孙盘滔

摘 要：本文叙述了复合材料等同性试验原理和试验数据处理程序。本文试图通过此等同性试验原理，说明在民用飞机生产中验证使用同一材料、同一工艺由不同制造商生产的产品（或仅在生产厂址转变时）的等同性评估方法。

关键词：复合材料；民用飞机；等同性试验

1 前言

纤维增强聚合物基复合材料（碳纤维增强复合材料为代表）是现代民用航空器主要结构材料之一，以其轻质、高比强度、比刚度、抗疲劳等优异性能及耐腐蚀、可设计、易于成型等特点，已用于机体主结构，并广泛用于各类其他结构，在有些机型上的用量已占结构重量的50%以上，在一些小型轻型飞机上复合材料的用量更高，出现了全复合材料飞机。复合材料用量的多少已经成为衡量飞机先进性的指标之一。因此飞机复合材料结构的使用备受关注。

在飛机复合材料结构中，所使用的复合材料和工艺，需要通过足够的试验和试制以证明设计具有生产可重复性和可靠性。这通常启动一个设计研制计划，在计划中通过试验和分析事先评估结构的性能。在复合材料飞机设计中，为证实复合材料构件的性能与耐久性，一般采用“积木式方法”来进行设计研制试验，以协同分析验证。

在民用飞机设计中，复合材料积木式方法主要用于获得材料的基准值和许用值，确定环境补偿因子和疲劳分散性补偿因子，验证结构的完整性。复合材料试验按照数据应用分为筛选试验、材料鉴定试验、验收试验、等同性试验和结构证实试验。在等同性试验中，用于等同性试验的情况一般分为两种：一种是材料/材料体系发生变化，另外一种是工艺/工艺过程的变化。

在民用飞机设计中，为确保制造商能够制造出具有同最初制造和试验鉴定等价的物理和化学性能的层压板，需要制造商进行此材料的等同性试验。

复合材料等同性评定方法可用尽量少的试验证据证明新/替代材料或者新/改进工艺不会使结构性能（首先是材料性能）发生变化，使结构重新鉴定的工作量降到最少，是复合材料使用方降低制造成本的重要手段。

2 试验方法和数据分析方法

2.1 等同性评定方法

评价复合材料的等同性首先要有一个现有的、已经通过鉴定的比较完整的材料性能数据库。在此数据库的基础上，评价新/替代材料或者新/改进工艺相对于原始鉴定材料/工艺的材料性能的等同性。评价过程通常是通过对其关键的性能与原始鉴定数据库中的数据进行对比，以确定其是否与原始鉴定材料性能等同。等同性试验的规模要能完整地反映待评价材料/工艺的各方面关键性能；同时此试验的规模远小于新材料/工艺的鉴定试验规模。以此达到在显著降低鉴定成本的同时，正确评价新/替代材料或新/改进工艺对于原始鉴定材料/工艺的等同性。

复合材料的等同性试验评价一般分为两种情况，一种是材料/材料体系发生变化，一种是工艺/工艺过程发生变化。

2.2 采用新生产线生产的复合材料等同性评定程序

在复合材料等同性评估中，存在一种情况：在生产中，客户发布成熟的图纸，由供应商进行生产，在这过程中，由于复合材料的鉴定/研发试验是在设计过程中由客户完成，所以存在复合材料产品原材料的材料体系和生产工艺与初始鉴定的材料体系和生产工艺相同，但是生产地点不同的情况，这时需要对新生产线生产的复合材料产品性能与原进行材料鉴定试验用材料的生产线生产的复合材料产品进行等同性评定。此评定一般只进行组分级及单层板级试验。

2.3 数据分析方法—正则化方法

数据正则化方法是试验后的数据处理过程，用于消除试验数据中因纤维局部变化所造成的人为偏差。数据正则化方法是把原始的试验值调整到一个规定的纤维体积含量。数据正则化方法的基础是忽略高纤维含量时品质的影响。纤维体积含量和层压板强度在整个纤维/树脂比例范围内是线性关系，具体为：（1）在整个纤维/树脂比例范围内，纤维体积含量与层压板极限强度之间呈线性关系。（2）在纤维体积含量为0.45-0.65的范围内，认为纤维体积含量与层压板固化后单层厚度之间呈线性关系。

数据正则化方法计算方程如下：

式中：

CPT试样 ——实际试样单层厚度

CPT正则化——相对于纤维体积分数正则化后的单层厚度

在统计检测中，应把初始鉴定中被正则化的那些性能值，与后来材料的正则化的性能比较。且对这两组数据进行正则化的方法应相同。

3 结束语

本试验原理是基于FAA-DOT-AR-03-191《聚合物基复合材料体系的材料认 证（取证）和等同性》文件指导，本试验计划的实施可验证同一材料、同一工艺由不同制造商生产的产品的等同性。该类等同性试验是民用飞机生产中不可或缺的一环，是确保设计有效性的基础。

通过该等同性评估试验，有助于更具体的理解复合材料积木式试验中的等同性试验，也有助于研究复合材料积木式试验中材料筛选试验、材料鉴定试验、结构证实试验等。

参考文献

[1]区焕文，徐稳林，冼定国.等效介质理论在各向同性复合材料的弹性性能上的应用[J].复合材料学报，1994，11（1）：49-58.

（作者单位：中航沈飞民用飞机有限责任公司 工程研发中心）