2013复合材料力学基础6

耐久性与损伤容限概念
损伤阻抗
在复合材料及其结构中，同某一事件或一系列事件 相关的力、能量或其他参数与其所产生损伤尺寸及类型 之间关系的度量，如一定能量的冲击所产生的损伤面积 或凹坑深度。
与金属结构耐久性主要考虑疲劳和腐蚀不同，复合 材料结构具有优良的抗疲劳和抗腐蚀特性，疲劳和腐蚀 不是复合材料结构耐久性的主要问题。而复合材料的层 间性能比较低，抗冲击性能较差，特别是薄蒙皮和薄面 板夹层结构在常见的低能量冲击下，容易产生表面目视 可见的损伤，会给使用带来大量维护和修理问题，降低 飞机出勤率和增加维护费用。对薄面板蜂窝夹层结构， 表面目视可见的冲击损伤会使水分渗入内部的蜂窝，引 起面板与蜂窝的大范围撕开，不仅有维护问题，还会威 胁结构的安全。因此对复合材料结构耐久性应着重考虑 其对经常会遇到的低能量冲击的阻抗，这就是复合材料 结构对低能量冲击的损伤阻抗要求。
Test Method and Design Allowables for Fibrous Composites. Vo1. 2 ASTM STP 1003 1989
(b)
许用值和设计许用值的定义
许用值(Allowables)——表征材料性能 在一定的载荷与环境条件下，主要由试样试 验数据，经统计分析后确定的具有一定臵信度和可 靠度的性能表征值。 设计许用值(Design Allowables)——结构设计用 为保证整个结构的完整性，根据具体工程项 目要求，在材料许用值和代表结构典型特征的试样、 元件（包括典型结构件）试验结果，及设计与使用 经验基础上确定的设计限制值。
(b)
文献中许用值和设计许用值的定义
• Composite Design (Tsai S W, 1988) : 许用值(Allowables) ：具有95%臵信度，用于设计的性能 值： A 许用值是对于 99% 母体的最小值， B 许用值是对于 90%母体的最小值。
(Байду номын сангаас)
文献中许用值和设计许用值的定义
Increased carbon epoxy usage in center and aft fuselage Improved toughness resin (977-3) used in all CE applications
Signature reduction coating
High strength/durability (AERMET 100) used in landing gear and spindle
CC22643061.ppt
A380 Composite Applications
787 Composite Applications
设计许用值定义与确定的一般原则
许用值是判断结构强度的重要指标。许用值是设 计依据，主要根据试验所获得数据，经统计分析 确定，试验量大、耗资多、周期长。因此，许用 值定义与确定原则和方法，备受关注。 在结构设计中，材料性能的许用值通常以“A基 准值”、“B基准值”和典型值形式给出。 层合结构设计中，涉及单层、层合板、层合结构 三个层次的性能，与其相应有材料工程常数、材 料性能许用值和结构设计许用值。
•美国材料试验学会 (ASTM) 曾于 1979 年和 1986 年举行过两 次有关复合材料设计许用值的讨论会，讨论的内容也都是 关于各种环境和载荷条件下材料性能的测试方法，以及试 验数据的处理方法。 Test Method and Design Allowables for Fibrous Composites. ASTM STP 734 1981
耐久性要求
区 域 低能量冲击损伤阻抗设计要求（工具坠落） 损 伤 源 损 伤 水 平 要 求 2 倍 设 计 寿命 期 内 无 功能 性 障 碍 或 不超过 8 J 的冲击 不需要结构修理，且不渗水； 12.7 mm 直 径 冲 能量或冲击能量不 不会由于一次 5.5 J 的冲击，产生 击头 低于 5.5 J 时产生 目视可见损伤； 低速 的 目 视 可 见 损 伤 无明显损伤扩展 除分层在重复载 （ 垂直于 表面 （2.5 mm 深凹坑） 荷下特有的“变圆”外，所有其他 的扩展均视为明显扩展） 2 倍设计寿命期后无功能性障碍； 不超过 8 J 的冲击 若损伤目视可见， 场修理后不渗 外 能 量 或 目 视 可 见 损 水； 与 1 区 相同 伤 （ 2.5 mm 深 凹 无明显损伤扩展 除分层在重复载 （ 坑） 荷下特有的“变圆”外，所有其他 的扩展均视为明显扩展）
