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谈eVTOL复合材料结构

2022-04-09

       如果你搭乘一趟由波音787执飞的航班出行,除了可以关注炫酷的变色玻璃窗外,你可能也感兴趣知道,这架能够容纳300多人的飞机约一半的结构是使用复合材料制造的。

 

波音787结构材料

 

        或许复合材料在你听起来有一些陌生,但实际上,除了航空航天等高端制造业,与我们生活相关的,大到风电叶片、汽车结构,小到自行车、羽毛球拍、钓鱼竿都能见到复合材料的影子。

那么,为什么复合材料在越来越多的场景得到应用?

先说结论,简单来说,因为它质量轻、强度高。

eVTOL(电动垂直起降)飞行器作为新兴的交通出行载体,对飞行器的结构重量有着严苛的要求。这也导致现今市面上能看到的所有eVTOL企业,几乎无一例外的使用复合材料作为主要的机体结构。

 

 

复合材料结构

 

复合材料结构与金属结构相比,绝不仅仅只是简单的轻一些。事实上,这两种材料有着迥异的性能表现。

以航空业常使用的铝合金材料为例,业内人经常说的“2系”或者“7系”铝合金,实际上是铝金属中添加了不同比例的合金金属(铜、锌、镁等),从而表现出不同的力学特性(如果你买的产品号称使用航空铝,一般也就是这两个系列的铝合金)。

但,无论怎么调配,铝合金都是一种韧性材料,有着明显的屈服特性;而飞机结构常使用的碳纤维复合材料则是脆性材料,在应力-应变图中我们能够明显看出两种材料的区别。

 

                                

 

 应力-应变示意图

 

 不同的材料特性造成金属和复合材料有着不一样的力学性能。

一般来说,金属结构有着较高的疲劳敏感性,破坏形式的具体表现,就是由于重复的载荷引起疲劳断裂。这些重复的载荷远小于结构设计所能承受的极限情况,但在这些载荷周而复始的交变作用下,金属结构内部萌生了细小的裂纹——也有可能原本就存在微小的缺陷。随着损伤的累积,这些裂纹/缺陷开始扩展,金属结构的强度也不断下降,直到某一次载荷超过了剩余强度,结构就会发生破坏。

举个简单的例子,一段铁丝想要徒手拉断,不考虑超能力的情况下一般人往往很难办到,但只要我们不断将铁丝反复弯折,很快就可以将其折断。

如果放到尺寸相对较大的金属结构上来说,一次次的飞行使得金属结构不断受到反复的拉/压应力,如果飞行的次数够多,裂纹总有一天开始萌生并扩展。

实际上,现代飞机由于金属结构静强度而引起的问题几乎很少见,大多数都是疲劳耐久性问题,好在这一现象以现在的技术水平是可以预测的。

所以,飞机也是有寿命的,为了保证乘客和货物的安全,工程师们会根据材料的固有特性(S-N曲线/裂纹扩展速率曲线)计算出这些裂纹萌生到失效可承受的载荷循环次数,并给定足够的分散系数来确定飞机的寿命。此外,工程师们还会制定合理的检查周期,在飞机服役过程中,对不同部位安排各种各样手段的检查,以确保及时发现并消除这些潜在的裂纹对飞机的威胁。

 

 

2024铝合金S-N曲线

 

这里补充一个知识点

民用飞机设计寿命通常在20年以上,某种程度上可以认为越新的飞机越安全(机龄低),检查维护保养越好的飞机越安全(正规航空公司)。

 复合材料众所周知的特点是轻。碳纤维复合材料结构的密度通常在1.6g/cm3以下,而航空常用的金属中,铝合金密度为2.7 g/cm3,钢的密度为7.8g/cm3。虽然密度小,但复合材料在强度方面却一点都不弱,甚至表现更佳。目前T700级的碳纤维单向预浸带拉伸强度可以达到2500MPa,作为对比,强度较高的7075铝合金拉伸强度约530MPa,而航空用不锈钢17-7PH的拉伸强度也不过1200MPa左右。要知道,生活中常见的304不锈钢,拉伸强度只有520MPa。

们都知道金属为各向同性材料,复合材料为各向异性材料。通俗的说,金属制成的结构,在不同方向的强度性能几乎相同(实际金属材料由于工艺特性,不同方向力学性能也可能略有差异),而复合材料在各个方向的力学性能与设计有直接关系。

