推廣碳纖維復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域大量應(yīng)用過程中，作者多次提及必須解決“信心、技術(shù)和成本”三方面問題，其中首先是對使用碳纖維復(fù)合材有信心，也即首先必須回答如何保證碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全。因為應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料主要是追求其輕量化的效果，這些結(jié)構(gòu)對安全性要求極高。結(jié)構(gòu)設(shè)計強度規(guī)范（強度與剛度設(shè)計）的要求就是保障結(jié)構(gòu)安全的評判標(biāo)準(zhǔn)和具體實施途徑。飛機是輕量化要求最高同時使用條件最惡劣，因此也是安全余度盡可能?。ó?dāng)然一般必須大于等于0）的結(jié)構(gòu)，從而其強度規(guī)范是所有行業(yè)對安全性考慮最完善的。目前的飛機結(jié)構(gòu)強度規(guī)范與飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計初期相差非常大，它是隨著設(shè)計水平的提高和使用材料的不斷更新，以及在對幾十年來出現(xiàn)的各種事故甚至是慘重傷亡的經(jīng)驗教訓(xùn)總結(jié)的基礎(chǔ)上才逐步完善的。上世紀(jì)50年代以前，飛機結(jié)構(gòu)制考慮靜強度設(shè)計。疲勞設(shè)計概念引入是由于1954年第一代機身充壓的噴氣式客機“彗星”號接連兩架飛機失事墜入地中海，使設(shè)計師意識到疲勞載荷對結(jié)構(gòu)安全的威脅；損傷容限設(shè)計概念的引入是由于1970年F111接連出現(xiàn)機翼樞軸斷裂事故，使設(shè)計師意識到制造和使用中產(chǎn)生的缺陷/損傷對結(jié)構(gòu)安全的威脅。

目前90%以上的結(jié)構(gòu)設(shè)計師并不關(guān)注本行業(yè)的強度規(guī)范，因為通常只有在交付產(chǎn)品用戶提及安全性時才有人關(guān)注。長期以來國內(nèi)的復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計均來自國外，生產(chǎn)廠家只是按圖生產(chǎn)，不懂設(shè)計原理，當(dāng)然更不會關(guān)注強度規(guī)范。近年來碳纖維復(fù)合材料大量應(yīng)用于風(fēng)電葉片，并開始在軌道交通車輛和汽車上應(yīng)用，雖然開發(fā)出了一些產(chǎn)品，但很少有人關(guān)注本行業(yè)的強度規(guī)范。我參加過一些軌道交通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的評審會，每每問及產(chǎn)品的安全性評估是否有相關(guān)的文件依據(jù)，均無言以答。這些設(shè)計師給出了詳盡的結(jié)構(gòu)分析報告，有限元分析說起來頭頭是道，一大堆花里胡哨的云紋圖，但強度校核結(jié)果一頭霧水，一大堆蔡-吳系數(shù)，看不出結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)在哪里，也不知道結(jié)構(gòu)能否通過靜力試驗和長期使用是否安全。所謂的強度校核只是常規(guī)的靜力校核，s=[sb]，[sb]是材料體系的極限強度，通常只是做一批試樣，取其結(jié)果的平均值。在人們意識中復(fù)合材料性能分散性大，就通過增加安全系數(shù)來保證。有人說我的安全系數(shù)取7肯定就安全了，殊不知在一般部位安全系數(shù)取7，并不能保證薄弱部位安全系數(shù)能達(dá)到1。此外取很大的安全系數(shù)，就與采用碳纖維復(fù)合材料實現(xiàn)減重結(jié)構(gòu)的初衷背道而馳了。造成這種現(xiàn)象的根本原因是設(shè)計師腦子里沒有強度規(guī)范的概念。

歷經(jīng)近80年飛機設(shè)計和使用的經(jīng)驗教訓(xùn)，目前對結(jié)構(gòu)強度與剛度設(shè)計的要求可歸結(jié)為結(jié)構(gòu)完整性要求，即“影響飛機安全使用和成本費用的機體結(jié)構(gòu)的強度、剛度、損傷容限、耐久性和功能的總稱”，強度規(guī)范就是為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)完整性所需滿足的具體要求。這一結(jié)構(gòu)完整性定義嚴(yán)格來說同樣適用于其他行業(yè)，當(dāng)然基于不同行業(yè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點與使用經(jīng)歷，不同行業(yè)滿足結(jié)構(gòu)完整性的具體要求，即強度規(guī)范要求會有所差別，但總體考慮的內(nèi)容大同小異。為保證所設(shè)計結(jié)構(gòu)的安全，各行各業(yè)都必須建立本行業(yè)的強度規(guī)范，強度規(guī)范是所設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造和長期使用的經(jīng)驗教訓(xùn)積累，也是判斷所設(shè)計結(jié)構(gòu)是否安全的依據(jù)，以哪個國家的強度規(guī)范為依據(jù)實際上也反映了這個國家該行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計水平在國際上的領(lǐng)先地位。 

