為C919建設(shè)復(fù)合材料破壞機理與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫

國產(chǎn)客機的研制，關(guān)鍵之一是提高先進材料應(yīng)用水平。國外飛機行業(yè)發(fā)展趨勢是大幅度提高復(fù)合材料的應(yīng)用率以實現(xiàn)減重和提高飛機性能，由于我國缺乏大尺度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞機理和破壞模式的理論和試驗分析數(shù)據(jù)，給復(fù)合材料大飛機結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制備帶來困難。自主研發(fā)大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，是一項艱巨而長期的龐大工程，白瑞祥團隊針對大型復(fù)合材料構(gòu)件試驗需求，進行了大噸位大尺寸加載系統(tǒng)、承力系統(tǒng)和電測系統(tǒng)的建設(shè)，開展了材料級、結(jié)構(gòu)級、部件級三級的大飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞機理研究，并開發(fā)數(shù)值分析模型和軟件，指導(dǎo)、校正實際試驗，建立了飛機典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的破壞行為數(shù)據(jù)庫。

這項科技研發(fā)早在2008年就開始，當(dāng)時白瑞祥團隊受邀承擔(dān)了上海飛機設(shè)計研究院ARJ支線客機復(fù)合材料研發(fā)的兩個課題項目：復(fù)合材料典型部件的虛擬試驗系統(tǒng)研究，復(fù)合材料整體化壁板識別和檢測方案，成功實施了分層次的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗，得到的實驗數(shù)據(jù)和總結(jié)的關(guān)鍵實驗技術(shù)，對ARJ支線客機和C919客機的研發(fā)具有重要參考價值；同時，編制了針對大飛機試驗的試驗流程管理和質(zhì)量體系管理規(guī)范。

鑒于白瑞祥的科研成果，2010年C919正式研發(fā)啟動時，白瑞祥受邀在啟動會上對C919研發(fā)力學(xué)試驗提出建設(shè)性意見；2011年10月，在C919飛機項目結(jié)構(gòu)強度實驗過程管理研討會上，確認(rèn)大連理工大學(xué)成為中國商用飛機有限責(zé)任公司固定合作單位。

一個壁板要貼300-400個應(yīng)變片

在解決C919尾翼、中央翼復(fù)合材料壁板承載強度和安全性能等關(guān)鍵問題方面，雖然白瑞祥團隊基于前期復(fù)合材料結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的校正，給出了幾種標(biāo)準(zhǔn)模塊化程序，但從制作工藝和加工質(zhì)量角度來說，數(shù)值模擬還不能代替實際試驗，因為，實際材料制備中存在各種工藝缺陷，干擾試驗預(yù)期結(jié)果，為此，必須重視試驗研究，因為試驗數(shù)據(jù)對于結(jié)構(gòu)強度失效、剛度失效以及材料損傷演化、界面開裂等行為的研究非常有價值。

為保證從復(fù)合材料壁板各環(huán)節(jié)處獲得詳實、完備有效的實驗數(shù)據(jù)，及時處理不可測原因?qū)е碌囊馔馇闆r，白瑞祥團隊采取在飛機壁板上對危險考驗部位貼大量應(yīng)變片的采集數(shù)據(jù)方法。為不忽略每一可靠數(shù)據(jù)的采集，一個大型壁板就需要采集300-400個通道數(shù)據(jù)，針對C919飛機，一共測試了60多塊壁板。將應(yīng)變片焊接在壁板上需要打磨、清潔，焊端子，引出引線連接到測試儀器上，應(yīng)變片如手指蓋兒大小，非常脆弱，不小心就會被損壞；白瑞祥帶領(lǐng)團隊教師和本科生、碩士生奔赴大飛機各加工基地，在生產(chǎn)線上貼片，在加工車間揮汗如雨。為防止運輸前后應(yīng)變片遭到破壞，每個應(yīng)變片還要作保護措施，防止搬運和長途運輸過程中出現(xiàn)損壞，而且運輸前后都要進行測試，保證每個應(yīng)變片正常。

每一試驗并不是一蹴而，開始需要用替代品，要經(jīng)過多次試驗、論證、評審，在確保萬無一失的情況下再做真正試驗，“只能成功”，白瑞祥說，無論從時間還是從成本上講，都不允許失敗；為此，他們在試前檢查、儀器設(shè)備的精度、加載裝置、夾具精度、操作規(guī)程上都必須作到嚴(yán)格、精準(zhǔn)，不允許有絲毫差池。

創(chuàng)造性設(shè)計杠桿系統(tǒng)

