中央翼复合材料壁板把关,理工大学承担国产大型客机C919多个部位实验项目

本报讯11月2日,我国自主研制的国产大型客机C919首架机正式下线,这是我国航空科技史上的一次集成创新。记者昨日从大连理工大学获悉,在国产大飞机的研发中,大连理工大学运载工程与力学学部的白瑞祥团队发挥理工大学国家重点实验室计算力学学科优势,承担了C919尾翼、中央复合材料壁板等多个部位的实验项目。

我国自主研制的首架国产大型客机C919载着全国人民的骄傲和自豪正式下线,这是我国航空科技史上的一次集成创新,凝聚着广大工程技术人员和科技工作者的汗水和智慧,这其中也有大连理工大学运载工程与力学学部白瑞祥团队的一份贡献,他们承担了C919垂尾结构盒段试验,C919飞机中央翼复合材料下壁板参数选型试验,C919飞机垂直安定面壁板选型试验,C919飞机尾翼混杂结构前缘承载能力试验;他们发挥大连理工大学国家重点实验室计算力学学科优势,历经8年奋斗,取得了重要的科技研发成果。

国产客机的研制,关键之一是提高先进材料应用水平。自主研发大型复合材料结构,是一项艰巨而长期的庞大工程,白瑞祥团队针对大型复合材料构件试验需求,进行了大吨位大尺寸加载系统、承力系统和电测系统的建设,开展了材料级、结构级、部件级三级的大飞机复合材料结构破坏机理研究,并开发数值分析模型和软件,指导、校正实际试验,建立了飞机典型复合材料结构的破坏行为数据库。

为C919建设复合材料破坏机理与结构数据库

为保证从复合材料壁板各环节处获得翔实、完备有效的实验数据,及时处理不可测原因导致的意外情况,该团队采取在飞机壁板上对危险考验部位贴大量应变片的采集数据方法。为不忽略每一可靠数据的采集,一个大型壁板就需要采集300~400个通道数据,针对C919客机,一共测试了60多块壁板。

国产客机的研制,关键之一是提高先进材料应用水平。国外飞机行业发展趋势是大幅度提高复合材料的应用率以实现减重和提高飞机性能,由于我国缺乏大尺度复合材料结构破坏机理和破坏模式的理论和试验分析数据,给复合材料大飞机结构的设计和制备带来困难。自主研发大型复合材料结构,是一项艰巨而长期的庞大工程,白瑞祥团队针对大型复合材料构件试验需求,进行了大吨位大尺寸加载系统、承力系统和电测系统的建设,开展了材料级、结构级、部件级三级的大飞机复合材料结构破坏机理研究,并开发数值分析模型和软件,指导、校正实际试验,建立了飞机典型复合材料结构的破坏行为数据库。

针对C919飞机尾翼前缘受力特征和几何形式,该团队设计了分力加载杠杆,根据飞行的不同姿态和相关飞行参数,找出多种气动载荷危险工况,等效计算出试验加载数据,验证了C919飞机垂尾和平尾前缘结构的承载能力,评估了结构安全性问题。

这项科技研发早在2008年就开始,当时白瑞祥团队受邀承担了上海飞机设计研究院ARJ支线客机复合材料研发的两个课题项目:复合材料典型部件的虚拟试验系统研究,复合材料整体化壁板识别和检测方案,成功实施了分层次的复合材料结构力学试验,得到的实验数据和总结的关键实验技术,对ARJ支线客机和C919客机的研发具有重要参考价值;同时,编制了针对大飞机试验的试验流程管理和质量体系管理规范。

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鉴于白瑞祥的科研成果,2010年C919正式研发启动时,白瑞祥受邀在启动会上对C919研发力学试验提出建设性意见;2011年10月,在C919飞机项目结构强度实验过程管理研讨会上,确认大连理工大学成为中国商用飞机有限责任公司固定合作单位。

