《飞机复合材料层压板结构设计许用值确定方法》

3HBXXXX—XXXX飞机复合材料层压板结构设计许用值确定方法本文件规定了飞机复合材料层压板设计许用值的设计思路和确定方法。本文件适用于民用飞机复合材料层压板设计许用值的确定，其他类型飞机可参考使用。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。CCAR-25-R4运输类飞机适航标准3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1复合材料composite复合材料是由成分或形式在宏观尺度都不相同的材料构成的复合物。各组分在复合材料中保持原有的特性，即各组分尽管变形一致，但它们彼此完全不溶解或者相互不熔合。通常，各组分能够从物理上区别，并且相互间存在界面。3.2层压板laminate对纤维增强复合材料，经过压实的一组单层（铺层这些单层关于某一参考轴取同一方向角或多个方向角。3.3母体population指要对其进行推论的一组测量值，或者，指在规定的试验条件下有可能得到的测量值全体。例如，“在相对湿度95%和室温条件下，碳/环氧树脂体系A所有可能的极限拉伸强度测量值”。为了对母体进行推论，通常有必要对其分布形式作假设，所假设的分布形式也可称为母体。3.4单向带tape4HBXXXX—XXXX以平行排列的连续纤维或以连续纤维为经向而在纬向加少量且更细的纤维的织物浸胶后称为单向带，亦称预浸带。3.5织物fabric以纱线、长丝等为材料，运用各种织造及其他方法制成的平状物。如机织物、针织物、编织物、无纺织物等。3.6许用值allowable在概率基础上(如分别具有99%概率和95%置信度的A基准值，与90%概率和95%置信度的B基准值)，由层压板或单层级的试验数据确定的材料值。导出这些值要求的数据量由所需的统计意义(或基准)决3.7材料许用值materialallowable在一定的载荷类型与环境条件下，主要由试样试验数据，按规定要求统计分析后确定的具有一定置信度和可靠度的材料性能表征值。3.8设计许用值designallowable在一定的载荷类型与环境条件下，考虑结构设计有关的形式(如开孔、冲击、连接等因素)，对试样试验数据，按规定要求统计分析后确定的具有一定置信度和可靠度的材料性能表征值。3.9B基准值B-basis建立在统计基础上的材料性能。指定测量值母体的第十百分位数上的95%下置信限，也是对指定母体中90%较高值的95%下容许限。3.10平均值averagevalue有效试样试验结果的算术平均值，试样样本大小视具体性能要求而定。3.11试样coupon用以评定基本单层级或层压板级性能，或通用结构特征（如胶接接头或机械紧固件连接接头）性能的小试验件（如通常是平层压板）。3.125HBXXXX—XXXX伴随件accompanyingspecimens进行环境处理的试件同块板上切割下来并与试件采用相同时间进行浸润处理的试件。伴随件要始终伴随试件或相关的试件组经历全部接下来的浸润处理历程。4符号和缩略语4.1符号下列符号适用于本文件：T——层压板厚度；T2——层压板基准厚度，范围为2mm-6mm；T1——根据设计需要推荐增加的试件厚度；T3——根据设计需要推荐增加的试件厚度；B——求取B基准值所需试样数，B=k×m×n，其中k代表需要的批数，减量取样k=3，充分取样k=5；m代表每批的试板数，试板应出自不同的炉次，m=2；n代表每个试板的试样数，n=3；M——求取平均值所需试样数,M=m×n，其中m代表每批的试板数，试板应出自不同的炉次，m=2；n代表每个试板的试样数，n=3;D——孔径；D2——基准孔径值；D1——根据设计需要推荐增加的孔径值；D3——根据设计需要推荐增加的孔径值；W——试件的名义宽度；H——紧固件端部的形式；H2——基准紧固件端部的形；H1——根据设计需要推荐增加的紧固件端部的形式；H3——根据设计需要推荐增加的紧固件端部的形式。4.2缩略语下列缩略语适用于本文件。