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摘要：随着民用航空技术不断的发展，传统金属材料在民用航空领域的应用几近饱和，而新兴的复合材料由于其自身的结构特性而被更多的应用。但传统的材料在其制造、加工、装配及应用方面技术相对成熟，而复合材料在探索使用过程中还需要通过试验和测试去扩展其应用维度。本文主要以复合材料桶段试验为例，对其冲压试验过程进行系统研究，为将来我国在民用通航领域大批量应用复合材料，以及验证其成型后成品的强度及试验技术领域提供借鉴方法。
一 概述
复合材料由于它们具有轻质的优点，是除铝之外最重要的航空和航天材料。在过去40年在民用飞机结构重量中所占的份额超过15%。同时复合材料的抗疲劳性能比金属材料的抗疲劳性能优越。是一般金属材料的疲劳极限是拉伸强度的45%-50%，而碳纤维/聚醋树脂复合材料的疲劳极限可达抗拉伸强度的70%-80%。理论上与传统金属材料相比优势异常明显，但在航空领域一定要通过具体的试验去进一步加以验证。
二 技术难点
（一）试件体积较大在进行安装约束过程中，既要保证试验夹具足够支持试件又不能引入过度约束造成试件损伤；（二）控制充气加压方面需要建立起反馈系统以防试验出现加压不稳或是超载破坏的风险。
根据上述分析，对试验件进行约束时要考虑到试件周向由于周向应力而顺截面切向膨胀，同时由于纵向应力在轴向方向的膨胀，由于周向壁板拼接过程中预留延展空间，所以只进行支撑约束即可，而轴向由于是复合材料整体板材，需要在试件约束过程中考虑预留出延展空间，避免引入附加应力。
三 试验的策划及实施
被试件为一外形长为4.5m,厚度3mm,直径约为3.6m圆柱形桶段，总重量约为750kg，其中复合材料约占总重91%。试验目的主要分三个方面：考核整个机身桶段对模拟客舱增压充压载荷的承载能力；预估计算的正确性；试验方法的适用性和合理性。夹具由固定端堵盖、活动端堵盖，支持导轨型架三部分组成。固定端堵盖与支持导轨型架固联，试件与固定端堵盖相固连，试件下部由导轨上的部件仅提供支撑但并不附加其他约束，而活动端堵盖与试件另一端固联，放开水平自由度，活动端堵盖可在导轨上进行滑移。（安装状态如图1）
式中，Fsu取221MPa，焊接系数取0.6，S为假定焊缝填角尺寸，取6.35mm，故许用载荷为595.3N/mm。因此纵向角焊接的安全裕度为18.4，纵向角焊接的安全裕度为147.8。
试验夹具焊接强度的安全裕度较大，故符合试验要求。
3.2 加载及测量设备
加载系统采用自行设计的充压试验台，在试验件两端充压的方式，选取型号为CS20DME3E1R1，精度为0.5级，量程为0-200KPa的压力传感器，沿轴向平均布置5点在试件内，以采集试件内部压力情况，通过数显记录仪，时时反馈压力值及记录压力变化情况。同时试验台设置安全阀并与传感器互联，当压力超过加载最大值的10%自动卸载。试验应变测量采用，精度等级为±0.5％FS型号为AMADS-256s数据采集系统。
3.3 气密性检查
目的是防止由于气体泄露不能使试验顺利进行。规定按正式试验载荷的30%进行加载，保压1小时，压力不允许降低，若不符合气密要求，需在桶段内泄露部位涂胶处理，直到达到气密要求。
3.4 试验载荷设计
根据试验技术指标要求，客舱内压力在飞机巡航高度时提升至1800米海拔高度对应的大气压力，即81849Pa，根据研究民用机技术参数，最大飞行高度12000米，对应大气压力为19320Pa，则客舱最大压差=81849Pa-19320Pa+2275Pa（减压阀门容差）≈64800Pa。
3.5 试验实施
试验共分3阶段进行，第1阶段试验最大压差载荷为1倍客舱最大压差，即64800Pa。第2阶段试验最大压差载荷为2倍客舱最大压差，即64800Pa×2=129600Pa。第3阶段试验最大压差载荷为引入环境系数（1.17）的2倍客舱最大压差，即129600Pa×1.17≈151600Pa。每个阶段试验都应逐级采集应变和位移数据。
四 结论
试验承受最大充压载荷（151600Pa）下，选取的有限元预测应变-载荷曲线与测量值的对比，有限元预测的应变-载荷曲线与试验测量曲线无论从数值和趋势上都较为吻合。
通过本次试验验证了复合材料桶段在试验载荷下，机身段结构承载能力的数值预测模型的合理性，验证了机身段充压试验试前安全性评估方法的有效性，证明了试验方法设计的合理性，试验过程中采取的一系列防护措施得到了验证，为将来大体积充压试验应用提供了借鉴。
参考文献:
[1]冯振宇、程小全、张继奎。 《实用飞机结构应力分析及尺寸设计》. 航空工业出版社， 2009，12，1
论文作者:李洪彬
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/31
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