大連理工大學為國產大飛機復合材料壁板把關
2015-11-06 來源：中國聚合物網
我國自主研制的首架國產大型客機C919近日正式下線，這是我國航空科技史上的一次集成創新，凝聚著廣大工程技術人員和科技工作者的汗水和智慧，這其中也有大連理工大學運載工程與力學學部白瑞祥團隊的一份貢獻，他們承擔了C919垂尾結構盒段試驗，C919飛機中央翼復合材料下壁板參數選型試驗，C919飛機垂直安定面壁板選型試驗，C919飛機尾翼混雜結構前緣承載能力試驗；他們發揮大連理工大學國家重點實驗室計算力學學科優勢，歷經8年奮斗，取得了重要的科技研發成果。
為C919建設復合材料破壞機理與結構數據庫
國產客機的研制，關鍵之一是提高先進材料應用水平。國外飛機行業發展趨勢是大幅度提高復合材料的應用率以實現減重和提高飛機性能，由于我國缺乏大尺度復合材料結構破壞機理和破壞模式的理論和試驗分析數據，給復合材料大飛機結構的設計和制備帶來困難。自主研發大型復合材料結構，是一項艱巨而長期的龐大工程，白瑞祥團隊針對大型復合材料構件試驗需求，進行了大噸位大尺寸加載系統、承力系統和電測系統的建設，開展了材料級、結構級、部件級三級的大飛機復合材料結構破壞機理研究，并開發數值分析模型和軟件，指導、校正實際試驗，建立了飛機典型復合材料結構的破壞行為數據庫。
這項科技研發早在2008年就開始，當時白瑞祥團隊受邀承擔了上海飛機設計研究院ARJ支線客機復合材料研發的兩個課題項目：復合材料典型部件的虛擬試驗系統研究，復合材料整體化壁板識別和檢測方案，成功實施了分層次的復合材料結構力學試驗，得到的實驗數據和總結的關鍵實驗技術，對ARJ支線客機和C919客機的研發具有重要參考價值；同時，編制了針對大飛機試驗的試驗流程管理和質量體系管理規范。
鑒于白瑞祥的科研成果，2010年C919正式研發啟動時，白瑞祥受邀在啟動會上對C919研發力學試驗提出建設性意見；2011年10月，在C919飛機項目結構強度實驗過程管理研討會上，確認大連理工大學成為中國商用飛機有限責任公司固定合作單位。
一個壁板要貼300-400個應變片
在解決C919尾翼、中央翼復合材料壁板承載強度和安全性能等關鍵問題方面，雖然白瑞祥團隊基于前期復合材料結構數據庫的校正，給出了幾種標準模塊化程序，但從制作工藝和加工質量角度來說，數值模擬還不能代替實際試驗，因為，實際材料制備中存在各種工藝缺陷，干擾試驗預期結果，為此，必須重視試驗研究，因為試驗數據對于結構強度失效、剛度失效以及材料損傷演化、界面開裂等行為的研究非常有價值。
為保證從復合材料壁板各環節處獲得詳實、完備有效的實驗數據，及時處理不可測原因導致的意外情況，白瑞祥團隊采取在飛機壁板上對危險考驗部位貼大量應變片的采集數據方法。為不忽略每一可靠數據的采集，一個大型壁板就需要采集300-400個通道數據，針對C919飛機，一共測試了60多塊壁板。將應變片焊接在壁板上需要打磨、清潔，焊端子，引出引線連接到測試儀器上，應變片如手指蓋兒大小，非常脆弱，不小心就會被損壞；白瑞祥帶領團隊教師和本科生、碩士生奔赴大飛機各加工基地，在生產線上貼片，在加工車間揮汗如雨。為防止運輸前后應變片遭到破壞，每個應變片還要作保護措施，防止搬運和長途運輸過程中出現損壞，而且運輸前后都要進行測試，保證每個應變片正常。
每一試驗并不是一蹴而，開始需要用替代品，要經過多次試驗、論證、評審，在確保萬無一失的情況下再做真正試驗，“只能成功”，白瑞祥說，無論從時間還是從成本上講，都不允許失敗；為此，他們在試前檢查、儀器設備的精度、加載裝置、夾具精度、操作規程上都必須作到嚴格、精準，不允許有絲毫差池。
創造性設計杠桿系統
在C919飛機尾翼結構前緣承載能力試驗中，白瑞祥團隊創造性地設計了加載拉壓墊和分力杠桿系統，使實驗加載具有了更高的精度。他們采用設計變形協調裝置，選取飛機垂尾和平尾的局部結構進行實驗，通過縝密計算，為實驗件施加與整體結構變形相一致的邊界條件和初始條件，保證實驗數據與垂尾和平尾的整體結構數據具有等同性，通過考慮飛機可能經歷的高溫飛行環境，在國內首次實現了變形協調、氣動載荷、可控環境溫度的多場耦合下大飛機承載能力試驗。