CTD：低温干态（ColdTemperatureDry）ETD：高温干态（ElevatedTemperatureDry）ETW：高温湿态（ElevatedTemperatureWet）RTA：室温环境（RoomTemperatureAmbient）RTW：室温湿态（RoomTemperatureWet）MOL：材料工作极限（MaterialOperationalLimit）MNR：最大赋范残差（MaximumNormedResidual）OSL：观察显著性水平（ObservedSignificanceLevel）5要求5.1材料所有进行许用值试验件制造的材料都应符合经批准的相关材料规范要求，且入厂复验合格。5.2试验项目飞机复合材料层压板设计许用值试验项目设计与结构形式、受载情况和分析要求相关，通常层压板6HBXXXX—XXXX设计许用值试验项目如表1所示。如有特殊要求，可视具体情况增减试验项目。表1层压板许用值试验项目1234567895.3试验环境5.3.1根据CCAR-25-R4规定，设计分析需要考虑飞机飞行包线内的严酷环境，例如，温度和湿度。因此，许用值应包括不同温度和吸湿状态组合条件下得到的数据。其中温度包括低温、室温和高温，吸湿状态包括干态和湿态。a)温度——一般对航空结构低温取-55℃,室温取23℃,高温应根据试验目的而定，对于特定型号，应取在结构的最高使用温度，并根据变化趋势，可在室温和该温度之间再选择一个或两个温度；如果考虑将此材料体系用于所有可能应用的温度范围，则应取此材料体系的最高工作温度(MOL)，并根据变化趋势在它们中间取一个或两个温度；b)湿度——干态指“制造状态”，即制造后放在实验室大气条件下不作任何吸湿处理；湿态则须进行专门的吸湿处理，吸湿条件根据实际结构的使用状态而定。湿度应达到85%RH条件下的平衡吸湿量；c)公差——温度公差取±3℃、湿度公差取±5%。5.3.2温度与吸湿状态的组合包括低温干态(CTD)、室温环境(RTA)、室温湿态(RTW)、高温干态(ETD)和高温湿态(ETW)。通常考虑低温干态(CTD)、室温环境(RTA)和高温湿态(ETW)三种环境条件。5.4试验件取样B基准值的大小与获得的数据量、所代表的批次数以及各批次间的生产一致性有关。设计许用值试验取样要求如表2所示。表2设计许用值试验取样要求53许用值试验样本数量应满足相关统计数量。产生基准许用值所用的试件数，取决于取样的方法，即对B基准值的充分取样或对B基准值的缩减取样。充分取样B基准值的要求为5×2×3，即三批次共计30件。7HBXXXX—XXXX缩减取样B基准值的要求为3×2×3，即三批次共计18件。图1为设计许用值缩减取样与充分取样试样选择和炉批次的典型方案。图1缩减取样与充分取样5.5铺层设计应选择能够代表实际结构的铺层进行铺层设计，不能采用外推法设计。主要方法包括以下三种：a)典型铺层。试样的结果只与铺层比例有关，而与铺层顺序无关，同时在一定的厚度范围(例如不超过4mm)内，厚度对强度的影响可以忽略不计。因此，可以选取某一厚度(或多个厚度)若干结构典型铺层比例试样进行试验；b)毯式曲线方法。通过经试验证实的分析方法可以得到不同试验条件下的毯式曲线(即铺层比例与强度或模量的变化曲线)，在毯式曲线中，试验设计铺层要能够包络实际结构铺层。图2给出了具有各种0°、±45°和90°方向铺层比例的层压板轴向拉伸强度的毯式曲线示意图；图2毯式曲线示意图8HBXXXX—XXXXc)全铺层。当结构铺层比例比较单一时，可采用此结构的实际铺层作为许用值试验设计铺层。工程实际中，当结构铺层比较多时，也可以采用基准铺层和典型铺层作为许用值试验设计铺层，而结构其余实际铺层作为平均值试验设计铺层。通过完整矩阵的许用值试验设计铺层确定相应的B基准系数，环境影响系数等，通过平均值试验设计铺层得到其平均值，并结合得到的系数，确定不同铺层的许用值。5.6加强片5.6.1加强片的使用许用值试验一般不要求加强片。试验件公差和夹持方法选择的要点是，将载荷成功地引入到试样和防止试样由于明显的不连续而引起提前破坏。