引文：復合材料的"積木試驗"是一種用于驗證復合材料結構強度和穩(wěn)定性的系統(tǒng)方法。積木式驗證體系最早是針對復合材料結構強度驗證提出的，旨在通過逐步增大試驗件尺寸和復雜程度來進行試驗驗證。它包括從材料單層級到全尺寸結構驗證的系統(tǒng)試驗與分析迭代，確保飛機的安全性和可靠性。驗證體系一般分為元件級試驗、組件級試驗、部件級試驗和全機試驗四個層次。

1、復合材料之“積木試驗”

結構件主要承受以下四種載荷：拉伸、壓縮、剪切和彎曲。對于槳葉這種復合材料結構件，通常采用積木式試驗流程，來確定其性能能否滿足要求。

“積木式”方法：

基于一系列復雜程度逐漸增加的試驗件，通過分析和驗證試驗，來可靠地確定復合材料結構強度，要求包括:

a) 可采用試樣、元件、典型結構件和組合件試驗和分析來說明變異性、環(huán)境、結構不連續(xù)（如接頭、開口或其他應力集中處）、損傷、制造缺陷和特定的設計或工藝細節(jié)問題。

b) 下圖是典型的固定翼結構和尾槳葉積木式方法的試驗簡圖:

固定翼飛“積木試驗”

槳葉“積木試驗”

1) 統(tǒng)計需求的數(shù)據(jù)來源于大量的低級別(試樣和元件)試驗；結構細節(jié)性能則用較少的組合件和部件試驗來證實；典型結構件和組合件試驗可以用于驗證預估局部應變和破壞模式的分析方法。

2) 當不能采用分析證明時，需要額外的統(tǒng)計考慮（如用重復的點設計試驗/部件超載系數(shù)，來覆蓋材料和工藝的變異性）。

3) 靜強度適航符合性驗證計劃應對關鍵結構考慮所有的關鍵載荷情況，包括預期服役周期結束時的剩余強度和剛度要求的評估，其中要考慮服役期間出現(xiàn)的損傷和其他退化問題。

4) 復合材料結構靜強度的成功驗證，取決于對應力集中(如結構細節(jié)的缺口敏感性和沖擊損傷)、可能出現(xiàn)的破壞模式和面外載荷的正確考慮。典型結構件和組合件試驗還可用于確定失效準則以及裝配后復合材料結構中的沖擊損傷。部件試驗實現(xiàn)對包括某些面外影響的復合載荷與復雜傳力路線（包括某些面外影響）的最終驗證。

5)當采用積木式方法，應通過由試驗支持的分析方法識別出部件試驗的關鍵載荷工況和相關的失效模式。

c）如果能夠通過積木式試驗可靠地預計環(huán)境影響，并在靜力試驗或?qū)o力試驗結果的分析中予以考慮，則可以在大氣環(huán)境下開展部件靜力試驗。

積木試驗之元件級試驗：

元件級試驗是整個驗證體系的“基石”，試驗數(shù)量巨大，種類繁多。元件級用于建立材料許用值和設計值，直接影響飛機的安全性和經(jīng)濟性。

中航工業(yè)強度所是國內(nèi)首個建立聚合物基復合材料力學性能表征體系的機構，具備在不同環(huán)境條件下進行材料及結構力學性能測試的能力。在大運飛機研制過程中，強度所進行了大量復合材料元件級試驗，驗證了材料和典型結構在極端環(huán)境下的安全性。通過技術創(chuàng)新，強度所開發(fā)了一系列試驗夾具和損傷引入設備，提高了試驗的準確性和可靠性。