他們針對C919飛機尾翼前緣受力特征和幾何形式，設計了分力加載杠桿，將每個杠桿黏貼在一個拉壓墊上，拉壓墊的另一側再與前緣處黏結，對每個杠桿和夾具以進行數值分析和校核，根據飛行的不同姿態和相關飛行參數，找出多種氣動載荷危險工況，等效計算出試驗加載數據，驗證了C919飛機垂尾和平尾前緣結構的承載能力，評估了結構安全性問題。
試驗在70°高溫下進行，要求復合材料結構在加溫和溫度控制中保持恒定，這無論對分布加載系統的可靠性，還是熱力耦合作用下粘結界面是否脫膠、溫控系統的穩定性和電測系統及數據的完整有效性等，都是一個考驗。對此，白瑞祥風趣地說：“我們進行材料的溫控載荷試驗，要懂物理學；設計制作杠桿，又懂機械學；加載拉壓墊，保證高溫下拉壓墊的黏結強度，研究黏結劑的配方及對試驗件的氧化方法，我們又得懂化學。”
實施全場光試驗監測手段
在C919垂尾結構盒段和中央翼盒的復合材料加筋壁板的破壞模式與承載能力試驗中，白瑞祥團隊通過建立有限元數值仿真數據為實驗方案設計提供了有力指導；通過試驗為尾翼垂直安定面壁板確定選型，之后，開展了垂尾盒段結構承載能力實驗，并對垂尾盒段與機身的連接方案進行選型論證。
在復合材料承載能力試驗中，復合材料加筋壁板會出現屈曲模態的變化，即出現鼓包現象，從觀察蒙皮鼓包行為中，可分析蒙皮和加筋剛度是否匹配，蒙皮和加筋黏結界面是否牢固，是否有不合理的屈曲模式引發結構的早期失效，確定發生的確切時刻和發生前后結構的變形行為。
為實時捕捉復合材料壁板結構的屈曲模態，防止誘發不期望破壞模式，在試驗中，除了借助有限元數值模擬技術，白瑞祥將光學形貌測量技術引入到復合材料壁板檢測評估的研究中，試驗嘗試全場采用光學測量手段，創建出電測與光測相結合的動畫模式，監測復合材料失效發展過程和捕捉復合材料的失效環節。
光測試驗采集數據量龐大，而且，后續數據處理非常辛苦，若電腦一秒鐘記錄下10個圖像，加載一個小時，就有36000個圖像，需要科研人員對大量圖像數據進行提取、計算和除燥等，以保證還原實驗件真實效果。白瑞祥回憶說，團隊中主持光測技術的雷振坤老師因廢寢忘食的工作，導致腸胃病發作，不得不住院。白瑞祥團隊就是憑借如此精細、大量艱辛的工作，圓滿完成了所承擔的C919科研工作。
為C919建設復合材料破壞機理與結構數據庫
國產客機的研制，關鍵之一是提高先進材料應用水平。國外飛機行業發展趨勢是大幅度提高復合材料的應用率以實現減重和提高飛機性能，由于我國缺乏大尺度復合材料結構破壞機理和破壞模式的理論和試驗分析數據，給復合材料大飛機結構的設計和制備帶來困難。自主研發大型復合材料結構，是一項艱巨而長期的龐大工程，白瑞祥團隊針對大型復合材料構件試驗需求，進行了大噸位大尺寸加載系統、承力系統和電測系統的建設，開展了材料級、結構級、部件級三級的大飛機復合材料結構破壞機理研究，并開發數值分析模型和軟件，指導、校正實際試驗，建立了飛機典型復合材料結構的破壞行為數據庫。
這項科技研發早在2008年就開始，當時白瑞祥團隊受邀承擔了上海飛機設計研究院ARJ支線客機復合材料研發的兩個課題項目：復合材料典型部件的虛擬試驗系統研究，復合材料整體化壁板識別和檢測方案，成功實施了分層次的復合材料結構力學試驗，得到的實驗數據和總結的關鍵實驗技術，對ARJ支線客機和C919客機的研發具有重要參考價值；同時，編制了針對大飛機試驗的試驗流程管理和質量體系管理規范。
鑒于白瑞祥的科研成果，2010年C919正式研發啟動時，白瑞祥受邀在啟動會上對C919研發力學試驗提出建設性意見；2011年10月，在C919飛機項目結構強度實驗過程管理研討會上，確認大連理工大學成為中國商用飛機有限責任公司固定合作單位。
一個壁板要貼300-400個應變片
在解決C919尾翼、中央翼復合材料壁板承載強度和安全性能等關鍵問題方面，雖然白瑞祥團隊基于前期復合材料結構數據庫的校正，給出了幾種標準模塊化程序，但從制作工藝和加工質量角度來說，數值模擬還不能代替實際試驗，因為，實際材料制備中存在各種工藝缺陷，干擾試驗預期結果，為此，必須重視試驗研究，因為試驗數據對于結構強度失效、剛度失效以及材料損傷演化、界面開裂等行為的研究非常有價值。
