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1 复合材料结构总论1

1.1 复合材料的定义1

1.2 复合材料的构造形式1

1.3 先进复合材料结构的应用2

1.4 复合材料性能和制造工艺特点9

1.5 复合材料结构设计特点10

2 民机复合材料结构的适航审定基础12

2.1 条款CCAR25.601 总则12

2.2 条款CCAR25.603 材料12

2.3 条款CCAR25.605 制造方法12

2.4 条款CCAR25.613 材料的强度性能和设计值12

2.5 条款CCAR25.305 强度和变形13

2.6 条款CCAR25.307 结构符合性的证明14

2.7 条款CCAR25.571 结构的损伤容限和疲劳评定14

2.8 条款CCAR25.611 可达性措施16

2.9 条款CCAR25.629 气动弹性稳定性要求16

2.10 条款CCAR25.581 闪电防护17

2.11 条款CCAR25.609 结构保护18

2.12 应急着陆情况18

2.12.1 条款CCAR25.561 总则18

2.12.2 条款CCAR25.783（c，g）舱门19

2.12.3 条款CCAR25.785 座椅、卧铺、安全带和肩带19

2.12.4 条款CCAR25.787（a，b）储存舱21

2.12.5 条款CCAR25.789 客舱和机组舱以及厨房中物件的固定21

2.12.6 条款CCAR25.801 水上迫降21

2.12.7 条款CCAR25.809 应急出口的布置22

2.12.8 条款CCAR25.963（d）燃油箱：总则22

2.13 防火23

2.13.1 条款CCAR25.853 座舱内部设施23

2.13.2 条款CCAR25.855 货舱和行李舱24

2.13.3 条款CCAR25.859 燃烧加温器的防火24

2.13.4 条款CCAR25.863 可燃液体的防火26

2.13.5 条款CCAR25.865 飞行操纵系统、发动机架和其他飞行结构的防火26

2.13.6 条款CCAR25.867 其他部件的防火26

2.13.7 条款CCAR25.903（c）发动机26

2.13.8 条款CCAR25.967（e）燃油箱安装27

2.13.9 条款CCAR25.1121（c）总则28

2.13.10 条款CCAR25.1181 指定火区的范围28

2.13.11 条款CCAR25.1182 防火墙后面的短舱区域和包含可燃液体导管的发动机吊舱连接结构29

2.13.12 条款CCAR25.1183 输送可燃液体的组件29

2.13.13 条款CCAR25.1185 可燃液体29

2.13.14 条款CCAR25.1189（a）（2）切断措施29

2.13.15 条款CCAR25.1191 防火墙30

2.13.16 条款CCAR25.1193（c，d，e）发动机罩和短舱蒙皮30

2.14 条款CCAR25.1529 持续适航文件30

2.15 附录H 持续适航文件31

2.15.1 附录H25.1 总则31

2.15.2 附录H25.2 格式31

2.15.3 附录H25.3 内容31

2.15.4 附录H25.4 适航限制条款32

2.16 AC咨询通报32

2.17 政策声明33

2.18 技术报告33

3 民机适航审查程序35

3.1 民机型号合格证的申请和受理35

3.1.1 设计保证35

3.1.2 设计保证系统35

3.1.3 型号合格证的申请35

3.1.4 型号合格证的受理35

3.1.5 申请人资料的提交35

3.1.6 受理的初步评审36

3.1.7 受理过程36

3.2 民机适航符合性方法36

3.3 审查程序37

3.4 适航验证试验的审查要求和程序37

3.4.1 审查要求37

3.4.2 工作程序38

3.4.3 试验大纲38

3.4.4 试验报告38

3.5 技术资料和试验的工程评审39

3.5.1 结构（强度）专业需要审查的基本技术资料39

3.5.2 结构（强度）专业的动载分析40

3.5.3 结构（强度）专业的应力分析41

3.5.4 结构（强度）专业的试验43

3.5.5 设计与构造43

3.5.6 工艺和工艺规范或说明书45

3.5.7 设备目录、图纸目录的审查45

3.6 表明适航符合性的工作程序45

3.6.1 掌握适航法规45

3.6.2 提供证据表明符合法规46

3.6.3 执行法规的法律程序46