因此，为了得到可接受的破坏模式和破坏部位，需要确定是否使用加强片及加强片主要设计参数规范。如果可接受的破坏模式出现的频率很高，则不需要改变已使用的夹持方法。拉伸模量、面内剪切许用值试验项目建议采用加强片。5.6.2加强片材料最常用的粘接式加强片的材料是连续玻璃纤维增强的聚合物基材料(机织物或无纬布非机织物)，其结构型式为[0/90]ns层压板，该加强片材料一般与载荷的方向成45°角，以提供一个软接触面。另外，还可采用钢加强片或由试样相同的材料制成的加强片。5.6.3加强片破坏在样本母体中，如果有相当高比例的破坏发生在加强片或夹持端附近的试样宽度范围内，则应重新检查载荷的引入方式。考虑的因素应包括加强片对中、加强片材料、加强片斜削角度、加强片胶黏剂、夹持类型、夹持力和夹持对中度。5.7试验矩阵5.7.1典型铺层的定义表3对单向带推荐了4种通用的层压板典型铺层定义，对织物推荐了3种通用的层压板典型铺层定义，供制定试验矩阵时参考。不同的飞机，其选取的典型铺层比例可能不同，应选取结构可能使用铺层比例的典型值域上下限，具体型号采用的铺层定义由设计方确定。表3典型铺层比例层压板定义5.7.2无缺口层压板试验矩阵推荐的无缺口层压板试验矩阵见表4。9HBXXXX—XXXX表4无缺口层压板强度试验矩阵0 B 0MBM0 B MMM0MBM0-M-注1：层压板厚度应根据实际结构设计铺层的范围进行设计、调整。若需要覆盖应用设计的变化，根据设计需要推荐增加“T1”“T3”厚度的试件。5.7.3含开孔层压板强度试验矩阵推荐的开孔层压板试验矩阵见表5。表5含开孔层压板强度试验矩阵 M MBM-M-MBMMMM注1：若需要覆盖应用设计的变化，推荐增加“D1”“D3”孔径的试件。注2：试件的名义宽度一般为6倍孔径(W/Di=6，i=1,2,3)。5.7.4充填孔层压板强度试验矩阵对充填孔试验，应考虑紧固件形式、孔径和层压板厚度。推荐的试验矩阵见表6。表6含充填孔层压板强度试验矩阵 B M M MBM-M--M--M-MBMMBM注1：紧固件直径和紧固件的形式根据实际中应用情况进行选取、增减。试件的名义宽度为6倍孔径(W/Di=6，i=1,2,3)。HBXXXX—XXXX注2：基准紧固件端部的形式(H2)应是结构中最常用的形式。试验矩阵中要包含少量试验来确定其他紧固件端部形式(H1、H3)的影响。5.7.5含冲击损伤层压板压缩强度试验矩阵含冲击损伤层压板压缩强度试验反映材料体系对低速冲击损伤的敏感性。冲击能量的选择取决于结构设计准则中选取的初始冲击损伤要求。推荐的试验矩阵见表7。表7含冲击损伤层压板强度试验矩阵 M MBM M MBMMBM5.7.6层压板机械连接挤压强度试验矩阵对机械连接挤压强度试验，应考虑以下附加的变量：紧固件头部形式、紧固件加持力矩、划窝深度、孔径和相对紧固件直径的容差、基准紧固件间距和层压板厚度。推荐的试验矩阵见表8。表8机械连接挤压强度试验矩阵单-B-单-M-单 M 单MBM双 M 单 M 单 M 单 M 单MBM单MBM注1：紧固件直径和紧固件的形式根据实际中应用情况进行选取、增减。注2：基准紧固件端部的形式(H2)应是结构中最常用的形式。试验矩阵中要包含少量试验来确定其他紧固件端部形式(H1、H3)的影响。5.7.7层压板紧固件拉脱阻抗试验矩阵对紧固件拉脱阻抗试验，应考虑以下附加的变量：紧固件头部形式、紧固件加持力矩、划窝深度、孔径和相对紧固件直径的容差、孔径与厚度的比值、基准紧固件间距和层压板厚度。推荐的试验矩阵见表9。HBXXXX—XXXX表9紧固件拉脱阻抗试验矩阵 B M M MBM-M--M--M--M-MBMMBM注2：基准紧固件端部的形式(H2)应是结构中最常用的形式。试验矩阵中5.8试验标准飞机复合材料层压板设计许用值试验应选用成熟的、认可度高的标准。5.9制造工艺许用值试验件制造应按照相应的工艺规范执行，且能代表实际产品制造工艺，应控制可能使试样与结构间出现材料响应差异的关键工艺参数。除非完成包括差异性试验在内的附加鉴定，一旦确定了生产工艺，就不应改变。