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他们为国产大飞机的复合材料把关,大工团队助力大飞机展翅翱翔

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通讯员吕东光 本报记者栾光煜

吕东光 本报记者 陈 瑜

▲白瑞祥团队凭借大量艰辛的工作,圆满完成了所承担的C919科研工作。

www.4166com,昨日,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。你知道吗,这其中可是有咱大连高校科研团队的功劳!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。10年磨一剑,团队取得了重要科研成果。

刚刚过去的20多天里,我国大型民用飞机发展史上发生了两件标志性事件:国产大型客机C919成功首飞,C929宽体客机进入实质运行阶段。

文/本报记者栾光煜 通讯员吕东光

建立复合材料破坏行为数据库

让大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室白瑞祥教授高兴的是,这两件大事都和自己的团队有关。回顾以往,白瑞祥团队历经10年先后成功完成了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,让实验室成果走出象牙塔。

图/由受访者提供

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。

如今团队又迅速投身于宽体客机的预研工作中,在为机身复合材料结构的制备工艺与基本力学性能评估、提高复合材料加筋壁板的承载性能等方面继续开展研究。

近日,我国自主研制的首架国产大型客机C919载着全国人民的骄傲和自豪正式下线,这是我国航空科技史上的一次集成创新,凝聚着广大工程技术人员和科技工作者的汗水和智慧,这其中也有大连理工大学运载工程与力学学部白瑞祥教授团队的一份贡献——他们承担了C919垂尾结构盒段试验,C919飞机中央翼复合材料下壁板参数选型试验,C919飞机垂直安定面壁板选型试验,C919飞机尾翼混杂结构前缘承载能力试验,最终在多项研究中突破瓶颈,取得喜人的成果。

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。

研制国产客机,关键之一是提高先进材料应用水平。复合材料用量是判断民用客机先进性的重要标志,在复合材料应用方面,国产客机面临着国内基础能力薄弱、无适航认证经验等一系列巨大困难,究其原因,是因为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,这给大飞机复合材料的设计和制备带来困难。

突破大飞机复合材料相关研究瓶颈

一个壁板要贴300~400个应变片

自主研发大型复合材料,是一项艰巨而长期的大工程。2008年,白瑞祥带领的复合材料力学课题组和雷振坤教授带领的光测力学课题组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,2011年10月,大连理工大学被确认为中国商用飞机有限责任公司固定合作单位。

国产客机的研制,关键之一是提高先进材料应用水平。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,由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及试验分析数据,给复合材料大飞机结构的设计和制备带来困难。

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。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。

白瑞祥介绍,针对大型复合材料构件试验需求,研究团队创建了大吨位大尺寸加载系统、承力系统和电测系统,开展了材料级、结构级、部件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,成功解决了尾翼复合材料壁板承载强度和安全性能等关键问题,建立了针对飞机典型复合材料结构的破坏行为数据库。

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,白瑞祥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。

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。

为确保从复合材料壁板各环节处获得详实、完备有效的实验数据,研究团队采取在飞机壁板关键部位贴大量应变片的采集数据方法。一个大型壁板就需要采集300—400个通道数据,白瑞祥和团队一共测试了60多块壁板,贴了1.8万—2.4万个应变片。白瑞祥和雷振坤带领团队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。

这项科技研发早在2008年就开始,当时白瑞祥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:复合材料典型部件的虚拟试验系统研究,复合材料整体化壁板识别和检测方案,成功实施了分层次的复合材料结构力学试验。得到的实验数据和总结的关键实验技术,对ARJ支线客机和C919客机的研发具有重要参考价值,同时,编制了针对大飞机试验的试验流程管理和质量体系管理规范。

创造性设计杠杆系统

试验飞机尾翼结构前缘承载能力时,需要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。为此,团队创造性地设计了分力加载拉压垫和分

鉴于白瑞祥的科研成果,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。

团队针对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。”

力杠杆系统,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,从而对每个杠杆和夹具进行数值分析和校核。试验在70摄氏度的高温下进行,这对分布加载系统的可靠性,热力耦合作用下黏结界面的稳定性和电测系统及数据的完整有效性,都是一个考验。最终,团队成功实施了多场耦合下大飞机承载能力试验,不仅验证了飞机垂尾和平尾前缘结构的承载能力,还评估了结构安全性问题。

物理、化学、机械样样都得通

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黏结界面是否脱胶、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。”

对此,白瑞祥风趣地说:“做这项试验,比如关于材料的温控载荷,我们要懂物理学;设计制作杠杆,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。”

在C919飞机尾翼结构前缘承载能力试验中,白瑞祥团队创造性地设计了加载拉压垫和分力杠杆系统,使实验加载具有了更高的精度。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,通过缜密计算,为实验件施加与整体结构变形相一致的边界条件和初始条件,保证实验数据与垂尾和平尾的整体结构数据具有等同性,通过考虑飞机可能经历的高温飞行环境,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。

实施全场的光学测量手段

除了以上工作,团队还对大飞机垂尾结构盒段部分的复合材料进行了加筋壁板的破坏模式与承载能力试验。试验的内容在于实时捕捉复合材料壁板结构的屈曲模态,即鼓包现象,防止不期望破坏模式。对此,团队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方法,监测复合材料失效发展过程和复合材料的失效环节。

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,对每个杠杆和夹具以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。

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。

试验中,雷振坤潜心十几年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,科研人员需要对大量图像数据进行逐一提取、计算和除燥等,以保证还原试验件真实效果。

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黏结界面是否脱胶、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。

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。

正是凭借如此精细、艰辛的工作,白瑞祥团队圆满完成了所承担的C919科研工作,并在科研攻关中培养了一批优秀学生,一些毕业生如今被中国商飞设计研发中心录用,继续在大型客机研发岗位挥洒青春和汗水。

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,又要懂机械学;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。”

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。

“在光测试验中,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。”白瑞祥回忆说,团队中主持光测技术的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。

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