強度規(guī)范的要求嚴(yán)格說來與使用的材料體系和設(shè)計水平有關(guān)，例如軌道交通車輛的設(shè)計規(guī)范對強度剛度和疲勞均有類似的要求，但沒有提及損傷容限要求，這與該行業(yè)使用的材料性能和設(shè)計裕度有關(guān)。當(dāng)初飛機為實現(xiàn)減重，使用了超高強度鋼，其斷裂韌性很低，鍛造的缺陷引起結(jié)構(gòu)在極低的強度下破壞，使設(shè)計師意識到初始缺陷和使用損傷（當(dāng)時主要是擴展的疲勞裂紋）對結(jié)構(gòu)強度的嚴(yán)重威脅；而一般工業(yè)領(lǐng)域基本上不使用這類材料，這類問題沒有那么嚴(yán)重。先進(jìn)復(fù)合材料是近年來應(yīng)用越來越多的新型輕量化材料，由于其性能特點不同于金屬，特別是破壞機理不同于金屬，使得其完整性要求的具體內(nèi)容也與金屬結(jié)構(gòu)不同。相比其他工業(yè)領(lǐng)域，復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)中已使用了40多年，積累了豐富的設(shè)計與使用經(jīng)驗教訓(xùn)，無論是軍用飛機或是民用飛機都已建立了完整系統(tǒng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度設(shè)計規(guī)范。而復(fù)合材料在其他對安全性要求較高的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用則剛剛起步，還沒有足夠的經(jīng)驗教訓(xùn)積累，因此飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強度規(guī)范要求可供其他工業(yè)領(lǐng)域參考，特別是適合于工業(yè)領(lǐng)域類似于飛機機體，受力狀況復(fù)雜的桿板殼結(jié)構(gòu)。目前除航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有較完整系統(tǒng)的強度設(shè)計規(guī)范外，尚未建立有關(guān)的強度設(shè)計規(guī)范因此在對所研發(fā)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評估時沒有可以參照的依據(jù)。

2飛機結(jié)構(gòu)強度規(guī)范的演變

2.1軍用飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu) 

美國從1969年開始將碳纖維復(fù)合材料用于軍機結(jié)構(gòu)，但知道1975年才在所用的設(shè)計規(guī)范中增加有關(guān)復(fù)合材料的要求，并直到1998年才將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計要求基本定型，鑒于美國軍機設(shè)計規(guī)范采用填空式，對具體的定量要求留給設(shè)計單位和使用部門協(xié)商確定，只是通過附錄中的經(jīng)驗教訓(xùn)部分給出了建議內(nèi)容，表1所示是美國軍用飛機設(shè)計規(guī)范的演變。

國內(nèi)的軍機設(shè)計規(guī)范演變過程如表2所示。雖然從1980年級開始嘗試將復(fù)合材料用于飛機主要結(jié)構(gòu)——垂尾，并在隨后10余年里開始在主承力結(jié)構(gòu)和批生產(chǎn)的型號上使用，但一直沒有相關(guān)的設(shè)計規(guī)范可以依據(jù)，因此在應(yīng)用初期，對結(jié)構(gòu)安全的驗證是有漏洞的（例如濕熱影響等），但由于沒有經(jīng)驗，通常有較大的設(shè)計裕度（特別是采用低于國外選用的結(jié)構(gòu)設(shè)計值），迄今為止未出現(xiàn)任何安全事故。1997年制訂的航標(biāo)“軍用飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度驗證要求”是第一個有關(guān)復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)的強度規(guī)范。2008年發(fā)布的《軍用飛機結(jié)構(gòu)強度規(guī)范——復(fù)合材料結(jié)構(gòu)》是參照美國軍機強度規(guī)范，由航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域數(shù)十位專家歷經(jīng)2年多次專項研討后達(dá)成一致的文件，基本上總結(jié)了國外40多年，國內(nèi)20多年軍機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與使用經(jīng)驗教訓(xùn)，其基本要點同樣適用于其他工業(yè)領(lǐng)域受力復(fù)雜的桿板殼結(jié)構(gòu)。

