民机复合材料结构抗冰雹多点/重复冲击性能研究

When hailstones impact the aircrafts, the exposed structures, such as fuselage and wing skins, leading edge, control surface of empennage etc., can be seriously damaged. Because of the weakness of composite laminates in the out-of-plane direction, the localized hail impact on composite structures can result into the very dangerous potential failure during the future service life of aircraft. Thus how to accurately estimate the hail impact damage is an urgent request from the damage tolerance design of composite structures. This project firstly aims to provide the climatic extremes of hail impact for composite structure design based on the existing meteorological literature of domestic hail threat data. The low and high velocity hail impact on the composite laminates is experimentally studied. The failure procedure of the hailstone is captured by the high speed camera in order establish the input material models for numerical simulation. Employing the explicit dynamic finite element analysis software LS-DYNA, the failure modes of composite structures under multi-site and repeated hail impact are modeled and then the after-impact residual strength can be predicted. The results of this project can help aeronautic engineers better understand hail impact damage for composite structures and be used for the improvement of the damage tolerance design methodology..

虽然现代飞行航线尽量避免飞行路线和冰雹区域的重叠，但在特殊情况下飞机通过冰雹区域是不可避免的。冰雹群撞击机身机构，机翼前缘、尾翼舵面等暴露部件均可导致严重的冲击损伤。复合材料层合板对外来撞击物的异常敏感导致穿越冰雹区可能为给飞行安全留下致命隐患。因此民机结构设计对将冰雹冲击威胁纳入损伤容限的考虑有迫切需求。本项目将针对冰雹多点/重复冲击的特性，推动基础理论和方法论的发展，探索试验原理和测试技术，开发预测设计工具。此项目将通过整合气象监测和气象灾害资料，为民机复合材料设计提供可靠的冰雹气候极值；采用国际最新的科技成果和分析手段，并结合已有的成熟技术方法，开发建立高精度的复合材料结构受冰雹多点/重复冲击后剩余强度预测方法；期望最终能为现有和未来机型中复合材料结构考虑冰雹冲击的损伤容限设计提供技术支持和保障，进而推动我国先进复合材料机构在航空工业中的应用基础发展。

一、项目背景.虽然现代飞行航线尽量避免飞行路线和冰雹区域的重叠，但特殊情况下飞机通过冰雹区域是不可避免的。冰雹群以不低于飞机巡航速度撞击机身机构，机翼前缘、尾翼舵面等暴露部件均可遭受严重损伤。复合材料层合板对外来撞击物的异常敏感导致穿越冰雹区可能为给飞行安全留下致命隐患。与工具掉落、鸟撞等冲击源造成的一次性冲击有显著区别，冰雹造成的冲击具有大面积、多点、重复冲击等特征。冰雹在安全性和经济性的方面对飞机的结构构成了不可忽略的潜在威胁。.民用飞机中复合材料结构的耐久性和损伤容限设计必须遵循相应的适航标准。对于含冰雹冲击损伤的复合材料结构的评定和符合性方法，适航条款AC 25.271“结构的损伤容限和疲劳评定”和咨询通报AC 20-107B “复合材料结构”并没有给出具体的指示。波音和空客都以不同的型号为平台做出了大量努力，并通过适航审定；但可获得的公开报告却寥寥无几。国内民机对冰雹冲击适航符合性验证的经验尚属空白。.二、主要研究内容.本研究从民机型号研制的适航需求出发合气象监测和灾害资料，获得民机适用的冰雹气候极值；基于冰雹球力学性能试验结果本项目从适航需求出发，以民用飞机在服役中可遭遇的冰雹多点/重复冲击为研究对象，分析与模拟复合材料承力结构受冰雹冲击的损伤机理，研究冰雹冲击独有的多点冲击和重复冲击特性对复合材料结构渐进损伤和损伤积累的影响，从而实现高精度的复合材料结构受冰雹多点/重复冲击的剩余强度预测。.三、重要成果.本项目主要包括以下四个的研究内容：.（1）建立了民用飞机适用的冰雹气候极值；.（2）通过开展冰雹“同点重复冲击”和“多点依次冲击”试验，掌握了复合材料结构受冰雹冲击的试验方法，并编制了相应的试验规范；.（3）基于冰雹球流固耦合失效模型和复合材料层合板渐进损伤模型，打通了复合材料结构遭受冰雹冲击的损伤分析流程，并形成了损伤预测工具；.（4）为将冰雹冲击多点/重复特性损伤纳入现有损伤容限方法提供技术支持。