為保證從復合材料壁板各環節處獲得詳實、完備有效的實驗數據，及時處理不可測原因導致的意外情況，白瑞祥團隊采取在飛機壁板上對危險考驗部位貼大量應變片的采集數據方法。為不忽略每一可靠數據的采集，一個大型壁板就需要采集300-400個通道數據，針對C919飛機，一共測試了60多塊壁板。將應變片焊接在壁板上需要打磨、清潔，焊端子，引出引線連接到測試儀器上，應變片如手指蓋兒大小，非常脆弱，不小心就會被損壞；白瑞祥帶領團隊教師和本科生、碩士生奔赴大飛機各加工基地，在生產線上貼片，在加工車間揮汗如雨。為防止運輸前后應變片遭到破壞，每個應變片還要作保護措施，防止搬運和長途運輸過程中出現損壞，而且運輸前后都要進行測試，保證每個應變片正常。
每一試驗并不是一蹴而，開始需要用替代品，要經過多次試驗、論證、評審，在確保萬無一失的情況下再做真正試驗，“只能成功”，白瑞祥說，無論從時間還是從成本上講，都不允許失敗；為此，他們在試前檢查、儀器設備的精度、加載裝置、夾具精度、操作規程上都必須作到嚴格、精準，不允許有絲毫差池。
創造性設計杠桿系統
在C919飛機尾翼結構前緣承載能力試驗中，白瑞祥團隊創造性地設計了加載拉壓墊和分力杠桿系統，使實驗加載具有了更高的精度。他們采用設計變形協調裝置，選取飛機垂尾和平尾的局部結構進行實驗，通過縝密計算，為實驗件施加與整體結構變形相一致的邊界條件和初始條件，保證實驗數據與垂尾和平尾的整體結構數據具有等同性，通過考慮飛機可能經歷的高溫飛行環境，在國內首次實現了變形協調、氣動載荷、可控環境溫度的多場耦合下大飛機承載能力試驗。
他們針對C919飛機尾翼前緣受力特征和幾何形式，設計了分力加載杠桿，將每個杠桿黏貼在一個拉壓墊上，拉壓墊的另一側再與前緣處黏結，對每個杠桿和夾具以進行數值分析和校核，根據飛行的不同姿態和相關飛行參數，找出多種氣動載荷危險工況，等效計算出試驗加載數據，驗證了C919飛機垂尾和平尾前緣結構的承載能力，評估了結構安全性問題。
試驗在70°高溫下進行，要求復合材料結構在加溫和溫度控制中保持恒定，這無論對分布加載系統的可靠性，還是熱力耦合作用下粘結界面是否脫膠、溫控系統的穩定性和電測系統及數據的完整有效性等，都是一個考驗。對此，白瑞祥風趣地說：“我們進行材料的溫控載荷試驗，要懂物理學；設計制作杠桿，又懂機械學；加載拉壓墊，保證高溫下拉壓墊的黏結強度，研究黏結劑的配方及對試驗件的氧化方法，我們又得懂化學。”
實施全場光試驗監測手段
在C919垂尾結構盒段和中央翼盒的復合材料加筋壁板的破壞模式與承載能力試驗中，白瑞祥團隊通過建立有限元數值仿真數據為實驗方案設計提供了有力指導；通過試驗為尾翼垂直安定面壁板確定選型，之后，開展了垂尾盒段結構承載能力實驗，并對垂尾盒段與機身的連接方案進行選型論證。
在復合材料承載能力試驗中，復合材料加筋壁板會出現屈曲模態的變化，即出現鼓包現象，從觀察蒙皮鼓包行為中，可分析蒙皮和加筋剛度是否匹配，蒙皮和加筋黏結界面是否牢固，是否有不合理的屈曲模式引發結構的早期失效，確定發生的確切時刻和發生前后結構的變形行為。
為實時捕捉復合材料壁板結構的屈曲模態，防止誘發不期望破壞模式，在試驗中，除了借助有限元數值模擬技術，白瑞祥將光學形貌測量技術引入到復合材料壁板檢測評估的研究中，試驗嘗試全場采用光學測量手段，創建出電測與光測相結合的動畫模式，監測復合材料失效發展過程和捕捉復合材料的失效環節。
光測試驗采集數據量龐大，而且，后續數據處理非常辛苦，若電腦一秒鐘記錄下10個圖像，加載一個小時，就有36000個圖像，需要科研人員對大量圖像數據進行提取、計算和除燥等，以保證還原實驗件真實效果。白瑞祥回憶說，團隊中主持光測技術的雷振坤老師因廢寢忘食的工作，導致腸胃病發作，不得不住院。白瑞祥團隊就是憑借如此精細、大量艱辛的工作，圓滿完成了所承擔的C919科研工作。
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（責任編輯：xu）
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