复合材料力学绪论

1、商用飞机复合材料机翼壁板商用飞机复合材料机翼壁板商用飞机复合材料机翼盒段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计划复合材料机身计划复合材料机身 B7E7机体结构、机翼主承力盒机体结构、机翼主承力盒段将采用碳纤维复合材料段将采用碳纤维复合材料-钛合金层钛合金层压板，复合材料机身，以及采用非压板，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热压罐的真空辅助树脂传递模塑工艺（艺（VaRTM）制造的复合材料前机）制造的复合材料前机身等。先进复合材料、下一代合金身等。先进复合材料、下一代合金以及纤维以及纤维金属层合板的

2、最终用量金属层合板的最终用量会达到会达到50%以上。以上。787的设计思想与的设计思想与ACT和和AST计划所取得的成果有着计划所取得的成果有着直接的关系。直接的关系。 B787复合材料机身整体结构验证样段复合材料机身整体结构验证样段(7米长、米长、6米宽米宽)，可显著减少零件数量，减重约达，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

3、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。表表1-3 几种结构材料性能比较几种结构材料性能比较拉伸强度(MPa)拉伸模量(GPa)比强度MPa/(g/cm3)比刚度GPa/(g/cm3)密度(g/cm3)铝合金42072.0151.125.92.78钢(结构用)1 200206.0152.926.37.85钛合金1 000116.7221.225.84.52玻璃纤维/聚酯复合材料1 24548.2623.024.12.0高强度碳/环氧树脂1 471137.31 01494.71.45高模量碳/环氧树脂1 049235.0656.0146.91.

4、60芳纶/环氧树脂1 37378.4981.056.01.40一、民机发展与复合材料应用一、民机发展与复合材料应用B707B737B747B757B767B777B787B727B717A350B747-8产品发展方向产品发展方向全谱化全谱化系列化系列化A380复合材料应用水平不断提高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身与机翼复合材料机翼复合材料机翼A380复合材料部件复合材料部件 (用量用量23%)Boeing 787 结构材料构成结构材料构成复合材料层合板复合材料层合板复合材料夹芯结构复合材料夹芯结构玻璃钢复合材料玻璃钢复合材料铝合金铝合金钛合金钛合金结构的主要材料构成

5、结构的主要材料构成Boeing 787 机身结构特征机身结构特征桁条桁条抗剪带抗剪带蒙皮蒙皮地板带地板带框框全复合材料机身具有良好的抗全复合材料机身具有良好的抗疲劳与抗腐蚀性能，可以使座疲劳与抗腐蚀性能，可以使座舱：舱：承受更大的压力承受更大的压力提高的湿度提高的湿度安装更大的视窗安装更大的视窗空客飞机进化技术特征空客飞机进化技术特征双人驾驶舱双人驾驶舱双发双通道飞机双发双通道飞机侧杆控制器侧杆控制器碳纤维复合材碳纤维复合材料中央翼盒料中央翼盒全新气动技术机翼全新气动技术机翼A310A300A320A380A340A300B2A310-200A320-200A330-300A340-300A3

6、40-600碳纤维复合材碳纤维复合材料垂尾料垂尾第二代数字飞控系统第二代数字飞控系统变频发电机变频发电机碳纤维复合材料碳纤维复合材料乘客舱后端乘客舱后端密封密封球形隔墙球形隔墙1970198019902000A380高性能轻质结构用量达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在中型民机中燃油消耗最低 百百公里公里2.5升升/ 人人机组人员休息不占用座舱空间机组人员休息不占用座舱空间超宽客机超宽客机 A350051015202530354045197019751980198519901995200020052010复合材料结构重量

7、与飞机结构重量之比复合材料结构重量与飞机结构重量之比%A300A310-200A320A340-300A340-600A380A400M服役起始年服役起始年空客飞机复合材料应用发展历程空客飞机复合材料应用发展历程A350Airbus复合材料技术发展历程复合材料技术发展历程1980-19901990-20001970-19802000-20101970-19801980-19901990-20002000-2010A310-300+ 升降舵+ 垂尾盒段件A400M+ 机翼+ 机身A300-B2整流装置雷达罩A310-200+方向舵+扰流片+阻力板 A320-200+ 发动机整流罩+高抗扭盒段件+

