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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 飞机复合材料损伤机理及适航评定技术研究 姓名：彭明玉 申请学位级别：硕士 专业：载运工具运用工程 指导教师：李艳军 20080101 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 随着航空技术和材料科学技术的发展，各类新型、先进的复合材料在民用飞 机中得到越来越广泛的应用。由于复合材料各向异性等特点，其损伤机理、失效 形式以及修理技术等都与金属材料结构具有显著的不同。因此相关的无损检测、 维修以及适航评定等方面的技术面临新的发展与挑战。如何研究、开发一整套的 有关飞机复合材料安全性、可靠性和经济性的控制体系成为紧迫而现实的课题。 其中，复合材料的损伤机理和无损检测技
2、术研究显得尤为重要。 复合材料层合板一般存在四种失效模式： 基体开裂， 分层， 纤维断裂和脱粘。 本文在对复合材料加工特性研究的基础上， 对复合材料断裂韧性损伤机理和疲劳 损伤机理进行理论研究， 了解民航飞机复合材料结构常见的缺陷类型及产生的原 因。对常用的各种无损检测方法，熟悉其工作原理并确定各种检测方法的使用范 围。而根据飞机结构上应用的复合材料的种类、形状及不同缺陷类型，研究针对 各种材料的最佳检测方法。 在此基础上，对复合材料的缺陷进行损伤评估，制订损伤评估的流程，以及 确定相应的修理方法，制订损伤修理的流程。构建了复合材料损伤评估和损伤修 理数据库。而损伤评估和损伤修理就构成了整个飞
3、机复合材料适航评定流程。本 文就是在这些基础上，构建了飞机复合材料适航评定系统。 关键词关键词：复合材料，无损检测，损伤评估，适航评定，民用飞机 飞机复合材料损伤机理及适航评定技术研究 II Abstract With the development of aviation technology and material science, various of new-style, advanced materials are intensively used in civil aircraft industry. Damage mechanism, failure style and rep
4、air technique of composite material are distinct from that of conventional metal material due to its character such as anisotropy. Related technologies such as detection, maintenance and airworthiness certification will thus definitely confront with both development and challenge. How to build a saf
5、e, dependable and economical control system has become an urgent problem nowadays. Among these mentioned above, NDI of composite materials is of especial importance. There are four failure modes for laminated composite which are matrix crushing, delamination, fiber tensile failure and debond. After
6、the study of the processing characteristics of composite materials, fatigue and fracture mechanism of composites are theoretically researched, the typical defect of composite and the cause of these defects in civil aircraft are all investigated in this paper. The principle together with the applicat
7、ion range of well-known nondestructive testing methods is also studied. The most appropriate test method can hence be determined according to the different category and shape, as well as the failure type of the composite. The defects of the composite are firstly evaluated, the flow of the evaluation
8、 on the defects is then established. The repairing methods for the defect and the flow of the repairing can be ascertained subsequently. The database of failure evaluation and repairing are designed which in fact constitute the flow of the airworthiness evaluation. Based on the work done above, airw