表1 美國軍用飛機強度規(guī)范的演變

表2 我國軍用飛機強度規(guī)范的演變

民機結(jié)構(gòu)的安全性通常依靠適航認(rèn)證來保證，民機適航條例是進(jìn)行認(rèn)證的依據(jù)，國際上FAR23,25,27和29和EASA CS23,25,27和29分別是美國與歐洲對不同類型飛機的適航條例，中國的CCAR23,25,27和29則基本上是歐美相應(yīng)條例的翻譯版。這些條例適用于所有的材料體系，包括復(fù)合材料，但由于復(fù)合材料在很多地方與金屬不同，特別是破壞機理不同，使它們無法正確地給出適用的要求。在此背景下美國通過制訂咨詢通報的方式來解決復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需明確的要求，AC20-107就是當(dāng)年為應(yīng)對ACEE計劃研制的民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（特別是Boeing727升降舵）適航認(rèn)證需求而制訂的，其中很大部分就是對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度的規(guī)范要求。初期AC20-107的要求只是諸如安全性不低于金屬結(jié)構(gòu)之類的一些原則，通過多年的實踐，內(nèi)容不斷豐富，要求逐步細(xì)化。AC20-107經(jīng)歷了2次改版，2009年頒布的AC20-107B是最新版。雖說是咨詢通報，實際上適航部門要求逐條逐句回答如何符合條款的要求。雖說它由美國FAA發(fā)布，但歐洲和中國民航均按此執(zhí)行。表3是國外民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有關(guān)咨詢通報的演變過程。

表3 國外民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有關(guān)咨詢通報的演變

2.3 其他工業(yè)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)強度規(guī)范

迄今為止軌道交通車輛結(jié)構(gòu)一直使用歐洲的強度規(guī)范EN 12663，中國的高鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展如此迅速，最新自行設(shè)計和制造的復(fù)興號也已批量生產(chǎn)，特別是研發(fā)了全碳纖維復(fù)合材料的地鐵車廂，并已安全運行了相當(dāng)一段時日，中國人已經(jīng)積累了大量軌道交通車輛特別是復(fù)合材料車輛結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造和使用經(jīng)驗，應(yīng)該有能力制訂符合中國國情，包含復(fù)合材料結(jié)構(gòu)要求的強度規(guī)范。

表4 軌道交通車輛結(jié)構(gòu)強度規(guī)范

2.4 若干定義

2.4.1 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 glass transition temperature 

在無定形聚合物或部分結(jié)晶聚合物無定形區(qū)域內(nèi)，在黏流態(tài)或橡膠態(tài)和玻璃態(tài)之間發(fā)生可逆變化溫度范圍的近似中點值（Tg）。復(fù)合材料體系最高使用溫度的確定與其有關(guān)。

2.4.2 材料最高使用溫度 material operational limit（MOL）

考慮溫度和濕度對聚合物基復(fù)合材料性能的影響，將使用可能達(dá)到的最高吸濕量時的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度減去一安全余量，所確定的材料允許的最高使用溫度。

2.4.3 結(jié)構(gòu)完整性 structure integrity

影響飛機安全使用和成本費用的機體結(jié)構(gòu)件的強度、剛度、耐久性、損傷容限和功能的總稱。

2.4.4 耐久性 durability

在規(guī)定的期限內(nèi)，飛機結(jié)構(gòu)抵抗開裂（包括應(yīng)力腐蝕開裂和氫脆引起的開裂）、腐蝕、熱退化、分層、磨損和外來物損傷的能力。

2.4.5 損傷容限 damage tolerance

在規(guī)定的未修理使用期內(nèi)，機體抵抗由于缺陷、裂紋或其他損傷引起破壞的能力。

2.4.6 復(fù)合材料損傷阻抗 damage resistance for composite materials

在復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)中，同某一事件或一系列事件相關(guān)的力、能量或其他參數(shù)與其所產(chǎn)生損傷尺寸及類型之間關(guān)系的度量，如一定能量的沖擊所產(chǎn)生的損傷面積或凹坑深度。

2.4.7 不確定系數(shù) factor of uncertainty

亦稱為安全系數(shù)，是可能引起飛機部件或結(jié)構(gòu)破壞的載荷與使用中作用在飛機部件或結(jié)構(gòu)上的最大載荷之比。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，不確定系數(shù)是用該系數(shù)乘限制載荷得出極限載荷的系數(shù)值。

2.4.8 安全余量 margin of safety

飛機結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力與按極限載荷計算的應(yīng)力之比減1的余數(shù)。安全余量（M.S）可用下式表示： 

式中：

[s]一—許用應(yīng)力；

s一—極限載荷情況下的作用應(yīng)力；

k 一—任一特定系數(shù)（如接頭系數(shù)或擠壓系數(shù)）。 

3 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度規(guī)范要點

3.1 概述 

由于碳纖維復(fù)合材料與金屬完全不同的破壞機理，其強度、剛度（動強度）、損傷容限和耐久性的具體要求也不同，通過軍機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度規(guī)范的編制，作者總結(jié)出碳纖維復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)與金屬飛機結(jié)構(gòu)完整性要求的主要差別為下列6點：