通常情况下,飞行器不同部位的结构在飞行过程中受载形式比较一致,这就意味着工程师完全可以利用复合材料这种可设计的特点,将重量使用到最有利的方向和位置,达到结构优化的设计目的,节省更多的重量空间来提供载重。

复合材料结构相对比于金属结构,除了重量优势外,还有着较优异的抗疲劳特性。经过合理设计后的复合材料结构,一般在寿命期内很难观察到损伤在疲劳载荷下的扩展,相对比其他设备的老化,几乎可以做到全寿命周期内不需要维修和更换。

 

硬币总有两面

硬币总有两面。复合材料虽然在重量和抗疲劳方面表现优秀,但对损伤的静强度敏感性远高于金属材料。通俗点解释,一块金属蒙皮,上面打几个钉孔对结构的静强度几乎没有太大影响,但如果它是复合材料结构,影响可能超出你的想象——相对于无损结构,含损伤的复合材料结构许用值可能下降一半以上!

湿热环境也是一个问题。我们知道,飞行器不是烧水壶,正常使用情况下,一般结构温度不会超过几十度,这点温度对于金属来说完全不是什么问题。但复合材料结构天生五行缺陷,既怕水又怕火,错了,是对温度湿度敏感,在不同的温度湿度下,不同的力学性能会有不同的改变。变好我们自然是欢迎的,但如果变坏,我们也必须充分了解。

除了上述特点外,复合材料结构与金属结构之间还有许多的差异点。抗腐蚀性、分散性、导电性、低能量冲击、玻璃化转变温度、迟滞效应……

 

 

复合材料的温湿度影响

关于适航

 前面介绍了这么多复合材料的优点,那么问题来了,怎么在飞行器上安全的使用复合材料结构呢?这就绕不开航空人最熟悉的词汇——适航“适航指的是航空器适宜于空中飞行的性质及该航空器在预期的运行环境和使用限制下的安全性和物理完整性的一种品质”。

 

 

适航活动

 

我们今天能够搭乘的所有航空公司的飞机都经过了适航认证,这是适航当局为保证乘员的安全性对所有运营的飞行器提出的设计要求。我们经常会听说,航空是最安全的出行方式,这份安全来自于适航当局、航空业对适航认证的严谨态度和对生命的敬畏。

eVTOL想要最终走入我们的生活,自然也少不了适航认证的过程。

对于复合材料结构来说,航空业使用了几十年,自然已经形成了一套较为规范的适航符合性认证方法,这就是FAA于2009年颁布的AC 20-107B:Composite Aircraft Structure。文件页数虽然不多,但对大多数人来说也确实是无趣,下面挑几个关键词给大家介绍一下。

 

关于积木试验方法

Building Block Approach

这个名字比较形象,复合材料的这个试验验证方法就像搭积木一样,底层的试验数量多,考虑因素全面,通过逐步增加试件复杂水平和程度,逐步增大试件尺寸和规模的作法进行分析和试验验证,能够保证工程项目的研究质量和最终的成功。这种试验方法逻辑清晰,层层递进,直到全机结构强度的验证,为航空业所认可,有时候也被叫作金字塔试验。

 

积木式试验验证示意图

 

试验的最底层是材料性能试验,这些试验数据用于建立复合材料的材料规范。我们今天使用金属材料,例如是7075-T651铝合金,不需要做额外的试验就可以立刻知道材料的弹性模量、泊松比、强度等数据,这是因为这些材料遵循着统一的材料规范生产,正规供应商提供的出厂合格的材料,拿到我们手中自然也会达到同样的性能,而且分散性较低。复合材料则不然,且不说不同碳丝和不同配比的树脂,即使你买的同一款预浸料,不同的工艺方法、不同的设计方式、不同的制件工厂都可能生产出完全不一样的复合材料产品,这就是我们常说的金属材料是从结构开始设计,复合材料是从材料开始设计。

 

复合材料积木式试验

 

再往上就是试样级试验,这些数据主要是为了获得材料许用值。常规的拉压剪强度就不多说了,刚才提到了复合材料对损伤的敏感性,这里就要靠试验来测量到底含损伤的结构有多少的强度,常用的试验包含开孔试验、充填孔试验、低能冲击试验等,这些试验项目的设置自然都是实际结构可能遇到的情况。