9、orthiness evaluation system of civil aircraft is finally constructed in this paper. Key Words: Composite, Aircraft Structure, Nondestructive Test methods, Damage Assess, Airworthiness Evaluation, Civil Aircraft 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图表清单 图 1.1 波音 777 上的复合材料结构1 图 1.2 大型民用飞机复合材料应用情况2 图 1.3 常见的一些损伤图例4 图 2.1
10、 结构复合材料按不同增强体形式分类.11 图 2.2 结构复合材料按不同基体分类.12 图 2.3 树脂基体的分类.15 图 2.4 层压板的坐标图.18 图 2.5 n 层层压板的几何关系 .19 图 2.6 单向复合材料正轴韧性机理.21 图 2.7 单向复合材料由局部应力引起的沿纤维方向劈裂.22 图 2.8 CFRP 层合板切口前缘损伤区 22 图 2.9 复合材料与金属疲劳损伤增长比较.23 图 2.10 单向复合材料正轴拉伸疲劳基本损伤24 图 2.11 单向复合材料正轴拉伸疲劳纤维损伤24 图 2.12 单向复合材料正轴拉拉疲劳纤维断裂情况24 图 2.13 单向复合材料偏轴拉伸
11、疲劳损伤机理25 图 3.1 纵波及其传播.27 图 3.2 纵波一次反射脉冲法.27 图 3.3 横波及其传播.28 图 3.4 横波探伤示意图.28 图 3.5 射线照相原理示意图.30 图 3.6 涡流检测原理.31 图 3.7 涡流检测方法之一独立检测法.33 图 3.8 涡流检测方法之二对比检验法.33 图 3.9 含缺陷工件的磁力线.34 图 3.10 磁化方法35 图 3.11 渗透检测的基本程序36 图 3.12 亲油性乳化剂的作用机理38 图 3.13 红外无损检测示意图41 图 4.1 几种重要的损伤形式.48 图 4.2 无损检测的最小检查区域.48 图 4.3 损伤区域
12、接近程度的考虑.50 图 4.4 修理界线示意图.53 图 4.5 修理分析步骤.54 图 4.6 适航评定流程图.56 图 5.1 软件系统结构图.58 图 5.2 程序流程图.59 图 5.3 系统数据库结构图.60 图 5.4 软件主界面.61 图 5.5 用户管理功能模块流程图.62 飞机复合材料损伤机理及适航评定技术研究 VI 图 5.6 用户登陆界面图.62 图 5.7 用户管理界面图.63 图 5.8 数据查询与维护系统流程图.64 图 5.9 数据库查询与维护界面图.64 图 5.10 信息录入模块界面图65 图 5.11 损伤评估模块流程图65 图 5.12 损伤评估模块界面
13、图66 图 5.13 损伤修理模块流程图67 图 5.14 损伤修理模块界面图67 表 2.1 常用的飞机复合材料零件类型和与之相适应的成形工艺方法.16 表 2.2 影响疲劳和损伤容限的因素比较.21 表 3.1 声发射检测的优缺点.44 表 3.2 无损检测方法的适用范围.45 表 4.1 复合材料典型制造缺陷和损伤.46 表 4.2 各种检测方法可检的缺陷及损伤.49 表 4.3 不同的修理方法适用范围.52 表 4.4 复合材料制件修理后的外观质量要求.55 表 4.5 复合材料制件修理后的性能检测.55 南京航空航天大学硕士学位论文 VII 注释表 CF：碳纤维 ACM：复合材料 R
14、TM：树脂转移模塑或树脂传递模塑成形工艺 RFI：树脂膜熔浸或树脂膜渗透成形工艺 CFRF：碳纤维复合材料 FAA：美国联邦航局 SSI：重要结构项目； ED：环境损伤； FD：疲劳损伤； NDI：无损探伤； SRM：标准维修手册 AC：咨询通告 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允 许论文被查阅和借阅,可以
15、将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 飞机复合材料的发展和应用 复合材料是由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工组合而 得到的多相固体材料 1。它不仅保留了组成它的各个组元的优点，更重要的是 复合材枓比构成它的单一材料具有更优越的性能。而飞机的设计和制造一直是 与性能优异的材料联系在一起的。1960 年代中期以碳纤维（CF）为增强剂的先 进复合材料（ACM）问世，1970 年代初即开始应用于飞机结构上。利用 ACM 比 强度高、比刚度高的独特优点，用
16、于飞机结构上质量可相应减少 20%30%，此 外复合材料还具有可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀、便于大面积整体成型等 优点，因此在航空航天领域的应用日益广泛，继铝、钢、钛之后已迅速成为四 大航空材料之一。 目前，在大型民机上，波音 777 的垂尾、平尾、后气密框、客舱地板梁、 襟翼、副翼、发动机整流罩、各种舱门、机身和机翼蒙皮等均使用了复合材料， 总重量达 9.9 吨，占结构总质量的 11% 2(如图 1.1)。 图 1.1 波音 777 上的复合材料结构 新研制的波音 787 其机翼、机身等主承力机构均由复合材料制成，先进复 合材料用量将达到全机结构总重的 50%以上，将是世界上第一架采用复合材料 飞机复合材料损伤机理及适航评定技术研究 2 机身、机翼的大型商用飞机；空客 A320、A322、A330 等机型也大量采用了复合 材料， 用量达结构总 质量的 15%左右， A340 复合材料用量 占 结 构 总 质 量 的 13%，A380 更进一步 达到 20%；俄罗斯的 安124 大型运输机 共用复合材料 5500 公斤，飞机的垂尾、