4 符合适航要求的验证技术途径分析47

4.1 符合性方法的确定47

4.2 确定审定大纲与验证项目48

4.3 符合性验证与审查48

4.4 各条款符合性方法和验证技术途径分析49

4.4.1 条款CCAR25.601（总则）的分析49

4.4.2 条款CCAR25.603（材料）的分析50

4.4.3 条款CCAR25.605（制造方法）的分析50

4.4.4 条款CCAR25.613（材料的强度性能和设计值）的分析51

4.4.5 条款CCAR25.305（强度和变形）的分析52

4.4.6 条款CCAR25.307（结构符合性的证明）的分析52

4.4.7 条款CCAR25.571（结构的损伤容限和疲劳评定）的分析53

4.4.8 条款CCAR25.611（可达性措施）的分析54

4.4.9 条款CCAR25.629（气动弹性稳定性要求）的分析55

4.4.10 条款CCAR25.581（闪电防护）的分析55

4.4.11 条款CCAR25.609（结构保护）的分析55

4.4.12 应急着陆情况56

4.4.13 防火58

4.4.14 条款CCAR25.1529（持续适航文件）的分析61

4.5 解读AC20-107B的新要点61

4.5.1 新增名词定义61

4.5.2 重点更新与强调的内容63

4.6 积木式验证方法63

4.6.1 积木式方法63

4.6.2 积木式方法要点64

4.6.3 为何要建立积木式的验证方法65

4.6.4 不同级别试验的目的65

4.6.5 材料基本力学性能与物理性能66

4.6.6 结构构型67

4.6.7 分析与试验的关系67

4.6.8 Mil-HDBK-17涉及积木式方法的章节67

4.6.9 用于B777基本结构的积木式方法68

4.6.10 关于积木式结构验证方法的思考69

5 材料与制造工艺及控制70

5.1 材料70

5.1.1 环氧树脂70

5.1.2 环氧树脂的固化及固化剂70

5.1.3 高性能环氧树脂71

5.1.4 环氧树脂的增韧途径71

5.1.5 碳纤维72

5.1.6 碳纤维的分类72

5.1.7 碳纤维的性能73

5.1.8 碳纤维的生产方法74

5.1.9 碳纤维的结构77

5.1.10 碳纤维的性质78

5.1.11 小结82

5.2 制造技术83

5.2.1 热压罐成形工艺83

5.2.2 树脂传递模塑（RTM）成形工艺90

5.2.3 真空辅助树脂渗透（VARTM或VARI）成形工艺91

5.2.4 树脂膜熔浸（RFI）成形工艺92

5.2.5 胶接工艺92

5.3 材料和工艺的技术要求94

5.4 重点说明的问题94

5.5 材料的控制95

5.6 工艺的控制96

5.6.1 采用预浸料成型的叠层板制造技术96

5.6.2 对结构性能有影响的关键制造因素96

5.6.3 叠层板铺贴的控制96

5.6.4 零件封装和固化的控制97

5.6.5 加工过程的控制98

5.6.6 胶接装配过程的控制99

5.6.7 螺接装配过程的控制99

5.6.8 新制造技术的控制100

5.6.9 复合材料的培训100

5.7 制造缺陷101

5.7.1 制造缺陷的控制要求101

5.7.2 制造缺陷的类型101

5.8 设计中需要考虑的制造问题103

5.9 规范编制要求104

5.9.1 材料规范104

5.9.2 工艺规范104

5.10 材料和工艺的验证方法105

5.10.1 材料的验证105

5.10.2 工艺的验证106

5.10.3 部件的制造检验106

5.11 工艺评审110

5.11.1 概述110

5.11.2 工艺规范内容的评审111

5.11.3 工艺实施的检查111

5.11.4 工艺符合性的检查112

5.11.5 无损检验（NDI）方法的评审112

5.11.6 工艺规范的批准112

5.12 综述112

6 复合材料力学性能与设计许用值113

6.1 单层的基本性能和细观力学113

6.1.1 分类113

6.1.2 单层的细观力学分析113

6.2 复合材料基本力学性能测试118

6.2.1 试件的制造要求118

6.2.2 力学性能测试119

6.3 层压板分析和宏观力学123

6.3.1 单层的应力-应变关系123

6.3.2 层压板理论125

6.3.3 层压板的性能128

6.3.4 湿热分析129

6.3.5 层压板的应力分析130

6.4 层压板的强度和失效130

6.4.1 单层板强度130