第六章 设计选材与设计许用值 确定
设计选材
设计选材原则






与金属材料一样，设计选材应以满足结构完整性要求， 低成本（经济性好）为基点 所选材料应满足结构使用环境要求，具有良好的耐环 境性（韧性好、耐湿热） 所选材料应满足结构特殊性能要求 所选材料应具有良好的工艺性即预浸料粘性适中、铺 敷性好、加压带宽、固化温度低和室温使用寿命与贮 存期长，以及机械加工件、可修理性良好等 具有与不同材料很好的匹配性 环境保护要求的投资费用少 优先选用已有使用经验的“老”材料，材料品种不宜 多，供货渠道可靠、稳定，尽可能立足国内
(b)
设计许用应变
金属材料设计许用值以应力表示，称“许用应 力”。其定义为：“在各种工作条件下，为保 证构件正常使用允许的最大应力”。因为，金 属材料是各向同性材料，而是在屈服应力以下 应力与应变关系呈线性关系，许用应力和许用 应变是一致的。
设计许用应变
由复合材料力学可知纤维增强复合材料与金属材料完 全不同，单层力学性能是各向异性的。纵向强度和模 量比横向强度和模量高出近两个数量级，但纵向和横 向的破坏应变却在同一个数量级上，而且两者相差较 小。再有，由层合板理论可知层合板应变沿厚度方向 分布是线性的，但各单层的偏轴刚度不同，使其厚度 方向应力分布不规则，见图6-4。厚度相同，铺层方 向不同的层合板破坏应力可以相差很大，而破坏应变 相差并不大，因此，层合结构的设计许用值选择应变， 而不是应力表示，称设计许用应变。
许用值(Allowables) ：一个由试验数据经统计得出的材料 最大性能值，又称材料许用值 。 设计值(Design Value)：一个材料性能值，其已考虑到具体 项目的具体要求，在材料许用值基础上加以适当减缩，并 经批准可用于结构的设计和分析中，又称设计许用值。
(b)
文献中许用值和设计许用值的定义
设计选材
设计选材主要考虑的性能



根据结构最高工作温度及其采用的工艺方法 选择树脂基体体系 重点考虑反映缺陷/损伤和环境因素影响的 性能 重点考虑与固化成形工艺有关参数
F/A-18E/F Super Hornet
Materials Usage
Percent of Structural Weight F/A-18C/D F/A-18E/F Aluminum 49 31 Steel 15 14 Titanium 13 21 Carbon Epoxy 10 19 Other 13 15 100 100 Improved stiffness/strength carbon fibers (IM7) used In wing and tail skins
1区 易受冲击区
2区 不易遭受冲击区
耐久性要求
低能量冲击损伤阻抗设计要求（冰雹） 区 域 损 伤 源 损 伤 水 平 要 求 2 倍设计寿命期内无功能性障 碍，或不需要结构修理； 冰 雹： 无目视可见损伤； 直径 20.3 mm 无水分侵入，如滴水，否则会 所有的垂直表 均匀分布 3 密度 0.9 g／cm 产生要求进行维护的不可接 面和向上的水 冲击点中心间距 速度 27.4 m／s 受的结构退化； 平表面 20 mm 垂直于水平表面 无明显损伤扩展 （除分层在重 与垂直表面成 45° 复载荷下特有的“变圆”外， 所 有其他的扩展均视为明显扩 展）
做出的有效试验结果中得出的算术平均值。
文献中许用值和设计许用值的定义
Materials Handbook Vol.1 Composites (1988):
• Engineered 设计许用值(Design Allowables) ：在统计基础上，由 试验计划确定的材料性能许用强度，通常指应力或应变。 包括A基准值、B基准值、S基准值和典型值。