5.10试验件编号试验件编号应具有唯一性与可追溯性；应该能追溯所有试件的材料批号、固化批次和试板号，可以要求每个试件在试板内部位的可追溯性。5.11试验件截取试验件截取时，应废弃试板边缘至少25mm的材料，结合所需试样的尺寸和数量，确定试板的尺寸。不能在质量有疑问的部位取样。5.12环境处理5.12.1浸润处理进行湿态状态调节时，将试验件放入湿热试验箱（温度：70℃±3℃,相对湿度：85%±5%RH）。在相距（7±0.5）天内的相继两个读数中，试验件的平均吸湿量的变化小于0.05%，即满足公式(1)时，则达到了有效的吸湿平衡。ii-1W-ii-1Wb式中：<0.05%…………(1)HBXXXX—XXXXWi——当前时刻的重量，g；Wi-1——前一时刻的重量，g；Wb——在吸湿浸润前的基准重量，g。吸湿处理后的试验件，连同一个湿布条放入密封袋中，直至进行力学性能试验(至多14天)；从封闭的环境中取出，在室温大气环境下贴片，最多允许2h。5.12.2吸湿量测定吸湿量的测量方法有2种：a)真实试件称重；b)伴随件称重。伴随件应从同块板上切割下来并与试件采用相同时间进行浸润处理。对于太小或太大或者试件含加强片，应使用伴随件。所使用的伴随件要始终伴随试件或相关的试件组参与全部接下来的浸润处理历程。通常一个浸润处理历程需要一件伴随件。5.12.3试验加热在试验前，应对试验时处于环境箱的试验装置进行加热，直至试验装置稳定在试验温度下，方可进行试验。在实际试验之前应该采用模拟试件以确定试件热透的时间。应采用与试验件相同的材料及铺层来制作模拟试件。热电偶应该嵌入在模拟试件的中心线处钻的孔中，以确定热透时间。记录热电偶达到所要求试验温度的时间作为保温时间。在试验时应将热电偶与试验件表面接触，应在6min内将试验件加热到试验温度，并进行一定时间的保温，最后进行试验。对于干燥的试验状态，达到试验温度后保温时间取（5-10）min；对于潮湿的试验状态，到达试验温度后，保温时间取（1-3）min。5.13数据统计5.13.1基本统计对于每一组试验，计算每一种测量性能的平均值、标准差和离散系数(以百分比表示)：x=xi…………………(2)sn-1=x-nx2…………(3)CV=sn-1根100………………(4)x式中：x——样本平均值；sn-1——样本标准差；CV——样本离散系数，%；n——试件数量；xi——测量或导出的性能值。对于异常破坏和异常数据将进行统计处理。5.13.2异常数据处理HBXXXX—XXXX5.13.2.1异常数据是在数据集中比大多数观测值低很多或高很多的观测值。异常数据经常是错误的值，这些错误值可能由记录错误、试验环境条件设置不正确或采用了带缺陷的试件而引起。应进行异常数据定量筛选，并对数据进行目视检查。5.13.2.2用最大赋范残差(MNR)方法来对异常数据进行定量筛选。该方法筛选非结构型数据集中的异常数据。对于(由于批次、厂商、温度等等)能够自然分组的数据，应该组成最小的组并分别对其进行筛选。当合并数据有意义时，来自相容的组的数据应合并，并对合并后的较大的组进行筛选检验。5.13.2.3应研究被识别成异常数据的所有的数值。首先应当根据物理的迹象识别其原因。若存在下面任一情况，应剔除该异常数据，包括但不限于：a)材料(或一个组分)超出了规范的标准；b)板件或试件制造参数超出了规定的容差范围；c)试验件的尺寸或取向超出了规定的容差范围；d)在试验件中检测出(不是所研究的)缺陷；e)在试件的吸湿预处理中出现错误(或者浸润处理参数超出了规定的容差范围)；f)试验机和/或试验夹具设置不恰当；g)试验件安装不恰当；h)试验参数(速度、试验温度等)超出了规定的范围；i)试验过程中试验件在夹头内打滑；j)试验件的破坏模式不是所试验要求的模式(加强片脱落、非预想的弯曲、在测试段以外破坏等)；k)验证产生异常数据的可疑条件而进行的试验；l)没有适当进行正则化的数据。5.13.2.4发现数据采集与记录中的错误时，应检查所有数据以确定是否出现了类似的错误，这些值应更正或剔除。5.13.2.5若没有找到物理原因，则应按下述原则处理：对高异常数据，应考虑该异常数据是否在材料的能力范围内。