8、 起落架舱门+ 副翼+ 襟翼+油箱高抗扭盒段件 A330-300A340-300+ 机翼前缘+ 龙骨梁+ 客舱后密封球形隔墙A340-600/500A380+ 中央翼盒+ 翼肋在过去的三十多年里，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不时，积累了丰富的经验与教训单通道飞机单通道飞机 A320 系列系列襟、副翼，扰流片襟、副翼，扰流片机翼前缘机翼前缘/ 导流片导流片发动机整流罩发动机整流罩垂尾垂尾平尾平尾密封球形隔墙密封球形隔墙长航程长航程 A340-600J-形机翼前缘形机翼前缘龙骨梁龙骨梁空中巨无霸

9、空中巨无霸A380-800中央翼盒中央翼盒后机身后机身19截面截面后机身后机身19.1截面截面 副翼导轨安装梁及副翼导轨安装梁及侧壁板侧壁板翼肋翼肋预浸料预浸料 自动预浸带铺迭制件自动预浸带铺迭制件A340 高抗扭壁板高抗扭壁板A380 襟翼蒙皮襟翼蒙皮A380 中央翼盒壁板中央翼盒壁板纤维铺放纤维铺放A380 后机身后机身大型复杂形状复合材料构件大型复杂形状复合材料构件优化后的复合材料铺层优化后的复合材料铺层 在在A380上的首次上的首次 使用使用纤维铺放机纤维铺放机液体树脂渗透技术的应用液体树脂渗透技术的应用铺覆编织带铺覆编织带客舱后客舱后密封加筋密封加筋球形球形隔墙隔墙A380客舱后客舱

10、后密封加筋密封加筋球形球形隔墙隔墙树脂转移模塑工艺树脂转移模塑工艺A380 后机后框后机后框A380 副翼梁副翼梁A380 连接件连接件A380 centre wing boxA380 中央翼盒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

11、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%

12、 Ultimate Load 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表1-1 国外复合材料在军机上的应用情况国外复合材料在军机上的应用情况

13、国别机 种用量(%)首飞时间复合材料体系应 用 情 况美F-1411969硼/环氧树脂水平安定面F-151.21972硼/环氧树脂水平安定面、垂直安定面、方向舵F-163.41976碳/环氧树脂(AS4/3502)进气道斜板、垂尾、平尾。机翼蒙皮（碳/双马来酰亚胺）F/A-18A121978碳/环氧树脂除前机身外，包括机翼在内的所有蒙皮结构。前机身边条、翼根延伸段等AV-8B26.31982碳/环氧树脂机翼蒙皮和亚结构骨架，其机翼70%重量为复合材料结构。比金属结构减重20%以上。机翼梁和肋为“工”形剖面，腹板为正弦波纹板A-612碳/环氧树脂机翼蒙皮B-1轰炸机碳/环氧树脂、硼/环氧树脂、K

14、evlar49/环氧树脂机身大梁、平尾、垂尾、前缘缝翼、襟翼、进气道斜板、舱门等X-31A171990碳/增韧环氧(IM6/6376)机翼、机身蒙皮YF-22231991碳/增韧双马(IM7/5250-2)机翼、中机身隔框和蒙皮、尾翼F-22241996碳增韧双马(IM6/5250-4)机翼、中机身隔框和蒙皮、尾翼、前机身俄米格297S-3721前掠机翼等雅克-14124机翼、尾翼、部分机身1.42161.4430法Rafale24碳增韧双马(IM6/5245C)机翼、垂尾、鸭翼、副翼、前机身蒙皮幻影4000整体油箱翼盒、尾翼等ASX10碳/环氧树脂机翼(壁板尺寸6.34m1.5m)、机身、垂

15、尾瑞典JAS-39301988碳/环氧树脂(AS4/8552)机翼、机身、鸭翼、垂尾、进气道德、英西、意EF-2000301994碳/增韧双马(T800/5245)机翼、前机身、中机身、尾翼蒙皮日FS-X18整体机翼、垂尾、平尾等英美洲豹虎碳/环氧树脂机翼、方向舵占结构重量 百分比(%)机型材料表表1-2 民用飞机结构用材料重量百分比民用飞机结构用材料重量百分比复合材料铝合金钛合金钢第1代Boing7070.2第2代Boing747A300158176441313第3代Boing767Boeing757A320335.5807876.5264.5141213.5第4代Boing777A3401

16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

17、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

18、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