杨晓东，郝 林

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

基金项目：民用飞机专项科研项目(MJ-2017-F-20)

作者简介：杨晓东（1986—），男，高级工程师，博士，主要研究方向为民用飞机结构强度设计，yangxiaodong@comac.cc.

摘要：复合材料许用值的确定是复合材料结构设计的基础，通常需要通过大量试验来获得。提出了民机复合材料层压板结构强度许用值的渐进损伤模拟计算方法，并通过实例计算，且与试验结果对比验证，表明该方法可用于复合材料强度计算研究和复合材料试验预估等，将大大节省试验经费，并加速复合材料结构研发进程。

关键词：民机；强度许用值；渐进失效

中图分类号：V222    文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)05-0067-05

复合材料由于其具有优异的材料性能在航空界的应用已越来越普及，现今复合材料的使用率已经成为民机先进性的评判指标之一。复合材料结构比金属材料结构复杂，其材料性能的确定、材料结构的设计和强度分析都为民机设计工程师带来了更多的挑战。复合材料许用值的确定是其结构设计的基础，通常需要通过大量试验才能获得，耗费大量金钱、人力和时间。若能通过准确的复合材料仿真模拟方法，对各种典型复合材料结构进行虚拟加载试验获取其许用值，将大大节省试验件数量及经费，从而加速复合材料结构设计进程。

本文提出了民机复合材料层压板结构强度许用值的渐进损伤模拟计算方法，通过实例计算并与试验结果对比验证，表明该方法可用于复合材料强度计算研究和复合材料试验预估等。

1 复合材料层压板力学性能

1.1 多向层压板刚度性能

复合材料结构的基本单元是多向层压板，多向层压板的力学性能取决于单层板的性能。单层板的性能通常采用标准试验测试获得。多向层压板的刚度性能可以通过单层板的刚度、厚度、层数和铺层比例等参数计算得到，也可以通过简单的线性有限元建模计算测得。

1.2 多向层压板强度性能

由于纤维增强复合材料具有不均匀性和各向异性等特点，其损伤机理和损伤演化过程异常复杂，因此给复合材料强度性能研究工作带来了很大的难度。

从宏观角度看，层压板有4种损伤失效模式：基体开裂（matrix cracking）、纤维断裂（fiber fracture）、纤维与基体界面脱胶开裂（interfacial debonding）和分层（delamination）。在工程应用领域中，各种损伤失效可能单独存在，也有可能几种损伤失效同时存在。

层压板失效是一个复杂的渐进的过程。在受到外载荷加载初期，复合材料的薄弱部位会出现某种形式的损伤，从而引起载荷的重新分配，但是在宏观上可能并不会表现出来。随着载荷的增加，损伤不断积累并引起复合材料性能不断退化和承载能力不断降低，直至整个层压板被破坏。渐进失效分析（progressive failure model, PFM）方法通过材料性能退化模型考虑了局部损伤，能更好地模拟复合材料层压板的破坏机理、损伤的相互作用及扩展过程和最终失效载荷。因此，本文采用渐进失效分析方法，预测和模拟纤维增强复合材料层压板的强度性能。