若其明显超出了材料的能力范围，应剔除该异常数据；若在材料的能力范围内，则可以保留；对低异常数据，通常应予保留。若发现其会大大降低基准值而应删除时，则须分析其可能原因，并做附加试验，以证实删除该异常数据的正确性。对于任意观测值被更正或删除的情况，应重复进行异常数据的统计检验和目视检查。应将删除异常值的主观决定作为数据分析的一部分记录在案，所有对异常数据的删除或纠正措施应通过适航/试验委托方审核并批准后方可实施。5.13.2.6建议按照如图3的过程评定没有找出物理原因的异常数据。HBXXXX—XXXX图3处理未查明原因异常数据的判断流程5.14数据正则化为了数据分析，可对材料、批次、板件和试件进行比较，应把纤维控制的性能数据修正到一个公共的纤维体积含量基础上。该方法只适用于由纤维控制的无缺口和含缺口层压板的性能，包括：a)0°(经向)拉伸弹性模量和强度；b)0°(经向)压缩弹性模量和强度；c)90°(纬向)拉伸弹性模量和强度；d)90°(纬向)压缩弹性模量和强度；e)典型层板开孔拉伸强度；f)典型层板开孔压缩强度；g)典型层板充填孔拉伸强度；HBXXXX—XXXXh)典型层板充填孔压缩强度；基于上述考虑，正则化后的模量和强度值公式：E=E0……………(5)σ=σ0……………(6)式中：E——正则化后处理后模量，GPa；σ——正则化后处理后强度，MPa；E0——实测模量，GPa；σ0——实测强度，MPa；t——名义厚度，mm；t0——实测厚度，mm。5.15设计许用值计算流程5.15.1确定基准值的程序取决于数据的特点。由试验结果计算出基准值的具体统计方法，建议按照环境样本合并方法（图4）或单点法（图5）计算B基准值，其中单点法得到的基准值较保守。5.15.2在计算基准值之前，应按照4.14节的方法对原始数据进行合适的正则化处理。图4、图5中多处使用了“正则化”一词，这不能与4.14节中为考虑纤维体积含量不同而进行正则化处理时所采用的“正则化”术语相混淆。5.15.3对于来自于多批次材料与多个环境条件的数据，采用合并法合并各环境样本数据以提高变异性的评估水平，但这种方法要求数据能够满足某些其他准则并且应对此进行证明。如果数据能够满足所有这些准则，则按照图4所示的流程完成计算即可。如果所有数据或部分数据不能满足这些假设和准则，则应根据图5所示的单点法的计算流程对所有数据或部分数据进行分析。图4也给出了需要采用单点方法的步骤点。5.15.4对图4中步骤的说明：a)步骤1破坏模式是决定强度数据是否可取及数据是否可以进行有效合并或融合的关键因素。第一步对组内(同一批次，同一环境条件等)试件的破坏模式进行评定。一旦试件呈现出不合理的破坏模式，该试件数据就不应包括在数据组中。如果在数据组中发现某些试件的破坏模式是合理的但却不一致，就应该对数据进行检查，以确定这些不同的破坏模式是否会导致不同的强度结果。倘若破坏模式与强度值之间存在某种联系，则应该对试件加工工艺，环境控制方法，试验设备，试验夹具及其他因素进行检查，以确定导致不同破坏模式的原因；b)步骤2“坏”点是经鉴定可导致试验结果无效的数据点，强调的是破坏模式的物理证据而非试验数据本身；c)步骤3应获得两种或两种以上环境条件下(或其他固定影响)的数据。在试验温度范围内，被合并的环境条件应是相邻的，并且应包括RTA环境条件；d)步骤9在数据组中查出统计意义上的异常数据这一事实并不意味着该数据一定是无效的。剔除一个数据点，应识别出剔除的具体理由，详见4.13.2节；e)步骤11如果检测出批间变异性，则根据经验与工程判断来决定已识别出的统计差异是否具有工程意义上或实际意义上的显著性(步骤12)；f)步骤18将每种环境条件下的各批次数据作为一个整体来看待而不区分批次；g)步骤22不同环境条件下的数据组的均值存在统计意义上的差异，不能直接合并这些数据组。应对每种环境的数据组进行正则化处理，即将每个数据组(对应于每种环境条件)中的每个观测HBXXXX—XXXX值除以该组的均值。由此将获得每种环境条件下的正则化数据组