1) 以承認(rèn)材料與結(jié)構(gòu)同時形成和性能表征多樣性為基礎(chǔ)的材料和工藝要求；

2) 以承認(rèn)初始缺陷/損傷對結(jié)構(gòu)強度有影響為基礎(chǔ)的設(shè)計值確定方法；

3) 以考慮濕熱環(huán)境影響為基礎(chǔ)的靜強度設(shè)計；

4) 以承認(rèn)靜力覆蓋疲勞和考慮沖擊損傷阻抗為基礎(chǔ)的耐久性設(shè)計；

5) 以沖擊損傷和損傷無擴展為特點的損傷容限設(shè)計；

6) 以積木式設(shè)計驗證試驗為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)驗證方法。

3.2以承認(rèn)材料與結(jié)構(gòu)同時形成和性能表征多樣性為基礎(chǔ)的材料和工藝要求

由于材料性能的分散性是客觀存在，為保證使用安全，對用試樣試驗得到的性能數(shù)據(jù)要進(jìn)行統(tǒng)計處理。對金屬材料設(shè)計用的材料性能分散性已有成熟的處理方法，因此規(guī)范中無需更多的說明，在CCAR 25部適航標(biāo)準(zhǔn)——運輸類飛機中有關(guān)材料的要求只有短短幾句話： 

§25.603 材料

其損壞可能對安全性有不利影響的零件所用材料的適用性和耐久性必須滿足下列要求：

(a) 建立在經(jīng)驗或試驗的基礎(chǔ)上；

(b) 符合經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)(如工業(yè)或軍用標(biāo)準(zhǔn)，或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定)，保證這些材料具有設(shè)計資料中采用的強度和其他性能；

(c) 考慮服役中預(yù)期的環(huán)境條件，如溫度和濕度的影響。

在GJB67-2008軍用飛機結(jié)構(gòu)強度規(guī)范中對金屬也同樣是簡單的一段話：

3.2.23.1材料

機體所用材料應(yīng)滿足機體的使用和保障要求。當(dāng)材料的特性數(shù)據(jù)有限或不完整時，應(yīng)向訂貨方提供足夠的背景資料，以確定材料的適用性。具體的材料要求為：

a) 如果裂紋擴展數(shù)據(jù)的變化是一種典型分布，則在裂紋擴展分析中應(yīng)使用裂紋擴展數(shù)據(jù)的平均值（da／dN）。對于非典型分布，參考3.4.4.4的規(guī)定；

b) 對于剩余強度分析，應(yīng)使用斷裂韌性的最小值；

c) “A”基準(zhǔn)設(shè)計許用值應(yīng)該用于所有關(guān)鍵件（見6.1.23的定義）的設(shè)計。“A”基準(zhǔn)設(shè)計許用值還應(yīng)該用于在全尺寸機體靜力試驗中未達(dá)到極限載荷的結(jié)構(gòu)設(shè)計。“B”基準(zhǔn)設(shè)計許用值可用于所有其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計；

d) 當(dāng)沒有“A”或“B”基準(zhǔn)設(shè)計許用值時，可以使用在有關(guān)文件中規(guī)定的“S”基準(zhǔn)設(shè)計許用值。

但對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)這些內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須針對復(fù)合材料的下述特點在強度規(guī)范中給出詳細(xì)的解決辦法。

復(fù)合材料與金屬的差別首先是材料與結(jié)構(gòu)同時形成，金屬的性能在出廠時已基本確定，后期的加工過程對性能雖有影響，但不會有本質(zhì)的變化；而復(fù)合材料通常在成為結(jié)構(gòu)前只是纖維與基體（樹脂）分別的性能，基體在成為結(jié)構(gòu)前通常是液態(tài)，復(fù)合材料的力學(xué)性能只有結(jié)構(gòu)成型后才能體現(xiàn)。因此復(fù)合材料的力學(xué)性能不僅與材料組分有關(guān)，在很大程度上與工藝過程有關(guān)，復(fù)合材料的材料規(guī)范同時要帶上相應(yīng)的工藝規(guī)范，不同的工藝規(guī)范相應(yīng)于不同的材料性能。由于這一特點復(fù)合材料性能必須考慮不同結(jié)構(gòu)制造廠商所用設(shè)備、工藝流程與操作人員技能等因素的影響，從而除了材料鑒定外，材料等同性評定成為了復(fù)合材料力學(xué)性能表征不可或缺的一部分。

其次復(fù)合材料性能表征的多樣性是另一特點，復(fù)合材料的特點也是其優(yōu)勢是可設(shè)計性。很多復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計師只會使用準(zhǔn)各向同性的鋪層或織物進(jìn)行設(shè)計，實際上充分利用其可設(shè)計性才能充分發(fā)揮復(fù)合材料優(yōu)勢。但可設(shè)計性同時帶來了性能表征的復(fù)雜性，不同鋪層比例和順序的復(fù)合材料層壓板具有不同的強度和模量，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可能使用無窮多種鋪層比例與順序的層壓板，如何表征這些層壓板的力學(xué)性能是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計必須解決的問題。 

有些因素對金屬力學(xué)性能可能影響不大，但對復(fù)合材料力學(xué)性能可能有重大影響如濕熱環(huán)境、沖擊損傷等，這些因素與上述性能要求的組合使得復(fù)合材料力學(xué)性能表征的內(nèi)容和試驗工作量大大增加。

