复合材料结构验证试验体系：原则、方法及依据

导语：金属结构的验证试验方法是通过使用和验证试验的经验方法得到发展，并且保证结构完整性的评估方法。复合材料与金属相比，复合材料具有高刚度、低密度及优越的耐久性和剩余强度特性，但复合材料在缺口敏感性，湿热效应、面外载荷敏感性、分散性和损伤容限等方面与金属结构差别很大。因此，成熟金属结构试验验证方法并不能完全适用于复合材料结构。今天，我们就来简单探讨下复合材料结构验证试验的原则、常用方法和重要依据。

一、验证试验的原则

复合材料结构验证的核心原则是确保绝对安全。 为此，试验验证必须覆盖所有关键设计细节，通过典型试验件进行充分验证。试验内容应包含全部关键设计特征，并着重考虑最恶劣工况下的破坏模式以及材料/制造分散性的影响。

二、验证试验方法

在复合材料破坏模式的多样性和对面外载荷的敏感性影响下，工程师在设计复合材料结构验证试验都是采用积木式试验方法，如下图所示。积木式试验方法是从试样、元件、结构件一直到全尺寸部件的试验方法，该试验方法尽管投资大、周期长，但具有以下优点：

• 能够确定环境对失效模式的影响。

• 可根据已知的单一模式特性来建立失效模式间的相互作用的关系。

• 根据小试验件的试验数据可以确定尺寸效应。

• 可识别复杂结构的薄弱部位，并能分析同小试件已知的特性关系

• 可以放松对全尺寸试验中的载荷模拟要求。

• 使全尺寸试验之前发现失效模式，从而加快全尺寸试验的进程。

• 能使试验结果尽早反馈给设计部门。

1.试样试验：

试验件通常为单向板、层合板标准试样及连接件小试样。 其目的在于材料筛选和获取结构设计所需的基础材料性能数据。试验内容涵盖复合材料的物理性能、力学性能、工艺性能、耐介质/环境性能以及连接件特性。试样数量需满足统计要求，确保试验结果具有统计有效性。

2.元件试验：

试验件为较复杂结构的通用元件如：典型加筋板、夹层板、承剪板等非通用元件。试验主要是确定或验证元件的承载能力，冲击损伤/疲劳特性，孔的影响和破坏模式，接头的承载能力和破坏形式等；以及验证元件设计分析方法。鉴于细节设计是复合材料结构设计成败的关键环节，且其分析过程存在较高技术难度，因此元件试验的数量配置必须充分满足结构设计选型对数据完整性、可靠性的要求，确保通过试验结果为设计优化提供扎实支撑。

3.结构件试验：

结构件通常指能够体现完整结构主要特征的大型三维部件，例如机翼梁段、壁板、机身隔框等关键结构段，以及主承力接头。开展结构件试验旨在降低部件研制风险、节省成本与时间。试验内容主要包括：验证主承力接头与壁板的承载能力及其屈曲特性；研究环境因素对破坏模式和破坏应变的影响；同时进行耐久性/损伤容限的早期验证；并对典型三筋板或五筋板结构进行冲击损伤及其扩展特性试验。

4.全尺寸结构试验：

全尺寸部件试验旨在全面验证结构的完整性和适航性，因此其试验内容需覆盖所有结构完整性要求，包括静强度、刚度、耐久性（疲劳）和损伤容限要求。鉴于刚度要求通常与静强度验证同时考核，全尺寸部件验证试验一般指静强度、耐久性（疲劳）和损伤容限验证。根据需要，功能性试验也可能包含在内。

验证试验方法依据

复合材料结构验证试验并非凭空进行，而是有明确的依据作为指导，这些依据确保了试验的规范性和一致性。下表列出了部分验证试验依据。

结语

复合材料结构验证试验是保障复合材料在工程中安全应用的关键环节，其原则、方法和依据共同构成了一个完整的技术体系。遵循科学的原则，采用精准的方法，依据规范的标准和要求开展验证试验，能够全面掌握复合材料结构的性能特点，及时发现潜在的安全隐患，为复合材料结构的设计优化、制造改进和工程应用提供有力的技术支持。随着复合材料技术的不断发展，验证试验技术也将不断创新和完善，为推动各行业的技术进步和安全发展保驾护航。