6.4.2 层压板的失效准则131

6.5 结构设计许用值的确定132

6.5.1 设计许用值确定方法132

6.5.2 设计许用值试验133

7 复合材料结构设计137

7.1 结构选材137

7.2 结构工艺方案确定137

7.2.1 构件结构工艺可行性确定137

7.2.2 结构设计方案确定138

7.2.3 影响复合材料构件的结构工艺性因素138

7.3 层压板设计140

7.3.1 层压板刚度预测与设计140

7.3.2 利用Carpet曲线初步设计140

7.3.3 层压板强度特性141

7.3.4 层压板应力应变分布142

7.3.5 层压板破坏机理143

7.3.6 层压板铺层及顺序设计145

7.3.7 环境影响的考虑147

7.4 结构连接设计150

7.4.1 机械连接设计150

7.4.2 胶接连接设计152

7.5 结构细节设计155

7.5.1 结构细节设计要求155

7.5.2 考虑强度评定的设计特性156

7.5.3 面外破坏分析与试验数据158

7.5.4 结构细节设计导致的破坏160

7.6 复合材料结构设计要求161

7.6.1 结构设计原则161

7.6.2 结构设计要求161

7.7 壁板类结构设计164

7.7.1 适用的结构类型164

7.7.2 载荷特点165

7.7.3 设计原则165

7.7.4 结构总体参数优化165

7.8 夹层类结构设计166

7.8.1 适用的结构类型166

7.8.2 载荷特点166

7.8.3 设计要点166

7.9 多梁类结构设计167

7.9.1 适用的结构类型167

7.9.2 设计特点168

7.10 整体化结构设计概念168

7.10.1 整体化结构概念168

7.10.2 复合材料整体化结构特点169

7.10.3 复合材料整体化结构发展趋势172

8 复合材料强度计算方法173

8.1 复合材料强度设计关注的问题173

8.1.1 复合材料的基本材料特性173

8.1.2 复合材料静强度评定中要考虑的设计问题173

8.1.3 关注的问题173

8.2 复合材料的材料特性173

8.3 强度分析时材料数据的选取174

8.4 有限元分析模型的建立174

8.5 强度校核内容175

8.6 稳定性分析方法176

8.6.1 平板的轴向屈曲和压损176

8.6.2 平板的剪切屈曲182

8.6.3 加筋层压板的屈曲分析182

8.7 夹层结构分析方法188

8.7.1 基本参数188

8.7.2 夹层结构局部失效分析189

8.7.3 复合材料夹层结构总体稳定性分析192

8.8 连接强度分析方法193

8.8.1 机械连接的静力分析193

8.8.2 机械连接钉载分配193

8.8.3 单钉强度估算193

8.8.4 单钉经验方法195

8.8.5 许用挤压强度值197

8.8.6 单钉被连接板的强度校核197

8.8.7 单钉紧固件的强度校核197

8.8.8 多钉连接强度校核197

8.9 细节分析198

8.9.1 结构单元要素的设计因素198

8.9.2 结构单元的受力分析198

8.9.3 复合材料整体化结构特有的失效模式200

8.10 积木式分析与试验的迭代200

8.11 静强度的符合性验证方法201

9 复合材料损伤容限设计203

9.1 复合材料结构损伤容限设计要求203

9.2 损伤容限三大要素204

9.2.1 损伤容限三大要素204

9.2.2 结构检查大纲三大要素204

9.3 结构分类和主要结构件的确定205

9.3.1 结构分类205

9.3.2 主要结构件的确定207

9.4 损伤容限技术要求207

9.4.1 损伤的阶段和来源与物理表征207

9.4.2 缺陷尺寸假设208

9.4.3 剩余强度要求209

9.4.4 多个缺陷／损伤考虑（类似于广布疲劳损伤）209

9.4.5 耐久性／损伤容限设计考虑209

9.4.6 损伤分析210

9.5 复合材料损伤容限概念及结构特征210

9.5.1 影响复合材料损伤特性的结构细节210

9.5.2 缺陷和损伤的影响和结构特征211

9.5.3 由于缺陷和损伤引起的强度下降211

9.5.4 拉伸缺口敏感性（影响拉伸剩余强度）212

9.5.5 压缩缺口敏感性（影响压缩剩余强度）212

9.5.6 缺陷损伤对于静压缩强度的相对严重性213

9.5.7 缺陷损伤对压缩疲劳强度（R＝10）的相对严重性213

9.5.8 临界损伤的威胁214

