[發明專利]一種考慮BVID沖擊損傷影響的復合材料開口分析方法

有效

• 申請號: 201811545595.3
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN109697312B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 黃文超;賈大煒;柴寶;劉磊;鄭雙;張修路
• 申請（專利權）人: 中航沈飛民用飛機有限責任公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/15;G06F30/17;G06F113/26
• 代理公司: 沈陽杰克知識產權代理有限公司 21207
• 代理人: 鄭賢明

一種考慮BVID沖擊損傷影響的復合材料開口分析方法，1)通過沖擊損傷后結構的剩余強度得到最危險的損傷距離，確定引入的BVID到復合材料大開口結構孔邊的危險距離；2)確定復合材料開口設計許用值的計算公式及修正系數計算公式；3)設計可求出修正系數的試樣級試驗矩陣；4)基于試驗結果計算許用值修正系數的參數，得到復合材料開口結構設計許用值。5)根據開口的幾何特征、曲率半徑變化確定開口區的危險位置，基于有限元方法提取工作應變，確定強度分析公式。本發明通過上述方法，提供了一種能夠降低研發成本、提高復合材料結構效率，縮短設計周期的一種考慮BVID沖擊損傷影響的復合材料開口分析方法。

技術領域

本發明涉及民用飛機復合材料開口結構含目視勉強可見沖擊損傷(BVID)的設計許用值分析方法，屬于復合材料機體結構強度設計領域。

背景技術

先進復合材料廣泛的應用于民用飛機結構設計中，出于制造和使用功能上的要求，復合材料結構件包含大開口布置是不可避免的，在民用飛機設計領域，通常定義半徑或曲率半徑大于1in(25.4mm)的開口為大開口結構。準確的復合材料開口分析方法會對復合材料結構設計起到指導性作用。國際上，針對復合材料開口損傷失效問題，Whitney先是提出了點應力準則，該準則假定缺口尖端前某一特定距離的應力水平達到臨界值時就認為層合板發生失效，并在此基礎上提出了平均應力準則，但是該方法中特征距離的長度與層合板的鋪層方式有關，需要通過曲線擬合及試驗數據并依靠經驗來確定，且目前未建立基于平均應力準則的開口分析參數標準值。P.Maimi等從材料Gibbs自由能密度出發，理論推導得到了復合材料開口二維含損傷本構模型，鋪層的縱向與橫向失效機理通過一系列損傷變量進行描述。NASA蘭利研究中心針對復合材料提出的失效準則LaRC04，對復合材料開口結構的損傷破壞進行了數值模擬，可應用于實際工程計算。目前，對于復合材料開口結構，目前缺乏成熟的開口邊緣應變設計許用值分析計算方法，傳統的工程分析方法有很大的局限性，只針對特殊的開口或者單一的受載情況才有工程解。例如，姚遼軍等針對拉伸載荷發展了復合材料三維CDM模型，將該模型應用于復合材料開口層合板的損傷破壞分析中，能夠有效的模擬開口層合板從初始損傷到完全破壞的過程，但該方法適用的載荷形式單一，工程應用受到限制。

復合材料設計技術在商用飛機應用成熟度相對較低，目前并未形成標準的復合材料開口許用值設計方法，大多借鑒波音空客的經驗數據或金屬開口的分析方法，這樣不能真實反映飛機服役過程中的應力、應變分布情況，而且可能帶來過于保守的設計。依據以往波音和空客的設計分析經驗，沖擊損傷是影響開口復合材料結構設計分析的關鍵因素，復合材料沖擊損傷的特點是在沖擊表面無任何征兆的情況下，內部可能會出現大范圍的內部分層，而且其壓縮承載能力會急劇下降，從而危及飛機結構的安全。

基于以上背景，本發明在國外開口分析方法研究的基礎上，引入BVID強度降理論，提出一種工程實用的復合材料大開口結構設計方法，適用于半徑大于1in(25.4mm)的圓形開口以及曲率半徑大于1in(25.4mm)的圓弧區域。方法中在開口周邊引入BVID，確定復合材料大開口邊緣BVID沖擊損傷下的極限應變，并以此作為結構設計許用值。本方法的提出可優化結構設計，充分發揮復合材料大開口結構的承載能力，實現輕量化的設計目的。

發明內容

本發明的目的是為民用飛機復合材料開口結構提供頂層設計準則以及分析方法，彌補在復合材料開口結構設計方面的經驗不足。民用飛機整個使用壽命期間，復合材料結構可能遭遇的最危險的損傷是外來物意外沖擊所產生的損傷。當復合材料結構發生沖擊損傷，直到損傷被發現前，其結構應能承受合理的載荷而不發生破壞或過度的結構變形。由于復合材料結構的特點，強度設計時必須考慮對結構性能的影響，特別是BVID引起的強度降低值。依據AC20-107B文件要求，民用飛機復合材料結構包含BVID應承受極限載荷的作用。為了滿足適航要求，本發明首先認為復合材料結構成型后包含初始損傷，開口結構設計許用值必須考慮BVID影響；其次，給出以包含初始BVID為限制的復合材料開口設計許用值計算方法；最后，給出復合材料開口B基準值、開口半徑、孔邊切線方向單向帶所占比例、環境修正系數的計算方法。