多年來復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的實踐表明其材料許用值除傳統(tǒng)意義上的單層級材料許用值外還包括設(shè)計許用值（即與結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)的許用值），開孔拉伸和開孔壓縮等成了復(fù)合材料力學(xué)性能表征的一部分。

綜上所述，在金屬結(jié)構(gòu)的強度規(guī)范中對力學(xué)性能測試只是比較原則的幾句話，但在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度規(guī)范中必須增加大量篇幅，給出對上述差別的處理方法。GJB67.14-2008《軍用飛機結(jié)構(gòu)強度規(guī)范——復(fù)合材料結(jié)構(gòu)》和航標(biāo)HB7618-2009《聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)表達(dá)準(zhǔn)則》中有關(guān)內(nèi)容可供其他行業(yè)制訂有關(guān)規(guī)范參考。 

此外金屬材料力學(xué)性能測試方法已經(jīng)非常成熟，但由于破壞機理的巨大差別復(fù)合材料力學(xué)性能測試方法與金屬完全不同，雖已應(yīng)用40多年，但其性能測試方法仍在不斷發(fā)展和完善中，美國ASTM D30復(fù)合材料委員會的測試標(biāo)準(zhǔn)的變化（包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量的增加和改版的頻度）實際上反映了對復(fù)合材料認(rèn)識和應(yīng)用的變化，復(fù)合材料力學(xué)性能表征技術(shù)已構(gòu)成一門新的學(xué)科。到2018年6月為止，該委員會名下的標(biāo)準(zhǔn)總數(shù)已達(dá)到87項標(biāo)準(zhǔn)，其中只有10項在2010年后未進(jìn)行改版；，2010年后新增的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到16項，特別是新增有關(guān)土木建筑應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)；有關(guān)夾層結(jié)構(gòu)的試驗標(biāo)準(zhǔn)在2010年后幾乎全部改版，也反映了夾層結(jié)構(gòu)在主承力結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的地位。 

為滿足廣大復(fù)合材料用戶的需求，《ASTM D30復(fù)合材料試驗標(biāo)準(zhǔn)匯編》即將在今年年底前翻譯出版，該書共收錄復(fù)合材料界常用的98項試驗標(biāo)準(zhǔn)。 

3.3以承認(rèn)初始缺陷/損傷對結(jié)構(gòu)強度有影響為基礎(chǔ)的設(shè)計值確定方法

與金屬結(jié)構(gòu)不同，對金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計來說設(shè)計許用值就夠了，通常也不需要另行定義。自從1970年代開始研發(fā)飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以來，材料許用值和結(jié)構(gòu)設(shè)計值兩個概念一直困擾著結(jié)構(gòu)設(shè)計師，因此1984年4月在AC20-107A中專門增加了“許用值”和“設(shè)計值”兩個定義以區(qū)分這兩個不同的概念，從1980年代中開始作者一直在探索許用值和設(shè)計值這兩個概念的區(qū)分，并探索確定它們的方法。2009年9月頒布的AC20-107B比較清晰地給出了這兩個概念的定義：

·許用值(Allowables)：在概率基礎(chǔ)上（如分別具有99%概率和95%置信度，與90%概率和95%置信度的A或B基準(zhǔn)值），由層壓板或單層級的試驗數(shù)據(jù)確定的材料值。導(dǎo)出這些值要求的數(shù)據(jù)量由所需的統(tǒng)計意義（或基準(zhǔn)）決定。

·設(shè)計值(Design Value)：為保證整個結(jié)構(gòu)的完整性具有高置信度，由試驗數(shù)據(jù)確定并被選用的材料、結(jié)構(gòu)元件和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的性能。這些值通常基于為考慮實際結(jié)構(gòu)狀態(tài)而經(jīng)過修正的許用值，并用于分析計算安全裕度。 

許用值是材料層面的性能，通常必須通過試驗并通過概率統(tǒng)計計算得到；而設(shè)計值則是結(jié)構(gòu)層面用于強度計算和校核的數(shù)據(jù)，取決于該部件的結(jié)構(gòu)完整性要求，某種程度上也取決于設(shè)計師的工程應(yīng)用的經(jīng)驗和需求。

金屬結(jié)構(gòu)所用的材料一般認(rèn)為是完好材料，出廠允許的內(nèi)部缺陷不會影響其極限強度；而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不同，成型后的結(jié)構(gòu)一般均不可避免地帶有不同程度的制造缺陷，如孔隙率、分層等，而這些缺陷會不同程度地降低其力學(xué)性能，因此對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)出廠前必須進(jìn)行無損檢測，對不同受力狀態(tài)的部位按不同等級的缺陷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗收。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度校核用的力學(xué)性能必須考慮含這些缺陷時的材料性能。1980年代初美國空軍的“主結(jié)構(gòu)損傷容限特性研究”課題組對此進(jìn)行了研究，課題組匯集了早期各生產(chǎn)廠家對各種制造缺陷對力學(xué)性能影響進(jìn)行研究得到的大量試驗結(jié)果，最后給出了工程用的經(jīng)驗方法，即；

