复合材料力学绪论.ppt

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1、,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

2、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%

3、),Boeing 787 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,Boeing 787 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%

4、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，

5、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

6、,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,A380 centre wing box,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

7、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%Ultimate Load 破坏20

8、01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

9、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/

10、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

11、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。

12、,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，湿热的联合作用会降低其玻璃化转变温度，从而引起由基体控制的力学性能，如压缩、剪切等的明显下降。对金属结构腐蚀是严重的问题，而复合材料结构通常有良好的抗腐蚀性能。,导电性 金属有着良好的导电性，复合材料的导电性则差得多。因此复合材料结构设计必须有专门的防雷击措施，油箱部位要有专门的防静电设计，同时对安装大量仪器仪表的设备舱和雷达罩，要进行特殊的电磁相容性设计。,本 章 结 束,