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飞机复合材料结构分层损伤研究 

来源:飞机设计 【在线投稿】 栏目:期刊导读 时间:2021-07-01

飞机材料应当具有结构轻、可靠性高、寿命长等诸多特点,所以现代飞机行业对于材料的研究不断持续。而纤维增强符合材料,则因为其具有的各方面优势,包括强度高、刚度大、抗疲劳性好等,成为现代飞机工业中非常重要的材料类型。然而对于负荷而材料来说,其最大的问题在于容易受低能量冲击,进而导致层间出现封层损伤,这都会对材料的性能造成严重影响。而且分层损坏往往发生在材料内部,具有较高的隐蔽性,所以其危险性也会越大。因此,必须要高度重视对飞机复合材料结构分层损伤的研究。

1 复合材料分层损伤的无损检测

复合材料具有多种非常优秀的性能,但是分层损伤是其固有的问题。在制造或使用过程中,受各种因素的影响,会导致复合材料表面或内部出现空隙、裂纹、分层等问题,从而导致其性能受损。常用的针对复合材料分层损失的无损检测方法主要有以下几种。

1.1 X射线检测法

这种检测方法的原理就是通过发送X射线,让后在其穿过待检测材料的过程中,如果其中存在诸如气孔、裂缝等缺陷,这些缺陷与无损部位对X射线的吸收能力是不同的,这样就会使得通过有缺陷部位的X射线强度强于无损部位的强度。X射线检测是当前应用非常广泛的一种无损检测方法,而且这种方法对于待测工件的表面、形状均没有特定要求,对于表面缺陷、内部缺点都能够很好的检出,包括一些目视可达性不佳,被其他构建覆盖的工件,都可以实施检查。所以在分级工业中,广泛采用这种方法实施原位检查。但这种方法的不足之处在于,因为X射线在穿透待测工件的过程中会被吸收和散射,所以如果待测工件厚度不能太厚;另外X射线容易对人体造成伤害,所以必须要做好相应的防护[1]。

1.2 超声波检测

超声波检测是一系列通过运用超声波检测材料表面和内部缺陷的方法,超声波具有穿透力强、指向性后、易反射等诸多特性,基于此而衍生出一系列超声波检测方法。其中较为常用的方法包括脉冲反射法 、穿透法 、反射板法、共振法、阻抗法等。这些方法各自有不同的特点,所以在实际应用中可基于实际情况不同,选择更合适的方法。通常小而薄,且结构简单的平面复合材料,选择水浸式反射板法更加有效;而如果待测件是一种小而厚的复杂结构件,则更适合于采用用喷水脉冲反射法;如果待测件为大型复杂件,则应首选用水喷穿透法。

1.3 射线计算机断层扫描法

这种方法就是以圆锥状射线束通过准直装置,使其成为线状或面状扫描束,然后穿过待测物体的某个断面,并且对断面实施摄像得出断面图像,通过对断面图像展开观察和分析,从而获取待测物体结构与性能方面的相关信息,从中发现相应的缺陷。这种检测方法的优势在于具有很高的尺寸精度,并且能够得到直观的三维图像,而且对于待测物的结构没有太大的限制。但是其局限性也较为明显,效率相对不高,但成本相对较高;对于大型构件、平面薄板相对来说适用性不足。

1.4 声发射技术

这种技术事实上是一种动态无损检测技术,具体来说就是物体在受到外力作用下出现变形、断裂等情况,或者内部应力超过屈服强度,导致物体发生不可逆塑形变形,必然会表现出瞬态弹性波形式释放应变能。通过对其检测从而判断物体发生了损坏。神发生技术相对于其他常规检测技术来看,其特征主要体现在以下两方面。一方面是对动态缺陷敏感,能够在缺陷出现并逐渐发展的过程中及时发现;另一方面是这种方法的发生波是缺陷导致的,而不是外部导致的,所以其中将蕴藏着更加丰富的与缺陷相关的信息,其分辨率和敏感度都有很大的优势。这种方法最大的优势在于,无需靠近检测目标,所以对于高低温、易燃易爆、高辐射等常规检测方法无法靠近的测试件,这种方法有很高的应用价值。

2 分层损伤复合材料结构的相关试验研究

复合材料的分层损伤对于复合材料的应用有非常大的影响,一旦复合材料中出现了分层损伤,会导致材料的局部性能下降,尤其明显的就是刚度降低,受压面很容易会出现弯曲,进而是分层损伤进一步扩大,引发更严重的结构损坏。所以,国内外大量研究学者都针对大量层合结构的屈曲及分层扩展展开深入研究,并得出了各种相关结论。

Hiro shi Suemasu在其研究中重点静安就了复合材料结构的屈曲与后屈曲。最终得到以下的研究结果:临界屈曲载荷值如果处于单向载荷条件下,沿加持段分层最大部分展开屈曲估算,一开始的时候会表现为对称性形态,在载荷不断增加的推动下,逐渐会出现不对称发展;屈曲一开始会出现在最大预埋分层的位置,然后逐渐一些尺寸较小分层,也会慢慢表现出屈曲,而且其方向会逐渐与开始阶段的屈曲相反。对于整个层和版来说,一旦发生全局变形,就会逐渐衰减[2]。

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