课
题
第八章复合材料结构耐久性损伤容限设计（一）
目的与要求复合材料的损伤、断裂、疲劳等缺陷发生的原因、对性能的影响程度复合材料耐久性/损伤容限设计特点
设计过程中的基本要求
缺陷检测方法和最低要求
重点复合材料的损伤、断裂、疲劳等缺陷发生的原因、对性能的影响程度复合材料耐久性/损伤容限设计特点
难
点
缺陷检测方法和最低要求
教
具
复
习提问复合材料的损伤、断裂、疲劳等缺陷发生的原因、对性能的影响程度？复合材料耐久性/损伤容限设计特点？
新知
识点
考查
复合材料耐久性/损伤容限设计
布置
作业
课堂布置
课后
回忆
复合材料的损伤、断裂、疲劳等缺陷发生的原因、对性能的影响程度？备注
教员张颖云
Boeing787复合材料机身段
1.复合材料的损伤、断裂、疲劳性能及耐久性/损伤容限设计特点
1.1.考虑耐久性/损伤容限设计的必要性
1.1.1耐久性/损伤容限设计的目的和特殊性
●目的耐久性与损伤设计以考虑结构（无损伤和含损伤结构），在规定寿
命期内因受到包括载荷、环境和意外事件的单独或者累计作用而性能退化的情况下，实现其功能的能力；并以满足设计准则的要求，达到安全性和经济性。
●特殊性复合材料优异的疲劳性能和损伤/裂纹扩展往往缺乏规律性，以
及对冲击损伤的敏感性，使复合材料结构耐久性和损伤容限设计呈现出许多与金属材料结构不同的特点，应该予以特别关注。
1.1.2耐久性/损伤容限设计是复合材料部件设计的主要组成部分
●确定使用寿命设计初期用于计算零部件或整体机构、设备或系统的寿
命，以确定整体性；
●确定适用的工艺方法复合材料零部件的寿命与制造工艺之间有着密不
可分的关系，所以必须根据寿命选择制造工艺方法；
●确定修理方法和方案耐久性/损伤容限还可以估计或计算出，修理后的
零件的剩余寿命。
1.1.3发展过程
●套用金属件设计理念，复合材料没有独有的设计思路 1975年颁布的美国
军用标准“飞机机构完整性大纲----飞机要求”中尚且没有包含复合材料结构设计的内容，复合材料零部件的设计基本上完全套用金属件的设计方法，落后的方法，导致不能发挥发挥材料的特性。
●初步建立起复合材料设计方法和体系从20世纪70年代中期到80年代
初的研究和使用经验，使设计人员逐步认识到，由于材料的特性和破坏机理的不同，对复合材料结构的耐久性/损伤容限必须提出一些特殊的要求，在设计和分析方法上也有很大的不同。
●相对完善体系的建立进入到90年代，各个国家或者大型飞机公司根据
自己的需要，已经逐步建立起了复合材料耐久性/损伤容限的设计体系。
我国也根据我国自己的发展方式，参考了美国、欧洲的复合材料设计体系和标准建立起了自己的同样标准。
✧1995年编写的《复合材料飞机结构耐久性/损伤设计指南》
✧2001年出版的新编《复合材料结构手册》
1.2.复合材料结构损伤、断裂和疲劳的特点
1.2.1.损伤来源
●复合材料自身携带的缺陷主要是由于复合材料层压板的各项异性、脆性
和非均匀性，特别是层间性能远低于层内性能等特点；
●制造和运输过程发生的缺陷复合材料构件在制造过程中（铺贴、热压成
型、机械加工）和运输过程中可能受到外来物的冲击，会使复合材料制件程度不同的带有各种缺陷/损伤，并使它在制作质量以及对损伤、断裂和疲劳性能的影响方面与金属材料构件相比具有较大的分散性。
1.2.2.主要缺陷/损伤类型
●制造缺陷
✧铺贴和固化过程中生产的空隙率、分层、脱胶、贫胶或富胶、树脂
固化不完全、纤维方向偏离；
✧在机械加工和装配时产生的刻痕、擦伤、撞击脱胶、钻孔不当、螺
栓拧紧力矩过大等。
●冲击损伤
✧高能冲击一般也称为高速冲击，例如子弹、非包容的发动机高速旋
转部件上的螺钉、螺帽或部分零件飞出和鸟撞等外来物的冲击，造成的损伤，
往往是穿透性的，并伴随有一定范围的局部分层。
雷击虽然不属于冲击，但
仍然导致零部件的失灵。
✧低能冲击多数情况下也是低速冲击。
✓生产或维修工具的坠落；
✓叉车、运输卡车和工作平台维护设施的撞击；
✓维修生产人员无意中的踩踏；