一个壁板要贴300-400个应变片

在解决C919尾翼、中央翼复合材料壁板承载强度和安全性能等关键问题方面,虽然白瑞祥团队基于前期复合材料结构数据库的校正,给出了几种标准模块化程序,但从制作工艺和加工质量角度来说,数值模拟还不能代替实际试验,因为,实际材料制备中存在各种工艺缺陷,干扰试验预期结果,为此,必须重视试验研究,因为试验数据对于结构强度失效、刚度失效以及材料损伤演化、界面开裂等行为的研究非常有价值。

为保证从复合材料壁板各环节处获得详实、完备有效的实验数据,及时处理不可测原因导致的意外情况,白瑞祥团队采取在飞机壁板上对危险考验部位贴大量应变片的采集数据方法。为不忽略每一可靠数据的采集,一个大型壁板就需要采集300-400个通道数据,针对C919飞机,一共测试了60多块壁板。将应变片焊接在壁板上需要打磨、清洁,焊端子,引出引线连接到测试仪器上,应变片如手指盖儿大小,非常脆弱,不小心就会被损坏;白瑞祥带领团队教师和本科生、硕士生奔赴大飞机各加工基地,在生产线上贴片,在加工车间挥汗如雨。为防止运输前后应变片遭到破坏,每个应变片还要作保护措施,防止搬运和长途运输过程中出现损坏,而且运输前后都要进行测试,保证每个应变片正常。

每一试验并不是一蹴而,开始需要用替代品,要经过多次试验、论证、评审,在确保万无一失的情况下再做真正试验,“只能成功”,白瑞祥说,无论从时间还是从成本上讲,都不允许失败;为此,他们在试前检查、仪器设备的精度、加载装置、夹具精度、操作规程上都必须作到严格、精准,不允许有丝毫差池。

创造性设计杠杆系统

在C919飞机尾翼结构前缘承载能力试验中,白瑞祥团队创造性地设计了加载拉压垫和分力杠杆系统,使实验加载具有了更高的精度。他们采用设计变形协调装置,选取飞机垂尾和平尾的局部结构进行实验,通过缜密计算,为实验件施加与整体结构变形相一致的边界条件和初始条件,保证实验数据与垂尾和平尾的整体结构数据具有等同性,通过考虑飞机可能经历的高温飞行环境,在国内首次实现了变形协调、气动载荷、可控环境温度的多场耦合下大飞机承载能力试验。

他们针对C919飞机尾翼前缘受力特征和几何形式,设计了分力加载杠杆,将每个杠杆黏贴在一个拉压垫上,拉压垫的另一侧再与前缘处黏结,对每个杠杆和夹具以进行数值分析和校核,根据飞行的不同姿态和相关飞行参数,找出多种气动载荷危险工况,等效计算出试验加载数据,验证了C919飞机垂尾和平尾前缘结构的承载能力,评估了结构安全性问题。

实施全场光试验监测手段

在C919垂尾结构盒段和中央翼盒的复合材料加筋壁板的破坏模式与承载能力试验中,白瑞祥团队通过建立有限元数值仿真数据为实验方案设计提供了有力指导;通过试验为尾翼垂直安定面壁板确定选型,之后,开展了垂尾盒段结构承载能力实验,并对垂尾盒段与机身的连接方案进行选型论证。

在复合材料承载能力试验中,复合材料加筋壁板会出现屈曲模态的变化,即出现鼓包现象,从观察蒙皮鼓包行为中,可分析蒙皮和加筋刚度是否匹配,蒙皮和加筋黏结界面是否牢固,是否有不合理的屈曲模式引发结构的早期失效,确定发生的确切时刻和发生前后结构的变形行为。

为实时捕捉复合材料壁板结构的屈曲模态,防止诱发不期望破坏模式,在试验中,除了借助有限元数值模拟技术,白瑞祥将光学形貌测量技术引入到复合材料壁板检测评估的研究中,试验尝试全场采用光学测量手段,创建出电测与光测相结合的动画模式,监测复合材料失效发展过程和捕捉复合材料的失效环节。

光测试验采集数据量庞大,而且,后续数据处理非常辛苦,若电脑一秒钟记录下10个图像,加载一个小时,就有36000个图像,需要科研人员对大量图像数据进行提取、计算和除燥等,以保证还原实验件真实效果。吕东光
半岛晨报、海力网记者辛敏娟

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