9.5.9 对称和反对称冲击损伤状态214

9.5.10 层板横截面冲击损伤微观图像215

9.5.11 冲击后特征损伤状态（CDS）的强度评估215

9.5.12 结构类型的冲击位置与损伤的试验数据215

9.5.13 对于已知的CDS冲击后压缩（CAI）强度预测216

9.5.14 局部元件破坏（冲击损伤结构的构型影响）216

9.5.15 大的穿透损伤217

9.5.16 关注的要点218

9.6 复合材料结构损伤容限的设计考虑218

9.6.1 基本材料强度、极限强度、设计值与剩余强度218

9.6.2 结构耐久性与损伤容限——设计载荷和损伤考虑219

9.6.3 结构损伤的设计考虑219

9.6.4 剩余强度要求与损伤尺寸的关系221

9.6.5 损伤的模拟221

9.7 无损检测方法223

9.7.1 检测方法223

9.7.2 检测实例225

9.8 复合材料结构疲劳与损伤容限特性226

9.8.1 复合材料与金属在疲劳特性上的差异226

9.8.2 复合材料无扩展损伤和金属疲劳裂纹损伤的比较226

9.8.3 金属和复合材料拉伸破坏模式比较227

9.8.4 疲劳特性227

9.9 复合材料结构载荷谱制定231

9.10 复合材料结构评定要求232

9.10.1 损伤容限（破损-安全）评定232

9.10.2 疲劳（安全寿命）的评定233

9.11 复合材料结构损伤容限的验证233

9.11.1 符合性验证方法的确定233

9.11.2 符合性验证方法233

9.11.3 概率或半概率符合性方法234

9.11.4 疲劳与损伤容限验证试验方案235

9.12 BVID和VID确定237

9.12.1 目视勉强可见冲击损伤BVID确定237

9.12.2 目视可见损伤VID确定237

9.13 复合材料结构维护检查要求238

9.13.1 检测方法选择238

9.13.2 研究确定关键损伤239

9.13.3 结构维修检查大纲的初步制定239

9.14 应用实例240

9.14.1 B777安定面疲劳与损伤容限试验240

9.14.2 A320垂尾疲劳与损伤容限试验242

10 复合材料结构持续适航243

10.1 持续适航243

10.2 维修性设计243

10.3 损伤检测243

10.4 损伤检查243

10.5 修理总则244

10.6 结构修理区域划分244

10.6.1 影响结构安全性的主要结构件244

10.6.2 影响结构功能完整性的结构件244

10.7 结构修理原则244

10.7.1 复合材料的结构修理244

10.7.2 修理原则244

10.7.3 考虑复合材料修理的结构设计原则245

10.8 结构修理容限确定方法246

10.9 复合材料结构修理方法246

10.9.1 修理方法选择的一般原则246

10.9.2 修理方法种类246

10.9.3 各种损伤的修理247

10.9.4 各类结构的修理247

10.9.5 影响结构修理的因素250

10.9.6 夹层板胶接修理的研究及试验251

10.10 修理方法的分析与验证252

10.10.1 损伤修理要求252

10.10.2 修理方法的强度分析与验证254

10.10.3 结构修理后的强度分析与验证254

11 复合材料特殊问题的处理255

11.1 湿热环境255

11.2 太阳光／热辐射环境258

11.3 闪电防护260

11.3.1 闪电防护要求260

11.3.2 复合材料雷击损伤特性261

11.3.3 复合材料闪电防护评定方法262

11.4 适坠性265

11.5 易燃性266

12 复合材料结构强度工作思路及内容268

12.1 复合材料结构强度的工作思路268

12.2 结构设计与强度验证工作内容268

12.2.1 结构设计工作要求268

12.2.2 强度设计工作要求268

12.3 各研制阶段的复合材料结构强度工作内容269

12.3.1 各研制阶段的标志性工作要求269

12.3.2 结构强度专业的设计工作270

12.3.3 复合材料结构强度专业的设计工作271

13 复合材料结构的适航验证技术273

13.1 积木式验证试验的确定273

13.1.1 按照试验类型分类273

13.1.2 按照试验级别分类275

13.1.3 试验规划实例275

13.2 各类试验的试验技术276

13.2.1 标准试验276

13.2.2 非标准试验277

13.2.3 局部试验的试验件及支持设计282

参考文献283