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航空强度“积木式”验证体系:千锤百炼 保驾护航

2020-08-01

“积木式”验证体系一般分4级进行

“积木式”验证体系一般分4级进行

积木式验证体系

积木式验证体系

11月,第十二届中国航展在社会上掀起了航空航天热潮,期间大运飞机再次成为了焦点,赚足了关注的目光。而7月底在央视中文国际频道(CCTV4)“国家记忆”栏目首播的专题纪录片《大国鲲鹏》,则真实再现了大运飞机研制的全过程,展现了我国发展的新成就。作为大运飞机重要的参研单位——航空工业强度所也在片中多次出镜,尤其涉及的破坏、鸟撞等强度试验,更是因其重要性和观赏性,引起了社会大众的广泛关注与热议。

强度所作为我国唯一的航空强度研究和验证中心,建所53年来始终坚守航空报国初心,牢记航空强国使命,完成了国内研制、改型和引进的几乎所有军民用飞机的强度验证工作,为保障型号的首飞、设计定型、列装部队做出了重要贡献,强度验证工作已成为飞机研制过程“设计、制造、试验、试飞”四大环节中不可或缺的“第三棒”。在大运研制中,强度所科学构建了国际一流的航空强度“积木式”验证体系,按照这个体系要求,强度所需要完成13000多个元件试验、140个组件试验、14个部件试验、3架次全机试验,要获得上万个精确的性能数据,才能为大运进入实战领域奠定扎实的基础。下面,我们就以大运为例,为大家详细介绍航空强度“积木式”验证体系。

什么是航空强度“积木式”验证体系

航空强度“积木式”验证体系的概念最早是针对复合材料结构强度验证提出的,由于对复合材料飞机结构的验证仅通过全尺寸结构试验通常是不完整的,比如包含复合材料的全尺寸静强度试验一般只能在室温大气环境下进行,并采用环境补偿系数法来考核其能否满足静强度要求。但为了获取环境补偿系数,并保证全尺寸结构在室温大气环境下得到的破坏模式与湿热环境下相同,这就需要开展大量的试样、元件(包括典型结构件)、组合件、部件等不同级别的试验来证实。《GJB67.14军用飞机强度和刚度规范——复合材料结构》中就明确要求采用“积木式”的设计和验证试验方法。实际上,无论是复合材料结构还是金属材料结构,都需要按照“积木式”的思想来进行设计和验证(见下图)。

“积木式”验证体系是在验证过程中采用逐步增大试验件尺寸和复杂程度,逐步增加试验规模进行试验验证,一般多采用低成本的小试验件试验,只需要较少量高成本的部件和全尺寸试验件试验,其主要目的是在满足全部技术、规范要求和客户需求的前提下,尽早发现和评估技术风险,降低研制成本、减小试验风险,有助于最后通过工程项目的鉴定验收或适航审定。

“积木式”验证体系贯穿飞机研制全过程,主要试验类型包括静强度、动强度、耐久性/损伤容限试验等。它提供了一个系统的试验与分析迭代,从飞机材料的单层级直达全尺寸结构验证,充分验证了飞机的安全性和可靠性,有力保障了飞机的研制与验证。

元件级试验

元件级试验位于整个“积木式”验证体系的最底层,是体系的“基石”。元件级试验一个显著的特点是试验数量特别巨大(数以万计)、种类特别繁多(多达数十种)。试样试验用于建立材料许用值,元件试验主要用于建立飞机设计过程中至关重要的设计值。材料许用值是在大量试样试验数据基础上,统计分析后确定的具有一定置信度和可靠度的材料性能表征值。设计值是为保证整个飞机结构的完整性要求,在材料许用值和代表结构典型特征的元件试验结果及设计与使用经验基础上确定的设计限制值。设计值的大小直接影响着飞机的安全性和经济性。

强度所元件试验能力

强度所是国内首个建立能满足军机规范及民机适航要求的聚合物基复合材料力学性能表征体系,具有国内唯一系统、全面掌握整套聚合物基复合材料力学性能测试技术(ASTM、SACMA、国标、航标)的试验室,可满足聚合物基复合材料全套标准体系静强度试验的需求。

强度所拥有各类先进的疲劳试验机和损伤检测设备,具备在低温-70℃~1100℃等不同环境条件和交变温度下进行材料及结构力学性能测试的能力,具备材料及结构湿热、热冲击、热循环、老化、紫外等耐环境试验能力。

大运元件类试验情况

大运飞机研制过程中,强度所主要承担了包括机翼、垂尾、平尾、整流罩等多部位多种材料体系的共计几十项的复合材料元件级试验任务,试验件数量达到一万余件,涉及新材料研发、材料筛选、材料鉴定和材料国产化多个方面。

湿热和低温环境是复合材料结构面临的主要环境威胁。强度所进行了大运多个部位多种材料体系的湿热环境和低温试验,试验数量达数千件。在大量试验数据统计基础上,验证了大运飞机所用材料和典型结构在极端环境下的安全性,建立了大运飞机复合材料的材料许用值和设计许用值,为大运飞机材料的筛选、验收和结构设计提供了规范可靠的基本力学性能数据。

针对大运项目元件级静强度试验件数量大、试验类型多、时间节点紧、技术难度大,且与其它型号、预研项目交叉并行的特点,强度所成立专项试验团队,进行技术攻关,专注技术创新,以创新带动技术水平提升,以技术实力提高工作效率和质量。创新设计了一系列试验夹具、对中装置、辅助安装装置,精细规范每一步试验流程,最大限度降低试验过程中的人为误差和设备误差,充分保障了每一个试验数据的准确性和可靠性。损伤引入是耐久性/损伤容限试验的一个重要环节,在耐久性/损伤容限试验中,针对过去损伤引入设备可靠性差、冲击定位和能量精度不高的问题,强度所开发/改进了系列化损伤引入设备——标准冲击试验台、便携式冲击枪、便携式弹簧枪,可满足从元件级到全机试验的冲击损伤,大大提升了冲击损伤引入的可靠性和稳定性,有力保障了耐久性/损伤容限试验的质量。整个项目共完成新研和改进试验夹具25余套,申报专利6项,编制/修订国家和行业标准8份,用技术实力保证了试验的圆满完成。此外,强度所还承担了大量的金属元件级试验任务,为大运结构的设计和制造提供了最基础的设计参数和依据。

“九层之台,起于累土”,航空工业强度所不驰于空想,不骛于虚声,持续努力、久久为功,一步一个脚印坚定不移前行,以数以万计的材料性能数据构建起了科学、详尽的大运复合材料数据体系,为大运复合材料结构的设计和制造提供了最基础的设计参数和依据,为大运的腾飞贡献了卓越的强度力量。


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