✓服役过程中的损伤。
●孔孔是设计中不可避免的，虽然不属于缺陷和损伤，但是它确实引起了
结构强度的削弱，是耐久性/损伤容限设计时必须考虑的因素。
1.2.3.疲劳性能
1.2.4.缺口敏感性
1.2.5.复合材料含裂纹时的断裂韧性
●单向复合材料
●多向复合材料的断裂韧性
1.2.6.分散性和环境影响
1.3.复合材料结构的耐久性/损伤容限设计要求
1.3.1耐久性对复合材料结构的补充要求
●要进行足够的试验确定疲劳分散性和湿热环境的影响；
●设计时必须考虑使用中的各种损伤，主要是冲击损伤对修理、维护和功能
可能产生的影响，即不导致出现昂贵的维护问题。
1.3.2损伤容限的要求
1.4.复合材料结构耐久性/损伤容限设计方法概述
2.复合材料冲击损伤与典型冲击威胁
2.1冲击损伤
2.1.1损伤检测
●巡回检测在生产现场或装配现场进行检测，以发现孔洞、大面积凹陷等
易于检测的损伤；
●一般目视检测对结构较大范围内，或者结构内部结构，远距离目视检测，
以获得冲击损伤的痕迹或其他结构异常；
●详细目视检测对结构局部范围区域的外部和/或内部进行贴近的仔细目
视检测，以获得详细的冲击损伤信息和数据，或其他结构异常细节，通常是在大修时才进行。
●专门无损检测采用无损检测方法（如超声波、X射线等）对结构具体上
海部位进行定量检测，以确定损伤范围和严重程度，主要用于复合材料内部缺陷的检测。
2.1.2目视勉强可检损伤
●定义目视可检损伤（Barely Visible Impact Damage，BVID）是指在定
期修理过程中，在有代表性的光照条件下（如自然光照），从1.5m（5ft）距离常规目视检查，没有被发现的小损伤。
●量化指标
✧模具一侧冲击深度值为0.25～0.5mm（0.01～0.02in）；
✧真空袋一侧冲击深度值1.3mm（0.05in）
2.1.3目视易检损伤
●定义目视易检损伤（Easy Visible Impact Damage，EVID），也称为大
的目视一检损伤，是指机体结构应能承受限制载荷而不发生破坏对应的最大目视可检损伤。
●EVID应该满足的要求
✧在结构的检查间隔内，假设一次漏检（即在两个检查间隔内），有代
表性的疲劳载荷循环下，无有害的损伤扩展。
✧零件结构的剩余强度，必须有能力承载限制载荷，直至损伤被发现和
修理。
2.1.4目视可检损伤
●定义目视可检损伤（Visible Impact Damage，VID），是指大于目视勉
强可检损伤，小于目视易检损伤范围内的所有目视可检损伤。
●目视可检损伤、目视勉强可检损伤和目视易检损伤，三者共同构成目视（冲
击）损伤检测范围。
2.1.5许用损伤限制和最大设计损伤
●许用损伤限制和最大设计损伤是根据结构设计要求确定的设计分析用损
伤尺度。
●结构设计分析中，剩余强度等于设计极限载荷（安全裕度为零）对应的损
伤，确定为许用损伤限制（Allowable Damage Limit，ADL），其值由设计确定，应略大于BVID，以考虑适当的余量，偏于安全。
●最大设计损伤（Maximum Design Damage，MDD），是结构设计考虑的最大
离散源损伤，即结构设计分析中剩余强度大于设计限制载荷所对应的损伤，其值由设计确定，应小于临界损伤门槛值CDT，以便留有设计裕度。
●剩余强度等于设计限制载荷对应的损伤为COD，可以查表通过计算获得，
最后要求使用试验验证。
2.2典型冲击威胁
2.1.1常用工具坠落试验
2.1.2冰雹冲击试验
2.1.3服役中环境近海试验
2.1.4维护和维修中工具设备碰撞试验
2.1.5离散源冲击试验
●非包容性离散源冲击
●未知源离散源冲击损伤
●元件损伤
2.1.6飞机跑道碎石或轮胎碎片冲击
2.1.7飞鸟撞击试验
3.课外作业
3.1.复合材料零部件的设计中，为什么要考虑耐久性/损伤容限的设计？
3.2.复合材料结构损伤、断裂和疲劳的特点是什么？
3.3.简要陈述复合材料冲击损伤与典型冲击威胁有哪些？。