為C919建設(shè)復(fù)合材料破壞機(jī)理與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)

國(guó)產(chǎn)客機(jī)的研制，關(guān)鍵之一是提高先進(jìn)材料應(yīng)用水平。國(guó)外飛機(jī)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)是大幅度提高復(fù)合材料的應(yīng)用率以實(shí)現(xiàn)減重和提高飛機(jī)性能，由于我國(guó)缺乏大尺度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理和破壞模式的理論和試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，給復(fù)合材料大飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備帶來困難。自主研發(fā)大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，是一項(xiàng)艱巨而長(zhǎng)期的龐大工程，白瑞祥團(tuán)隊(duì)針對(duì)大型復(fù)合材料構(gòu)件試驗(yàn)需求，進(jìn)行了大噸位大尺寸加載系統(tǒng)、承力系統(tǒng)和電測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，開展了材料級(jí)、結(jié)構(gòu)級(jí)、部件級(jí)三級(jí)的大飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理研究，并開發(fā)數(shù)值分析模型和軟件，指導(dǎo)、校正實(shí)際試驗(yàn)，建立了飛機(jī)典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的破壞行為數(shù)據(jù)庫(kù)。

這項(xiàng)科技研發(fā)早在2008年就開始，當(dāng)時(shí)白瑞祥團(tuán)隊(duì)受邀承擔(dān)了上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院ARJ支線客機(jī)復(fù)合材料研發(fā)的兩個(gè)課題項(xiàng)目：復(fù)合材料典型部件的虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)研究，復(fù)合材料整體化壁板識(shí)別和檢測(cè)方案，成功實(shí)施了分層次的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和總結(jié)的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)ARJ支線客機(jī)和C919客機(jī)的研發(fā)具有重要參考價(jià)值；同時(shí)，編制了針對(duì)大飛機(jī)試驗(yàn)的試驗(yàn)流程管理和質(zhì)量體系管理規(guī)范。

鑒于白瑞祥的科研成果，2010年C919正式研發(fā)啟動(dòng)時(shí)，白瑞祥受邀在啟動(dòng)會(huì)上對(duì)C919研發(fā)力學(xué)試驗(yàn)提出建設(shè)性意見；2011年10月，在C919飛機(jī)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)過程管理研討會(huì)上，確認(rèn)大連理工大學(xué)成為中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司固定合作單位。

一個(gè)壁板要貼300-400個(gè)應(yīng)變片

在解決C919尾翼、中央翼復(fù)合材料壁板承載強(qiáng)度和安全性能等關(guān)鍵問題方面，雖然白瑞祥團(tuán)隊(duì)基于前期復(fù)合材料結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的校正，給出了幾種標(biāo)準(zhǔn)模塊化程序，但從制作工藝和加工質(zhì)量角度來說，數(shù)值模擬還不能代替實(shí)際試驗(yàn)，因?yàn)?，?shí)際材料制備中存在各種工藝缺陷，干擾試驗(yàn)預(yù)期結(jié)果，為此，必須重視試驗(yàn)研究，因?yàn)樵囼?yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jià)值。

為保證從復(fù)合材料壁板各環(huán)節(jié)處獲得詳實(shí)、完備有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，及時(shí)處理不可測(cè)原因?qū)е碌囊馔馇闆r，白瑞祥團(tuán)隊(duì)采取在飛機(jī)壁板上對(duì)危險(xiǎn)考驗(yàn)部位貼大量應(yīng)變片的采集數(shù)據(jù)方法。為不忽略每一可靠數(shù)據(jù)的采集，一個(gè)大型壁板就需要采集300-400個(gè)通道數(shù)據(jù)，針對(duì)C919飛機(jī)，一共測(cè)試了60多塊壁板。將應(yīng)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(cè)試儀器上，應(yīng)變片如手指蓋兒大小，非常脆弱，不小心就會(huì)被損壞；白瑞祥帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)教師和本科生、碩士生奔赴大飛機(jī)各加工基地，在生產(chǎn)線上貼片，在加工車間揮汗如雨。為防止運(yùn)輸前后應(yīng)變片遭到破壞，每個(gè)應(yīng)變片還要作保護(hù)措施，防止搬運(yùn)和長(zhǎng)途運(yùn)輸過程中出現(xiàn)損壞，而且運(yùn)輸前后都要進(jìn)行測(cè)試，保證每個(gè)應(yīng)變片正常。

每一試驗(yàn)并不是一蹴而，開始需要用替代品，要經(jīng)過多次試驗(yàn)、論證、評(píng)審，在確保萬(wàn)無(wú)一失的情況下再做真正試驗(yàn)，“只能成功”，白瑞祥說，無(wú)論從時(shí)間還是從成本上講，都不允許失敗；為此，他們?cè)谠嚽皺z查、儀器設(shè)備的精度、加載裝置、夾具精度、操作規(guī)程上都必須作到嚴(yán)格、精準(zhǔn)，不允許有絲毫差池。

創(chuàng)造性設(shè)計(jì)杠桿系統(tǒng)

