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大连理工大学团队承担5项课题助力C919首飞
来源:央广网  2017-05-08 15:05:55
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=246&news_id=4765
     我国自主研制的国产大型客机C919首飞,托举着中国几代航空人的梦想翱翔蓝天。这是我国航空科技史上的一次集成创新。大连理工大学工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室白瑞祥团队先后承担并圆满完成了C919加筋壁板结构、垂尾盒段结构以及尾翼前缘抗鸟撞等结构的承载能力检测和力学性能计算评估等5项课题。2015年11月2日,国产大型客机C919首架机正式下线,之后,团队又迅速投身于宽体客机的预研工作中,在机身复合材料结构的制备工艺与基本力学性能评估和提高复合材料加筋壁板的承载性能等方面开展了研究。10年磨一剑,团队取得了重要科研成果。
 
     国产客机的研制,关键之一是提高先进材料应用水平。复合材料用量是民用客机先进性的重要标志,国外飞机行业发展趋势是大幅度提高复合材料的应用率以实现减重和提高飞机性能。而国产大飞机C919在复合材料应用上,面临着国内基础能力薄弱和适航认证无经验等一系列巨大困难,很大的原因在于我国缺乏大尺度复合材料结构破坏机理和破坏模式的理论和试验分析数据,给复合材料大飞机结构的设计和制备带来困难,致使C919复合材料结构研发制造的每一步突破和适航认证的每一步成功探索都很艰难,因此,自主研发大型复合材料结构,是一项艰巨而长期的庞大工程,从而更加显示大连理工大学白瑞祥团队所取得的历史性成果的重要性和来之不易。

     为C919建设复合材料破坏机理与结构数据库
 
     研究团队针对大型复合材料构件试验需求,进行了大吨位大尺寸加载系统、承力系统和电测系统的建设,开展了材料级、结构级、部件级三级的大飞机复合材料结构破坏机理研究,并开发数值分析模型和软件,指导、校正实际试验,建立了飞机典型复合材料结构的破坏行为数据库。
 
     这项研发早在2008年就开始,当时团队受邀承担了上海飞机设计研究院ARJ支线客机复合材料研发的两个课题项目,团队由白瑞祥带领的复合材料力学课题组和雷振坤老师带领的光测力学课题组组成,课题成果对研发C919具有重要参考价值;鉴于团队的科研成果,2010年C919正式研发启动时,白瑞祥受邀在启动会上对C919研发力学试验提出建设性意见;2011年10月,在C919飞机项目结构强度实验过程管理研讨会上,确认大连理工大学成为中国商用飞机有限责任公司固定合作单位。
 
     一个壁板要贴300-400个应变片
 
     白瑞祥团队解决了C919尾翼、中央翼复合材料壁板承载强度和安全性能等关键问题。虽然团队基于前期复合材料结构数据库的校正,给出了几种标准模块化程序,但从制作工艺和加工质量角度来说,数值模拟还不能代替实际试验,因为,实际材料制备中存在各种工艺缺陷,干扰试验预期结果,为此,必须重视试验研究,因为试验数据对于结构强度失效、刚度失效以及材料损伤演化、界面开裂等行为的研究非常有价值。
 
     为保证从复合材料壁板各环节处获得详实、完备有效的实验数据,及时处理不可测原因导致的意外情况,研究团队采取在飞机壁板上对危险考验部位贴大量应变片的采集数据方法。
 
     每一试验并不是一蹴而就,开始需要用替代品,要经过多次试验、论证、评审,在确保万无一失的情况下再做真正试验。“只能成功”,白瑞祥说,无论从时间还是从成本上讲,都不允许失败;为此,他们在试前检查、仪器设备的精度、加载装置、夹具精度,而且,操作规程都必须作到严格、精准,不允许有丝毫差池。
 
     为不忽略每一可靠数据的采集,一个大型壁板就需要采集300-400个通道数据,针对C919飞机,一共测试了60多块壁板,也就是要贴1.8万-2.4万个应变片。更不容易的是,将应变片焊接在壁板上需要打磨、清洁,焊端子,引出引线连接到测试仪器上,应变片如手指盖儿大小,非常脆弱,不小心就会被损坏。白瑞祥和雷振坤带领团队教师和几名硕士生、本科生奔赴大飞机各加工基地,在生产线上贴片,在加工车间挥汗如雨。为防止运输前后应变片遭到破坏,每个应变片还要作保护措施,防止搬运和长途运输过程中出现损坏,而且运输前后都要进行测试,保证每个应变片性能完好无损。
 