许用值与设计许用值的定义与内涵
A基准值(A-Basis Value) ── 力学性能的一个
限定值，在95%的臵信度下，99%的性能数值 群的最小值。
B基准值(B-Basis Value) ── 力学性能的一个
限定值，在95%的臵信度下，90%的性能数值 群的最小值。
典型值(Typical Values) ── 从至少5个试样
设计许用应变确定一般原则
组合受力状态下设计许用应变可采用单一受力状态设 计许用应变几何叠加确定。 外击损伤不严重的部位或对冲击损伤不敏感的部位。 应根据具体情况确定该部位的设计许用值。 飞机结构详细设计主要针对结构关键件或关键部位， 以及高应变区危险部位进行的。为确保结构的完整性， 要求确定的设计许用应变应包含更多的结构参数并体 现出结构具体部位的设计要求。必要时还应进行结构 件验证试验或修订给出具体结构部件的设计许用应变， 如机翼根部区设计许用应变等。
设计许用应变确定一般原则
拉伸设计许用应变主要考虑层合板开孔（6.35 mm孔 径）试样、干冷条件下拉伸性能表征值，有时还考虑 连接挤压特性； 压缩设计许用应变主要考虑层合板目视勉强可检冲击 损伤试样、湿/热条件下压缩性能表征值；对薄层合板 或蜂窝夹层结构面板应考虑屈曲的影响；对不易受到 冲击部位，取层合板含6.35 mm孔径，充填不受载孔 试样的压缩性能表征值； 纵横剪切设计许用应变主要考虑层合板试样湿/热条件 下纵横剪切性能表征值。
耐久性要求
区 域 位于常规起飞 和着陆掀起的 碎石路径上的 下表面 低能量冲击损伤阻抗设计要求（跑道碎石） 损 伤 源 损 伤 水 平 要 求 2 倍设计寿命期后无功能性障 碍；如果损伤目视可见，外场 跑道碎石： 修理后不渗水； 直径 12.7 mm 冲击点中心间距 无明显损伤扩展 除分层在重 （ 密度 3 g／cm3 300 mm 复载荷下特有的“变圆”外， 所 与飞机速度相当 有其他的扩展均视为明显扩 展） 2 倍设计寿命期后无功能性障 碍；如果损伤目视可见，外场 跑道碎石： 修理后不渗水； 直径待定 冲击点中心间距 无明显损伤扩展 除分层在重 （ 密度待定 300 mm 复载荷下特有的“变圆”外， 所 速度待定 有其他的扩展均视为明显扩 展）
•复合材料设计手册 (航空航天部科学技术研究院， 陈绍杰主编，1990) :
许用值(Allowables) ：具有95%臵信度，用于设计的性能 值： A 许用值是对于 99% 母体的最小值， B 许用值是对于 90%母体的最小值
(b)
文献中许用值和设计许用值的定义
•AC20-107A 复合材料飞机结构 （1984）
设计许用应变确定方法
拉伸设计许用应变确定 压缩设计许用应变确定 纵横剪切设计许用应变确定 设计许用应变的验证
耐久性与损伤容限概念
耐久性
结构的耐久性是指机体结构在它预期的使用寿命期 间，抵抗疲劳开裂、腐蚀、热退化、剥离、分层、磨损 和外来物冲击损伤，保持所要求的强度和刚度的能力。 机体结构在受到预期的使用载荷和环境谱时，必须具有 适当的耐久性，以在整个寿命期间不会因频繁的维护、 修理和更换零件而引起高昂的成本代价。耐久性主要是 经济性考虑。
许用值与设计许用值的定义与内涵
材料工程常数是指单层性能，即复合材料基本 力学性能，由单向板或织物双向板试样试验确 定。 许用值是材料性能许用值的简称。其定义是在 一定的载荷与环境条件下，由层合板试样、元 件或细节件等试验数据，经统计分析后确定的， 具有一定臵信度和可靠度的性能表征值。 设计许用值是结构设计许用值的简称，其定义 为“保证整个结构的完整性具有高臵信度。在 许用值的基础上，由设计师规定的设计限制 值”。
许用值(Allowables) ：在概率基础上，由层压板或单层水 平上的试验数据确定的材料值，例如A或B基准值。 设计值(Design Value)：为保证整个结构的完整性具有高臵 信度，由试验数据确定并被选用的材料、结构元件细节特 性。
(b)
文献中许用值和设计许用值的定义
•聚合物基复合材料手册 （陈绍杰，2004）