積木試驗之組件級試驗：

組件級試驗在元件級試驗的基礎上進一步驗證復合材料的結構性能。組件級試驗有助于評估復合材料在實際應用中的性能，確保其在各種環(huán)境下的可靠性。

積木試驗之部件級試驗：

部件級試驗進一步驗證復合材料部件在實際使用中的性能。部件級試驗通常涉及更復雜的結構和更大的尺寸，有助于發(fā)現(xiàn)和評估技術風險。

積木試驗之全機試驗：

全機試驗是復合材料“積木試驗”驗證體系的最高層次，涉及對整個飛機結構的全面測試。全機試驗確保飛機在實際使用中的安全性和可靠性。

除此之外，還有積木試驗之虛擬仿真實驗。通過虛擬仿真實驗，可以加深對復合材料結構強度與穩(wěn)定性的理解，提高知識綜合運用能力和工程實踐能力。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學建設了復合材料結構強度與穩(wěn)定性積木式驗證虛擬仿真實驗課程和服務能力，有需要的可以對接。

積木試驗之復合材料結構的適航驗證。ARJ21-700飛機的復合材料結構適航驗證就采用了“積木式”試驗驗證方法，形成了一套民用飛機復合材料適航驗證技術體系。為我國后續(xù)民用航空器復合材料適航驗證提供很好的借鑒意義。

2、復合材料常規(guī)力學測試要求

2.1、拉伸

施加在復合材料上的拉伸載荷，復合材料在拉伸作用下的變形基本取決于增強纖維的拉伸強度和模量，這些性能遠高于樹脂體系本身的性能。

材料拉伸和壓縮示意圖

2.2、壓縮

復合材料承受壓縮載荷時的狀況，樹脂在復合材料中的作用是保證纖維垂直排列并且防止纖維彎曲，纖維和樹脂黏接以及樹脂的模量對壓縮強度有至關重要的影響。

2.3、剪切

復合材料承受剪切載荷時的狀況，剪切載荷會讓纖維層間發(fā)生滑動，此時樹脂在復合材料內(nèi)傳遞載荷，因此樹脂為主要影響因素。樹脂具有良好的機械性能并且與增強纖維有良好的結合，才能保證復合材料具有較高的剪切性能。多層復合材料的這一性能常用層間剪切強度進行表征。

2.4、彎曲

彎曲載荷結合了拉伸、壓縮和剪切等作用力。上表面受到壓縮，下表面受到拉伸，中間部分則承受剪切作用。

材料剪切和彎曲的示意圖

2.5、應力與應變

多層復合材料的強度定義為：材料完全失效時所能承受的載荷。這里的完全失效指的是樹脂和增強纖維均完全斷裂。然而，在達到失效強度前的某一應力水平下，樹脂將開始從那些不沿載荷方向分布的纖維上剝離斷裂，裂紋進而擴展至全部樹脂基體，即所謂的“橫向裂紋”。

雖然在此應力水平下材料不會完全失效，但斷裂已經(jīng)發(fā)生；設計時需要注意：如果希望延長結構壽命，在正常運行載荷下多層復合材料的應力不能超過此應力水平。通常樹脂的化學性能和它與纖維表面膠黏劑的相容性決定了纖維/樹脂的結合強度。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的黏接性能，這種性能有助于多層復合材料獲得更高的微裂紋應變。樹脂的韌性比較難以測定，但可以用最終失效應變進行表征。

典型樹脂的應變-應力曲線                 典型層合板及典型樹脂的應變-應力曲線

需要注意的是，當復合材料承受拉伸載荷時，為了提高結構件的整體力學性能，樹脂的變形量至少與纖維相當。

從下圖中可以看出，S-玻璃纖維的斷裂伸長率為5.3%，因此需要與斷裂伸長率接近的樹脂搭配才能獲得最高的拉伸性能。

各種纖維自身的失效應變

2.6、材料抗疲勞性能測試

與大多數(shù)金屬材料相比，復合材料表現(xiàn)出了更優(yōu)異的抗疲勞性能。考慮到疲勞失效是微量損傷的不斷累積，任何復合材料的疲勞行為都受到以下因素的影響：樹脂韌性，抗微裂紋能力，孔隙率和制造過程中引入的其他缺陷。

由于高低溫疲勞特性受環(huán)境等因素影響較大，疲勞測試不穩(wěn)定。因此合理、高效地完成抗疲勞性能的測試是比較困難的。