·可用含6.35mm開孔的強度降覆蓋制造缺陷引起的拉伸強度降；

·可用含6.35mm充填孔的強度降覆蓋常見且允許的制造缺陷（2%孔隙率，直徑38.1mm分層）引起的壓縮強度降（如圖1所示） 

從而含開孔與充填孔試樣的拉伸與壓縮強度構(gòu)成了設(shè)計許用值的一部分，通常開孔數(shù)據(jù)會略低一些，常規(guī)都只要求開孔拉伸與壓縮強度。

圖1 缺陷/損傷引起的強度降 

復(fù)合材料與金屬結(jié)構(gòu)的破壞特點如圖2所示，金屬結(jié)構(gòu)在使用過程中會產(chǎn)生疲勞裂紋，初期不會使結(jié)構(gòu)承載能力有明顯的變化，隨著疲勞裂紋的擴展逐漸下降，直至達(dá)到臨界長度，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞；而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一般不會出現(xiàn)疲勞裂紋，結(jié)構(gòu)承載能力不會隨服役時間而下降，但在使用過程中會遇到外來物沖擊而使結(jié)構(gòu)承載能力（特別是壓縮承載能力）突然下降，一般采用損傷無擴展設(shè)計準(zhǔn)則，故承載能力一般也不會繼續(xù)下降，直至壽命終結(jié)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的這一破壞特點，使結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮中使用中可能遇到的外來物沖擊引起的強度降，其強度校核用設(shè)計值不能采用完好材料的極限強度值，必須考慮使用中可能出現(xiàn)的外來物沖擊。圖3所示是確定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計值的條件。

圖2 金屬與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)承載能力隨時間的變化特點  

圖3 用于確定結(jié)構(gòu)設(shè)計值的條件

3.4以考慮濕熱環(huán)境影響為基礎(chǔ)的靜強度設(shè)計

 除非幾百或上千度高溫環(huán)境，金屬結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)一般不考慮濕熱對性能的影響。濕熱影響與沖擊損傷是1970年代碳纖維復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)在投入使用后首先發(fā)現(xiàn)的兩大問題。有關(guān)濕熱影響的研究一直貫穿復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的全過程，主要表現(xiàn)在兩方面，即材料許用值和結(jié)構(gòu)設(shè)計值的確定和結(jié)構(gòu)（特別是全尺寸結(jié)構(gòu)）靜強度試驗驗證方法。

由于復(fù)合材料的基體材料（主要是樹脂基）在使用中會吸收一定量的水分，復(fù)合材料的吸濕量隨溫度升高對性能（特別是壓縮、剪切和擠壓強度）降低有重大影響，如圖4所示，這一性能降在接近復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時特別突出，而常用的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分為高溫固化和中溫固化兩類，其中高溫固化的濕態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大約為150°C，而中溫固化的濕態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大約為90°C，材料工作極限（MOL）一般應(yīng)比濕態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低約28°C，使得結(jié)構(gòu)選材的第一步就要考慮其MOL是否滿足要求。其次在材料鑒定和確定許用值和設(shè)計值的試驗矩陣中必須增加濕熱條件下的材料性能試驗，其工作量和成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過室溫干態(tài)條件下的試驗。

由于復(fù)合材料的這一特性，在進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計與驗證時特別強調(diào)，必須考慮濕熱環(huán)境對靜強度的影響。作為靜強度驗證試驗的通過判據(jù)要求，結(jié)構(gòu)應(yīng)在最嚴(yán)重的環(huán)境條件（通常是濕熱狀態(tài)）下，承受等于或小于設(shè)計極限載荷時，結(jié)構(gòu)不應(yīng)發(fā)生總體破壞外。傳統(tǒng)的全尺寸結(jié)構(gòu)的靜強度驗證均在室溫環(huán)境下進(jìn)行試驗，如何滿足這一要求也是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試驗驗證的難題之一。歷史上曾經(jīng)采用在濕熱環(huán)境箱中進(jìn)行全尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的靜強度驗證試驗，如A320垂尾，國內(nèi)1990年進(jìn)行的Y7復(fù)合材料垂尾靜強度驗證試驗。近年來主要采用在室溫大氣環(huán)境進(jìn)行試驗，但需增加濕熱環(huán)境因子考慮，或在室溫大氣環(huán)境進(jìn)行試驗，將試驗測量數(shù)據(jù)外推考慮環(huán)境因子。濕熱環(huán)境因子的確定是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研發(fā)的難題之一。

