托举着中国几代航空人的梦想,国产大飞机C919昨日下午首飞。C919是中国首款按照最新国际适航标准、自主研发设计的大飞机,而“自主研发设计”的背后凝结了多少人的汗水和艰辛,几乎是无法计量的。这其中就包括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,他们先后承担并圆满完成了五项课题。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中……10年磨一剑,这个融汇了很多技术名词的故事,证明了大连的另一种实力。

我国自主研制的国产大型客机C919昨日首飞成功,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。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中,在机身复合材料结构的制备工艺与基本力学性能评估和提高复合材料加筋壁板的承载性能等方面开展了研究。10年磨一剑,团队取得了重要科研成果。
为C919建设复合材料破坏机理与结构数据库

建数据库助力复合材料应用

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。

国产客机的研制,关键之一是提高先进材料应用水平。复合材料用量是民用客机先进性的重要标志,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。而国产大飞机C919在复合材料应用上,面临着国内基础能力薄弱和适航认证无经验等一系列巨大困难,很大的原因在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和试验分析数据。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,从而更加显示大连理工大学白瑞祥团队所取得的历史性成果的重要性和来之不易。

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。
一个壁板要贴300-400个应变片

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。

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。虽然团队基于前期复合材料结构数据库的校正,给出了几种标准模块化程序,但从制作工艺和加工质量角度来说,数值模拟还不能代替实际试验,因为,实际材料制备中存在各种工艺缺陷,干扰试验预期结果,为此,必须重视试验研究,因为试验数据对于结构强度失效、刚度失效以及材料损伤演化、界面开裂等行为的研究非常有价值。

采集数据,一个壁板贴300~400个应变片

为保证从复合材料壁板各环节处获得翔实、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。虽然团队给出了几种标准模块化程序,但从制作工艺和加工质量角度来说,数值模拟还不能代替实际试验。

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。为防止运输前后应变片遭到破坏,每个应变片还要作保护措施,防止搬运和长途运输过程中出现损坏,而且运输前后都要进行测试,保证每个应变片性能完好无损。
创造性设计杠杆系统

“只能成功”,白瑞祥说,无论从时间还是从成本上讲,都不允许失败;为此,他们在试前检查、仪器设备的精度、加载装置、夹具精度,及操作规程上都做到严格、精准,不允许有丝毫差池。

金沙手机娱乐网址,在C919飞机尾翼结构前缘承载能力试验中,团队创造性地设计了加载拉压垫和分力杠杆系统,使实验加载具有更高的精度。

为不忽略每一个可靠数据的采集,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。为防止运输前后应变片遭到破坏,每个应变片还要作保护措施,而且运输前后都要进行测试,保证每个应变片性能完好无损。

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。”

试验承载能力,创造性设计杠杆系统

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。”
实施全场的光学测量手段