在C919飛機(jī)尾翼結(jié)構(gòu)前緣承載能力試驗(yàn)中，白瑞祥團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了加載拉壓墊和分力杠桿系統(tǒng)，使實(shí)驗(yàn)加載具有了更高的精度。他們采用設(shè)計(jì)變形協(xié)調(diào)裝置，選取飛機(jī)垂尾和平尾的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過縝密計(jì)算，為實(shí)驗(yàn)件施加與整體結(jié)構(gòu)變形相一致的邊界條件和初始條件，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與垂尾和平尾的整體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)具有等同性，通過考慮飛機(jī)可能經(jīng)歷的高溫飛行環(huán)境，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了變形協(xié)調(diào)、氣動(dòng)載荷、可控環(huán)境溫度的多場(chǎng)耦合下大飛機(jī)承載能力試驗(yàn)。

他們針對(duì)C919飛機(jī)尾翼前緣受力特征和幾何形式，設(shè)計(jì)了分力加載杠桿，將每個(gè)杠桿黏貼在一個(gè)拉壓墊上，拉壓墊的另一側(cè)再與前緣處黏結(jié)，對(duì)每個(gè)杠桿和夾具以進(jìn)行數(shù)值分析和校核，根據(jù)飛行的不同姿態(tài)和相關(guān)飛行參數(shù)，找出多種氣動(dòng)載荷危險(xiǎn)工況，等效計(jì)算出試驗(yàn)加載數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了C919飛機(jī)垂尾和平尾前緣結(jié)構(gòu)的承載能力，評(píng)估了結(jié)構(gòu)安全性問題。

試驗(yàn)在70°高溫下進(jìn)行，要求復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在加溫和溫度控制中保持恒定，這無(wú)論對(duì)分布加載系統(tǒng)的可靠性，還是熱力耦合作用下粘結(jié)界面是否脫膠、溫控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的完整有效性等，都是一個(gè)考驗(yàn)。對(duì)此，白瑞祥風(fēng)趣地說：“我們進(jìn)行材料的溫控載荷試驗(yàn)，要懂物理學(xué)；設(shè)計(jì)制作杠桿，又懂機(jī)械學(xué)；加載拉壓墊，保證高溫下拉壓墊的黏結(jié)強(qiáng)度，研究黏結(jié)劑的配方及對(duì)試驗(yàn)件的氧化方法，我們又得懂化學(xué)。”

實(shí)施全場(chǎng)光試驗(yàn)監(jiān)測(cè)手段

在C919垂尾結(jié)構(gòu)盒段和中央翼盒的復(fù)合材料加筋壁板的破壞模式與承載能力試驗(yàn)中，白瑞祥團(tuán)隊(duì)通過建立有限元數(shù)值仿真數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)提供了有力指導(dǎo)；通過試驗(yàn)為尾翼垂直安定面壁板確定選型，之后，開展了垂尾盒段結(jié)構(gòu)承載能力實(shí)驗(yàn)，并對(duì)垂尾盒段與機(jī)身的連接方案進(jìn)行選型論證。

在復(fù)合材料承載能力試驗(yàn)中，復(fù)合材料加筋壁板會(huì)出現(xiàn)屈曲模態(tài)的變化，即出現(xiàn)鼓包現(xiàn)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(jié)界面是否牢固，是否有不合理的屈曲模式引發(fā)結(jié)構(gòu)的早期失效，確定發(fā)生的確切時(shí)刻和發(fā)生前后結(jié)構(gòu)的變形行為。

為實(shí)時(shí)捕捉復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)，防止誘發(fā)不期望破壞模式，在試驗(yàn)中，除了借助有限元數(shù)值模擬技術(shù)，白瑞祥將光學(xué)形貌測(cè)量技術(shù)引入到復(fù)合材料壁板檢測(cè)評(píng)估的研究中，試驗(yàn)嘗試全場(chǎng)采用光學(xué)測(cè)量手段，創(chuàng)建出電測(cè)與光測(cè)相結(jié)合的動(dòng)畫模式，監(jiān)測(cè)復(fù)合材料失效發(fā)展過程和捕捉復(fù)合材料的失效環(huán)節(jié)。

光測(cè)試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)量龐大，而且，后續(xù)數(shù)據(jù)處理非常辛苦，若電腦一秒鐘記錄下10個(gè)圖像，加載一個(gè)小時(shí)，就有36000個(gè)圖像，需要科研人員對(duì)大量圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、計(jì)算和除燥等，以保證還原實(shí)驗(yàn)件真實(shí)效果。白瑞祥回憶說，團(tuán)隊(duì)中主持光測(cè)技術(shù)的雷振坤老師因廢寢忘食的工作，導(dǎo)致腸胃病發(fā)作，不得不住院。白瑞祥團(tuán)隊(duì)就是憑借如此精細(xì)、大量艱辛的工作，圓滿完成了所承擔(dān)的C919科研工作。為實(shí)時(shí)捕捉復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)，防止誘發(fā)不期望破壞模式，在試驗(yàn)中，除了借助有限元數(shù)值模擬技術(shù)，白瑞祥將光學(xué)形貌測(cè)量技術(shù)引入到復(fù)合材料壁板檢測(cè)評(píng)估的研究中，試驗(yàn)嘗試全場(chǎng)采用光學(xué)測(cè)量手段，創(chuàng)建出電測(cè)與光測(cè)相結(jié)合的動(dòng)畫模式，監(jiān)測(cè)復(fù)合材料失效發(fā)展過程和捕捉復(fù)合材料的失效環(huán)節(jié)。