圖4 溫度與濕度對與基體有關(guān)（如壓縮和剪切）性能的影響

3.5以承認(rèn)靜力覆蓋疲勞和考慮沖擊損傷阻抗為基礎(chǔ)的耐久性設(shè)計 

金屬結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計包括其疲勞壽命（包括裂紋擴展壽命）設(shè)計、腐蝕疲勞等，特別是疲勞裂紋的產(chǎn)生或擴展是結(jié)構(gòu)設(shè)計極其重要且花費巨大的設(shè)計內(nèi)容，需要通過試驗獲得大量不同結(jié)構(gòu)特征試樣的S-N曲線和進(jìn)行疲勞壽命預(yù)估。靜力覆蓋疲勞是1992年美國空軍專家來華講學(xué)時帶來的新概念，在提出的初期無法為國內(nèi)的專家接受，經(jīng)過20多年來大量各層次（元件、部件和全尺寸結(jié)構(gòu)）試驗件的疲勞試驗驗證，目前這一概念已被飛機領(lǐng)域的復(fù)合材料專家普遍接受。采用這一概念是有前提條件的，首先結(jié)構(gòu)設(shè)計值的確定必須基于上述的含缺陷/損傷的試樣，其次需證實復(fù)合材料試樣級的S-N曲線均滿足下列條件：其疲勞門檻值（106次）與相應(yīng)試樣剩余靜強度比值超過0.5（如圖5所示），通常需給出含沖擊損傷試樣的壓-壓（R=10）和含開孔試樣的拉-壓（R=-1）S-N曲線（詳細(xì)內(nèi)容另文討論）。

圖5 復(fù)合材料的S-N曲線示意圖 

沖擊阻抗在國外通常歸為損傷容限范疇，主要描述薄蒙皮結(jié)構(gòu)抵抗外來物沖擊不會產(chǎn)生不可接受損傷尺寸的能力。小能量外來物沖擊對金屬結(jié)構(gòu)也經(jīng)常會產(chǎn)生目視可見的凹坑，只要不出現(xiàn)裂紋，在維修時一般可不予處理。但復(fù)合材料薄面板結(jié)構(gòu)或薄面板夾層結(jié)構(gòu)，一旦產(chǎn)生了目視可見的損傷時，往往會出現(xiàn)導(dǎo)致芯子吸濕的通路，它不會直接引起結(jié)構(gòu)破壞，但若不進(jìn)行維修則會引起結(jié)構(gòu)失效（例如夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)水使蒙皮與芯子大面積脫膠），從而產(chǎn)生大量維修需求，因此作者把此類問題歸為耐久性。在設(shè)計薄面板結(jié)構(gòu)或薄面板夾層結(jié)構(gòu)時，需要對薄蒙皮或面板采用增加厚度，或者增加玻璃纖維表面層等設(shè)計措施，以避免不可接受的維修需求。

金屬結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計要求還包括耐腐蝕、抗紫外線老化等問題。由于碳纖維復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)通常采用環(huán)氧或雙馬，這些樹脂的化學(xué)穩(wěn)定性保證其擁有優(yōu)越的耐腐蝕和抗紫外線老化的性能，一般復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計很少專門處理這類問題。

3.6 以沖擊損傷和損傷無擴展為特點的損傷容限設(shè)計

金屬結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計主要考慮初始裂紋長度、裂紋擴展速率和達(dá)到臨界裂紋長度后的剩余強度，以及離散源損傷，復(fù)合材料沖擊損傷的特點是，即使層壓板內(nèi)部存在大范圍分層，外表面可能仍然是目視不可檢的，且壓縮強度會急劇下降（如圖2），因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限除離散源損傷外重點是初始沖擊損傷尺寸定義和含沖擊損傷結(jié)構(gòu)的剩余強度要求，以及損傷無擴展設(shè)計概念（詳細(xì)內(nèi)容另文討論）。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的缺陷/損傷在疲勞載荷下的破壞通常呈現(xiàn)“突然死亡”的特征，即無足夠的損傷擴展壽命可以利用，同時無法得到統(tǒng)計有效的損傷擴展規(guī)律，所以設(shè)計通常采用損傷無擴展概念。

3.7 以積木式設(shè)計驗證試驗為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)驗證方法

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常采用所謂的“積木式設(shè)計試驗驗證方法”（有時也稱為“金字塔”驗證方法）對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行試驗驗證，這一術(shù)語最早是1980年代初期針對飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計試驗驗證提出的，它包括試樣、元件、典型件、組合件和全尺寸結(jié)構(gòu)五級如圖6所示。

圖6 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計試驗驗證的積木式方法 

其實金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計也需要通過試驗進(jìn)行驗證，只是設(shè)計階段對材料性能只需少量試驗，由于如3.2節(jié)闡述的復(fù)合材料力學(xué)性能表征的特點，其設(shè)計過程中材料級試樣級試驗的種類和數(shù)量遠(yuǎn)大于金屬，構(gòu)成了金字塔的塔底。