     创造性设计杠杆系统
 
     在C919飞机尾翼结构前缘承载能力试验中,团队创造性地设计了加载拉压垫和分力杠杆系统,使实验加载具有更高的精度。他们采用设计变形协调装置,选取飞机垂尾和平尾的局部结构进行实验,在国内首次实现了变形协调、气动载荷、可控环境温度的多场耦合下大飞机承载能力试验。
 
     他们针对C919飞机尾翼前缘受力特征和几何形式,设计了分力加载杠杆,将每个杠杆黏贴在一个拉压垫上,拉压垫的另一侧再与前缘处黏结,对每个杠杆和夹具进行数值分析和校核,根据飞行的不同姿态和相关飞行参数,找出多种气动载荷危险工况,等效计算出试验加载数据,验证了C919飞机垂尾和平尾前缘结构的承载能力,评估了结构安全性问题。能攻下这个难关,雷振坤老师说:“必须要有良好的科研作风,所有操作必须严格按着规程进行,每一个细节都要有记录,都要有责任人。”
 
     试验在70°高温下进行,要求复合材料结构在加温和温度控制中保持恒定,这无论对分布加载系统的可靠性,还是热力耦合作用下粘结界面是否脱胶、温控系统的稳定性和电测系统及数据的完整有效性等,都是一个考验。对此,白瑞祥风趣地说:“我们进行材料的温控载荷试验,要懂物理学;设计制作杠杆,还得懂机械学;设计加载拉压垫,保证高温下拉压垫的黏结强度,研究黏结剂的配方及对试验件的氧化方法,我们又得懂化学。”
 
     实施全场的光学测量手段
 
     在C919垂尾结构盒段和中央翼盒的复合材料加筋壁板的破坏模式与承载能力试验中,白瑞祥团队所建立有限元数值仿真数据为实验方案设计提供了有力指导。通过试验为尾翼垂直安定面壁板确定选型,开展了垂尾盒段结构承载能力实验,并对垂尾盒段与机身的连接方案进行选型论证。
 
     在复合材料承载能力试验中,复合材料加筋壁板会出现屈曲模态的变化,即出现鼓包现象,从观察蒙皮鼓包行为中,可分析蒙皮和加筋刚度是否匹配,蒙皮和加筋黏结界面是否牢固,是否有不合理的屈曲模式引发结构的早期失效,确定发生的确切时刻和发生前后结构的变形行为。
 
     为实时捕捉复合材料壁板结构的屈曲模态,防止诱发不期望破坏模式,在试验中,采用有限元数值模拟技术和光学形貌测量技术相结合、电测与光测相结合的模式来监测复合材料失效发展过程和捕捉复合材料的失效环节。雷振坤十几年潜心研究的光测实验技术发挥出了独特的优势,他还将复合材料屈曲检测方面的技术成果应用于大飞机金属激光焊接壁板的检测中,丰富了团队的研究成果。
 
     光测试验采集数据量庞大,而且,后续数据处理非常辛苦,若电脑一秒钟记录下10个图像,加载一个小时,就有36000个图像,需要科研人员对大量图像数据进行提取、计算和除燥等,以保证还原实验件真实效果。雷振坤老师因废寝忘食的工作,导致肠胃病发作,不得不住院。白瑞祥团队就是凭借如此精细、大量艰辛的工作,圆满完成了所承担的C919科研工作。
 
     科研团队为航空事业培养优秀人才
 
     白瑞祥团队不仅为我国航空事业发展作出了贡献,而且还在科研攻关中培养了优秀学生,他们毕业后被中国商飞设计研发中心录用,继续在C919研发岗位挥洒青春和汗水。毕业生刘亚沣,在研究生阶段,就参与了多项C919复合材料结构的课题研究,其中,尾翼前缘抗鸟撞结构的承载能力试验是验证C919先进结构设计的关键性试验,其技术复杂程度和综合性对高校实验室来说是一个巨大的考验,在白瑞祥导师和雷振坤等老师的指导下,他出色得完成了试验任务。
 
     刘亚沣参加工作后,深入C919研发一线,负责C919重要部段复合材料垂尾的相关结构设计工作,完善设计并长期工作在生产制造现场,联合工艺共同攻关,保障了C919复合材料垂尾的顺利交付,力保C919的成功首飞。在C919设计研发一线,同样肩负重任的还有来自大工工程力学系的陈峰、栾涛和钟文亮等优秀毕业生,在全机系统支架设计、吊挂强度设计和机头强度设计等岗位,勇挑重任,一起构筑C919的“脊梁”,为中国民机研发事业挥洒着汗水。
文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=246&news_id=4765