有必要提一下这里的低能冲击试验由于目前使用的复合材料都是一层一层铺设而成,这会造成结构在受到各种外来物的低能量冲击时,表面留下一个较浅的凹坑,目视很难发现,但复合材料结构内部却可能发生了纤维断裂、基体分层等损伤,使得复合材料的力学性能显著下降。这种损伤如同家里的蟑螂,最怕的是看不到的。所以为了在设计时能够涵盖住这些意外的发生,工程师在选取材料设计值时会综合考虑这些可能出现的损伤情况,用最安全的数值进行设计。

试样级往上还有元件级、次部件级试验,通过这些试验后,我们基本就可以搞清楚飞机各个部位的结构的状态,最终通过全尺寸的飞机结构强度试验来完成验证。

 

关于“损伤”

前面反复提到了一个词——“损伤”,这里再展开讲一点

大多数情况下,我们都难以避免结构中出现损伤。它可能来源于材料的缺陷、可能是制造过程中的一个瑕疵、可能是加工过程中的一个纰漏、可能是使用过程中的开裂,甚至,是赶上了一场突如其来的冰雹……

 

生活教会我们,无法避免就要学会与其共存,这也是当前航空业理论“损伤容限 ( Damage Tolerance)”。

损伤容限从字面意思上理解,就是结构出现损伤破坏后,仍然维持所需强度的能力。实际上,无论是对于金属结构还是复合材料结构,损伤容限都是一个重要的考虑。当然,由于材料本身的区别,两者基于的理论方法并不相似,对于复合材料结构,AC 20-107B中给出了五种损伤的分类,对应着不同的要求。

 

损伤分类

 

第一类损伤叫做“勉强目视可见损伤(BVID)”

这个词第一次听说容易让人理解不能。实际上它指的是一个门槛值,可以理解为,在目视检查的手段下,能够发现的最小损伤尺寸,在大多数语境里,我们说到BVID,其实是指小于等于这一门槛值的损伤。基于刚才提到的“最怕看不到”原则,这类损伤被默认为存在于复合材料结构中,为了在这种情况下仍然保证较高的安全性,FAA要求飞机在极限载荷下,设计要涵盖住所有的BVID。极限载荷是飞机可能遭受的最大载荷情况再乘以了一个安全系数,可以认为给与了结构足够的容错空间,这也解释了为什么我们要花大力气去测试含损伤的材料许用值,就是为了满足这种底线思维。

第二类损伤叫做目视可见损伤VID

有了刚才的介绍这里就比较容易理解。一开始我就提到,工程师会在飞行器服役过程中安排足够多次的检查程序,一旦损伤大到可检查的程度,我们自然可以对其进行维修和更换。在这种损伤下,我们需要保证结构强度能够在一个检查周期内都不会发生破坏,当然同样需要考虑分散系数,以保证在下次检修期到来前飞机仍然是安全的。

第三类损伤叫做易检损伤,也叫作LVID

这种损伤更大了,大到机组、地勤或是乘客能够比较容易的就发现。这种损伤下,飞机肯定是要马上返修的,鉴于损伤足够大,能够较快的被发现,结构强度只要满足能够承担限制载荷就足够了,要知道,限制载荷已经是飞机可能遭受的最大载荷,也就是这种损伤下结构强度仍然留有足够的裕度。所以下次坐飞机起飞降落时,一定记得把遮光板打开,你也是守护航空安全的一份子哦。

第四类损伤叫做离散源损伤

这种事件发生概率较低,而且并不能很好的预测,例如鸟撞、强烈的雷击或冰雹等。一旦遭遇,赶紧找安全地方降落。当然,这种情况下就不能指望飞行员再带你飞一个“眼镜蛇”、“落叶飘”动作了,要做的就是尽快平稳小心的飞到最近的降落点,从强度上讲就是要求结构仍能承受回程载荷。

当然,人力终有穷,天道终有定,除了这四类损伤外还有可能出现一些离奇的意外,这样的损伤我们也应该适当考虑。

 

结语

好了,这次就跟大家分享这些。飞行器设计不是一个简单的事情,任何一个条款要求、技术点的背后可能都是前人多年的总结以及无数次的事故累积下来的经验,都值得我们好好分析、研究。

各位伙伴如果有感兴趣的话题,也欢迎给我留言,在之后的日子里我们一起探讨、交流,共同进步,后续我和我的同事会以更简单明了的方式向大家讲解相关知识。

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