩展归为缓慢裂纹扩展范畴。对初始缺陷 损伤,要求在两倍使用寿命期内,初始缺陷 损伤尺寸应不增长或止裂;而对使用损伤,要求在两倍使用寿命期内,使用损伤尺寸应不增长到使结构发生破坏。
结构损伤容限分析必须采用有试验支持或试验验证的分析技术。
对民机 45556".—’.75规定冲击损伤容限设计要求,设计载荷按结构冲击损伤
•%.7•
目视勉强可检门槛值确定。
"结构动力学设计要求
对振动严重结构必须按照频率控制设计原则、响应控制原则以及声疲劳寿命要求进行动力学设计。
复合材料结构的动特性、动响应和声疲劳特性均与层合板的铺层方向、铺层比和铺层顺序等铺层参数密切相关;选择合理的结构形式、结构布局与铺层参数等进行动力学设计以确保复合材料结构在正常使用条件下,能避开干扰频率的共振区、钟乳区,将最大动响应控制在限制值内,并符合声疲劳寿命要求,以免在使用期内结构发生由振动、噪声引起的结构性能退化乃至失效等事件发生。
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