典型极端环境与载荷联合作用下复合材料蒙皮加筋飞机结构失效机理和寿命评估技术

The focus of this proposal has been to present new testing measurement and life assessment techniques for stiffened thin-walled composite aero-structure subjected to cyclic loading in typical extreme environments. Particular novel features are four-fold:.1) New testing techniques and systems are developed to determine static strength behaviors and fatigue characterics of stiffened thin-walled composite aero-structure subjected to static or cyclic loading in typical extreme environments, and the damage mechanisms and failure modes on micro level are deduced from experimental observations and fractographic analysis..2) From the viewpoint of damage mechanics, the environment-dependent degradation rule for mechanical propaerties, fatigue-driven model for damage evoluation and effective stress criteria for fatigue damage transition of composites are proposed based on the experiments under a combination of static or cyclic loading and typical extreme environments..3) By means of the computer simulation technique, the FE model and progressive damage algorithm are presented to predict uneven transfer load, damage stress pattern, and to simulate failure mechanism of stiffened thin-walled composite aero-structure under a combination of static or cyclic loading and typical extreme environments..4) New approach is presented to predict fatigue life of stiffened thin-walled composite aero-structure under a combination of spectra loading and typical extreme environment from fatigue behaviours of composite stiffeners and thin-walls. All models and algorithms mentioned above are verified with experimental data.

以纤维增强/树脂基复合材料结构作为研究对象，1）研究典型极端环境（低温和高温湿热等）与载荷联合作用下复合材料蒙皮加筋飞机结构的静强度和疲劳强度性能的试验测试技术，研制试验测试系统；2）通过试验失效分析，研究典型极端环境与载荷联合作用下复合材料蒙皮加筋飞机结构损伤机理和失效模式，从损伤力学的角度，建立依耐于环境的复合材料力学性能退化准则、疲劳损伤演化模型和损伤模式识别的有效应力判据；3）利用计算机仿真技术，建立典型极端环境与载荷联合作用下复合材料蒙皮加筋飞机结构的力学分析模型，提出其静强度预测的渐进损伤算法和疲劳寿命预估的累计求和算法，分析载荷传递机理和损伤应力分布，揭示多模式损伤相互作用机制，以及典型环境和载荷对失效过程及疲劳寿命的影响；4）提出由蒙皮和加筋等简单元件的疲劳性能估算复杂的蒙皮加筋结构谱载寿命的新方法，并通过试验验证评估方法有效性。

现代民用飞机在飞行过程中通常承受高、低温、高温湿热和腐蚀等典型极端环境作用，这些典型环境对飞机结构材料性能产生影响，在典型极端环境与疲劳载荷的联合作用下，飞机结构会出现裂纹萌生与扩展，影响飞机的飞行安全。传统上，飞机结构使用寿命很少使用典型极端环境与载荷联合作用下航空材料结构的疲劳和裂纹扩展性能进行设计，由此会带来飞机结构安全性风险，为此，本项目旨在研究典型极端环境与载荷联合作用下航空复合材料结构的疲劳性能，探讨性能表征模型与寿命评估方法，为我国民用飞机研制提供技术支持。.在国家自然基金的资助下，项目（51875021）开展了典型极端环境与载荷联合作用下航空复合材料结构疲劳损伤机理与寿命估算技术研究，完成了项目计划书规定的全部研究内容，达到了预期的研究目标。（i）搭建了典型极端环境（高低温、高温湿热等）与载荷联合作用下航空复合材料疲劳性能试验测试系统，试验测定了典型极端环境与载荷联合作用下5种典型航空复合材料和6种航空复合材料-金属连接件的疲劳性能，获得270条具有工程参考价值的疲劳性能曲线。（ii）构建了温度-湿度-机械载荷多场耦合作用下航空复合材料静力本构模型和疲劳性能S-N-R曲面模型，提出了温度-湿度-机械载荷多场耦合下复合材料多轴疲劳剩余强度与刚度退化模型，以及复合材料疲劳失效判据，发展了基于Shell to Solid Coupling技术的复合材料结构整体和局部有限元建模技术，建立了温度-湿度-机械载荷多场耦合作用下复合材料结构宏观尺度层板级，以及介观尺度单层级的渐进疲劳损伤模型和算法，优于传统算法。.研究成果已成功应用于我国AC313直升机复合材料尾段结构的冲击损伤容限虚拟试验，以及我国海直-XX直升机复合材料旋翼桨叶的环境疲劳寿命评定，为AC313直升机适航取证和海直-XX直升机旋翼桨叶的寿命评估提供了技术支持；还为我国某型空-空导弹复合材料舱段设计提供了典型极端环境下复合材料性能数据.本项目发表SCI收录论文19篇，EI收录论文2篇，授权发明专利11项，出版教材和专著各1部；培养4名博士生、8名硕士生毕业；获得2022年航空学会优秀博士论文提名奖，以及2021年北京航空航天大学优秀硕士论文奖各1项。