在C919飛機尾翼結(jié)構(gòu)前緣承載能力試驗中，白瑞祥團隊創(chuàng)造性地設(shè)計了加載拉壓墊和分力杠桿系統(tǒng)，使實驗加載具有了更高的精度。他們采用設(shè)計變形協(xié)調(diào)裝置，選取飛機垂尾和平尾的局部結(jié)構(gòu)進行實驗，通過縝密計算，為實驗件施加與整體結(jié)構(gòu)變形相一致的邊界條件和初始條件，保證實驗數(shù)據(jù)與垂尾和平尾的整體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)具有等同性，通過考慮飛機可能經(jīng)歷的高溫飛行環(huán)境，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了變形協(xié)調(diào)、氣動載荷、可控環(huán)境溫度的多場耦合下大飛機承載能力試驗。

他們針對C919飛機尾翼前緣受力特征和幾何形式，設(shè)計了分力加載杠桿，將每個杠桿黏貼在一個拉壓墊上，拉壓墊的另一側(cè)再與前緣處黏結(jié)，對每個杠桿和夾具以進行數(shù)值分析和校核，根據(jù)飛行的不同姿態(tài)和相關(guān)飛行參數(shù)，找出多種氣動載荷危險工況，等效計算出試驗加載數(shù)據(jù)，驗證了C919飛機垂尾和平尾前緣結(jié)構(gòu)的承載能力，評估了結(jié)構(gòu)安全性問題。

試驗在70°高溫下進行，要求復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在加溫和溫度控制中保持恒定，這無論對分布加載系統(tǒng)的可靠性，還是熱力耦合作用下粘結(jié)界面是否脫膠、溫控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的完整有效性等，都是一個考驗。對此，白瑞祥風(fēng)趣地說：“我們進行材料的溫控載荷試驗，要懂物理學(xué)；設(shè)計制作杠桿，又懂機械學(xué)；加載拉壓墊，保證高溫下拉壓墊的黏結(jié)強度，研究黏結(jié)劑的配方及對試驗件的氧化方法，我們又得懂化學(xué)。”

實施全場光試驗監(jiān)測手段

在C919垂尾結(jié)構(gòu)盒段和中央翼盒的復(fù)合材料加筋壁板的破壞模式與承載能力試驗中，白瑞祥團隊通過建立有限元數(shù)值仿真數(shù)據(jù)為實驗方案設(shè)計提供了有力指導(dǎo)；通過試驗為尾翼垂直安定面壁板確定選型，之后，開展了垂尾盒段結(jié)構(gòu)承載能力實驗，并對垂尾盒段與機身的連接方案進行選型論證。

在復(fù)合材料承載能力試驗中，復(fù)合材料加筋壁板會出現(xiàn)屈曲模態(tài)的變化，即出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，從觀察蒙皮鼓包行為中，可分析蒙皮和加筋剛度是否匹配，蒙皮和加筋黏結(jié)界面是否牢固，是否有不合理的屈曲模式引發(fā)結(jié)構(gòu)的早期失效，確定發(fā)生的確切時刻和發(fā)生前后結(jié)構(gòu)的變形行為。

為實時捕捉復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)，防止誘發(fā)不期望破壞模式，在試驗中，除了借助有限元數(shù)值模擬技術(shù)，白瑞祥將光學(xué)形貌測量技術(shù)引入到復(fù)合材料壁板檢測評估的研究中，試驗嘗試全場采用光學(xué)測量手段，創(chuàng)建出電測與光測相結(jié)合的動畫模式，監(jiān)測復(fù)合材料失效發(fā)展過程和捕捉復(fù)合材料的失效環(huán)節(jié)。

光測試驗采集數(shù)據(jù)量龐大，而且，后續(xù)數(shù)據(jù)處理非常辛苦，若電腦一秒鐘記錄下10個圖像，加載一個小時，就有36000個圖像，需要科研人員對大量圖像數(shù)據(jù)進行提取、計算和除燥等，以保證還原實驗件真實效果。白瑞祥回憶說，團隊中主持光測技術(shù)的雷振坤老師因廢寢忘食的工作，導(dǎo)致腸胃病發(fā)作，不得不住院。白瑞祥團隊就是憑借如此精細、大量艱辛的工作，圓滿完成了所承擔(dān)的C919科研工作。為實時捕捉復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)，防止誘發(fā)不期望破壞模式，在試驗中，除了借助有限元數(shù)值模擬技術(shù)，白瑞祥將光學(xué)形貌測量技術(shù)引入到復(fù)合材料壁板檢測評估的研究中，試驗嘗試全場采用光學(xué)測量手段，創(chuàng)建出電測與光測相結(jié)合的動畫模式，監(jiān)測復(fù)合材料失效發(fā)展過程和捕捉復(fù)合材料的失效環(huán)節(jié)。