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在之前的兩篇專欄文章中，討論了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)耐撞性測(cè)試和分析的構(gòu)建塊方法的低級(jí)和中級(jí)水平。對(duì)于商業(yè)航空業(yè)，復(fù)合材料手冊(cè)-17（CMH-17）耐撞性工作組1正在為其進(jìn)行構(gòu)建塊練習(xí)并記錄。
這種積木式方法的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)具有耐撞性要求的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的多層次過(guò)程。總體目標(biāo)是通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證分析方法，然后通過(guò)分析驗(yàn)證結(jié)構(gòu)。因此，選擇使用的分析方法必須對(duì)供試品進(jìn)行逼真的模擬。采用逐步增大供試品的“積木式”方法，其中測(cè)試和分析的復(fù)雜性增加，測(cè)試次數(shù)減少。雖然不是本專欄的主要焦點(diǎn)，但使用數(shù)值分析方法預(yù)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的耐撞性是積木式方法的關(guān)鍵要素。
圖1.運(yùn)輸機(jī)防撞試驗(yàn)積木塊。
圖1所示的積木金字塔說(shuō)明了與復(fù)合材料運(yùn)輸飛機(jī)相關(guān)的耐撞性測(cè)試和分析水平。金字塔的每一層都涉及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的不同方面，從簡(jiǎn)單的材料試樣到越來(lái)越復(fù)雜的子部件、部件和全尺寸試樣。
2024年11月的第一篇專欄文章主要關(guān)注最近CMH-17積木式演習(xí)中使用的試片級(jí)壓碎測(cè)試。平試片壓碎測(cè)試用于識(shí)別產(chǎn)生高壓碎應(yīng)力和能量吸收值的碳纖維/環(huán)氧樹脂層壓板。通過(guò)預(yù)測(cè)平試片破碎行為和由此產(chǎn)生的能量吸收，也可以對(duì)數(shù)值分析方法進(jìn)行初步評(píng)估。這些活動(dòng)導(dǎo)致在要素層面進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試和分析，重點(diǎn)是用于支撐運(yùn)輸機(jī)機(jī)身下部貨艙地板的復(fù)合C形通道支柱。除了在飛機(jī)正常運(yùn)行期間充當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件外，這些支柱還在緊急著陸事件中充當(dāng)主要的吸能結(jié)構(gòu)元件。
在2025年2月的后續(xù)專欄中所討論的那樣，總共評(píng)估了11種不同的基于有限元的漸進(jìn)損傷和失效分析方法。向分析小組提供了平試樣壓碎試驗(yàn)結(jié)果以及C通道試樣幾何形狀和落錘壓碎試驗(yàn)條件。每個(gè)團(tuán)隊(duì)都使用他們獨(dú)特的數(shù)值分析方法預(yù)測(cè)了壓碎行為，并提交了他們對(duì)每個(gè)C通道層壓板的預(yù)測(cè)壓碎行為和由此產(chǎn)生的能量吸收。在收到所有分析團(tuán)隊(duì)的預(yù)測(cè)后，實(shí)驗(yàn)壓碎試驗(yàn)結(jié)果被分發(fā)給所有參與者。
在本系列的第三個(gè)也是最后一個(gè)專欄中，將討論防撞積木塊的上層。我們將繼續(xù)使用《復(fù)合材料手冊(cè)-17》中詳細(xì)記錄的積木式方法關(guān)注運(yùn)輸機(jī)。此外，我們將重點(diǎn)介紹數(shù)值分析在積木塊上層的重要作用。
盡管在積木塊金字塔的較低層進(jìn)行的壓碎試驗(yàn)通常會(huì)產(chǎn)生一種單一的主要失效模式，但在較高積木塊層的復(fù)雜組件往往會(huì)產(chǎn)生多種失效模式，這些模式在復(fù)合材料試驗(yàn)品中同時(shí)或分階段發(fā)生。在子部件積木塊級(jí)別，測(cè)試和數(shù)值分析側(cè)重于元件級(jí)結(jié)構(gòu)的組裝，包括圖1“元件/子部件”級(jí)別所示的前一個(gè)積木塊級(jí)別的主要吸能C形通道支柱。
子部件級(jí)測(cè)試和分析的另一個(gè)重點(diǎn)是形成子部件的結(jié)構(gòu)元件在破碎過(guò)程中的機(jī)械連接和由此產(chǎn)生的相互作用。子部件級(jí)壓碎試驗(yàn)的結(jié)果用于確保數(shù)值分析正確預(yù)測(cè)壓碎試驗(yàn)期間觀察到的破壞順序模式、載荷再分配和由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)元件壓碎行為。因此，在開發(fā)用于耐撞性的子部件級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，通常使用多個(gè)候選子部件設(shè)計(jì)進(jìn)行壓碎測(cè)試。這些子部件的整體能量吸收能力與元件中使用的材料及其在子部件中的位置直接相關(guān)。因此，在積木式方法中，通常需要進(jìn)行廣泛的子部件級(jí)壓碎測(cè)試和分析，以設(shè)計(jì)出能夠按預(yù)期運(yùn)行的防撞結(jié)構(gòu)。
在部件級(jí)別，對(duì)代表主要破碎結(jié)構(gòu)重要部分的更大的元件和子部件組件進(jìn)行了測(cè)試和分析。在CMH-17積木式方法中，候選組件級(jí)測(cè)試樣品將包括飛機(jī)機(jī)身筒的一部分，如圖1的“組件”級(jí)所示。除了進(jìn)一步評(píng)估元件和子組件級(jí)能量吸收功能的有效性外，還使用組件級(jí)壓碎測(cè)試來(lái)評(píng)估相鄰元件和子部件之間的連接。一般來(lái)說(shuō)，由于碰撞事件中可變載荷條件和沖擊速度下的多結(jié)構(gòu)相互作用，以及組裝部件內(nèi)可能的失效機(jī)制的復(fù)雜性，部件級(jí)壓碎測(cè)試會(huì)產(chǎn)生多種失效模式。
與積木塊的其他級(jí)別一樣，組件級(jí)測(cè)試也用于驗(yàn)證數(shù)值建模方法。這包括用于預(yù)測(cè)能量吸收的材料建模參數(shù)和破碎相關(guān)特性。一般來(lái)說(shuō)，較高的構(gòu)建塊級(jí)別側(cè)重于由于相互作用的失效機(jī)制而產(chǎn)生多種失效模式的試件和載荷。這可能同時(shí)發(fā)生，也可能在復(fù)雜部件的不同階段發(fā)生，以及碰撞事件中沖擊載荷的可變性。
全尺寸耐撞性測(cè)試通常作為最終驗(yàn)證測(cè)試進(jìn)行。對(duì)于運(yùn)輸機(jī)，通常使用完整飛機(jī)機(jī)身的整個(gè)機(jī)筒部分進(jìn)行全尺寸壓碎測(cè)試。然而，根據(jù)耐撞性試驗(yàn)程序，可以使用如圖1所示的半桶部分等子組件來(lái)代替完整的試驗(yàn)品，以驗(yàn)證所有建模參數(shù)。
有關(guān)復(fù)合材料耐撞性構(gòu)建塊方法的更多信息，請(qǐng)參閱CMH-171的H版。美國(guó)國(guó)家航空航天局即將發(fā)布的一份報(bào)告也提供了最近防撞積木演習(xí)的詳細(xì)信息。
原文，3. 《Crashworthiness testing of composites: A building block approach, Part 3》
楊超凡