金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析和強度校核方法比較成熟，有很多經(jīng)過試驗驗證的計算方法，對設(shè)計的驗證很多可以通過計算來證實。而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析和強度校核依然缺乏經(jīng)驗，特別是由于結(jié)構(gòu)和受載的復(fù)雜性，以及破壞機理的多樣性，不能僅僅通過分析來保證結(jié)構(gòu)不會由于面外載荷而出現(xiàn)提前破壞；不能僅僅通過分析來保證結(jié)構(gòu)存在缺陷/損傷（特別是沖擊損傷）時有足夠的承載能力。國內(nèi)外復(fù)合材料研發(fā)初期，由于對積木式試驗驗證方法的重要性認(rèn)識不足，有大量計算分析沒有問題，卻在全尺寸結(jié)構(gòu)的驗證試驗中提前破壞的案例。為了將全尺寸結(jié)構(gòu)驗證試驗的風(fēng)險降到最低，有必要在組合件以下的驗證試驗中暴露出結(jié)構(gòu)的薄弱部位，以便及早排除隱患，因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整性需要采用全尺寸部件和必要的試樣、元件、組合件相結(jié)合的多層次設(shè)計驗證試驗方法來保證。這種方法可以通過低層次試驗來驗證在全尺寸試驗時實施有困難的驗證內(nèi)容(如計算時未發(fā)現(xiàn)的面外載荷、環(huán)境影響、損傷性能等)。

由于濕熱影響和材料性能的分散性，需要用積木式方法來確定應(yīng)用于室溫大氣環(huán)境下進(jìn)行全尺寸結(jié)構(gòu)靜強度驗證的環(huán)境補償值，和用積木式試驗來確定疲勞譜的截除方法，和在全尺寸水平上的疲勞分散性補償因子，這也是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計必須采用積木式設(shè)計試驗驗證方法的原因。

3.8 其他

強度與剛度規(guī)范中有關(guān)剛度要求，包括變形、穩(wěn)定性和動強度考慮。因為剛度要求一般不涉及破壞，因此可以采用與金屬結(jié)構(gòu)相同的方法處理，并采用相同的設(shè)計要求。軍機規(guī)范中有關(guān)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分冊未提及動強度要求復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)的差別，在編制過程中，飛機結(jié)構(gòu)動強度專家專門對此提出了質(zhì)詢。1980年代初期，中國飛機強度研究所專門成立了復(fù)合材料動強度研究課題組，進(jìn)行了多年研究，在《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》編寫中專門成立了《結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計分析技術(shù)》編寫組進(jìn)行編寫，的確在復(fù)合材料動力學(xué)研究中，其選材和鋪層設(shè)計方面與金屬有所不同，動特性通常優(yōu)于金屬，但其動強度設(shè)計準(zhǔn)則與金屬沒有原則上的差異。同樣穩(wěn)定性設(shè)計準(zhǔn)則與動強度要求類同，直接采用金屬結(jié)構(gòu)的要求即可。

安全系數(shù)是保證結(jié)構(gòu)安全的手段之一。在飛機結(jié)構(gòu)強度規(guī)范中把安全系數(shù)稱為不確定系數(shù)，它通常用于補充考慮設(shè)計時未預(yù)計到的載荷、材料、工藝等因素對安全性的不確定性影響。根據(jù)飛機結(jié)構(gòu)的設(shè)計經(jīng)驗，只要充分考慮上述完整性要求中復(fù)合材料與金屬結(jié)構(gòu)的差別，安全系數(shù)的取值與使用的材料無關(guān)。

作者簡介

沈真，中國復(fù)合材料學(xué)會榮譽理事、SAMPE北京分會副主席、江蘇恒神股份有限公司高級顧問，主要研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度設(shè)計和力學(xué)性能表征技術(shù)。曾在英國帝國理工學(xué)院、德國宇航研究院、意大利都靈工業(yè)大學(xué)、澳大利亞悉尼大學(xué)等國外知名院校從事復(fù)合材料力學(xué)研究工作。在40多年的科研工作中曾長期擔(dān)任國防重點預(yù)研課題的負(fù)責(zé)人，參與了迄今為止幾乎所有飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研制。同時在國內(nèi)外的重要刊物和學(xué)術(shù)會議上發(fā)表100多篇論文，先后主持編寫了多部專著和20多項國標(biāo)、國軍標(biāo)、航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主持翻譯了大量國外文獻(xiàn)。同時參與編寫了多部學(xué)術(shù)專著。多年來共獲國家科技進(jìn)步二等獎1項、部級科技進(jìn)步一、二、三等獎共18項，2001年被評為中國人民解放軍總裝備部1996~2000年預(yù)研先進(jìn)個人，2006年獲航空報國優(yōu)秀貢獻(xiàn)獎。