剩餘強度

剩餘強度表征了含裂紋結構的最大承載能力，一般取決於材料特性、初始裂紋長度和服役時間。

由於工程結構在製造或服役過程中，經常會伴有裂紋或近似於裂紋的缺陷、劃痕的產生，因此工程結構的實際最大承載能力往往取決於剩餘強度，而非設計強度。在安全評估中，剩餘強度是一個重要的考量，它可以為推斷結構壽命提供參考。

剩餘強度有兩方面的問題要解決：

1）根據剩餘強度的物理意義，確定合理的分析方法。

2）根據實際條件，找到預測剩餘強度的方法。

基本介紹

• 中文名：剩餘強度
• 外文名：Residual strength
• 簡述：含裂紋結構的最大承載能力
• 問題解決：基於剩餘強度的物理意義確定正確的分析方法
• 分析方法：最大靜載荷、斷裂韌性
• 用於：含裂紋的工程結構最大許用載荷校核和安全評估

簡介

正如已經指出的，經受一個衝擊事件，引起了可見的甚至不可見的損傷之後，複合材料層壓板的壓縮強度顯著降低。例如，對於典型操縱面結構的厚度小於3mm的層壓板，在有BVID時，其壓縮強度可能降低50%。這些縮減係數通常在試片級通過衝擊後壓縮試驗確定。這些試驗通常以特定的能量水平衝擊試片，而不是規定一個損傷的程度。最初設計這種試驗用作比較不同材料的一種手段。但這些試驗已被廣泛用於確定設計許用值。

相比之下，通常認為衝擊損傷後的拉伸剩餘強度並不像其他幾何特徵那么重要，例如，緊固件孔和缺口更加危險。充壓的機身是個例外情況，必須證實當它含有重大損傷時能滿足破損安全要求。在這種情況下，所規定的損傷性質與尺寸常常類似於熟知的、出現於金屬結構之中的那些損傷形式。然後，通常用全尺寸結構件試驗來驗證其剩餘強度，而不是利用試片數據加以預測。

霍頓（Horton）等人對複合材料層壓板的損傷容限問題提供了更多的資料。

衝擊後強度的建模工具還不夠成熟而無法依賴，因此，認證是基於（用試驗）證明應變水平足夠低，並且即使存在損傷也不會發生破壞。因此，經常在不同尺寸下進行衝擊後（和其他代表性損傷）的後剩餘強度試驗，包括疲勞試驗計畫完成後的全尺寸試驗。剩餘強度試驗後，可能接著進行其他代表性的循環載荷試驗，以檢查損傷的擴展。

當定量描述衝擊後剩餘強度時，更加可取的做法是採用應變，因為這樣就不需考慮層壓板的剛度。帶有BVID的許用極限壓縮應變不比含6mm左右孔的未損層壓板的極限強度小很多，因此，有時就用後一個許用值來覆蓋這兩種情況。

剩餘強度的測定

對於金屬結構，“剩餘強度”定義結構由於疲勞或應力腐蝕等原因而形成裂紋之後的強度。由於複合材料結構是脆性的，對即使微小損傷的存在也很敏感，因此其剩餘強度的定義包括了當存在低能衝擊損傷或其他缺陷時的結構靜強度。高能衝擊可能導致層壓板穿透，並帶有少量或無局部的分層，但低能衝擊卻導致纖維局部斷裂、分層、脫黏或基體開裂等形式的損傷。這些缺陷可能呈現為小的表面目視可見損傷（通常叫做勉強目視可見衝擊損傷（BVID））。低能衝擊損傷是複合材料設計者關注的一個問題，因為這損傷可能在表面不可見，但卻引起結構的剩餘強度下降。眾多研究者已廣泛研究了衝擊損傷對複合材料結構靜強度和疲勞強度的影響。已經證實，衝擊損傷在壓縮載荷下比在拉伸載荷下的影響更大，從而，剩餘強度試驗一般在壓縮載荷下進行。

在製造的各個階段，如材料與工藝、機械加工、鑽孔、修形和裝配，以及相應處置，或者在構件的使用過程中，都可能形成一些缺陷。下圖表概括了一些可能的缺陷。

複合材料結構在製造和服役中的缺陷類型與原因

當存在這些缺陷時，結構的剩餘強度取決於各種參數，如結構、幾何形狀、尺寸與外形、材料、損傷類型及其大小、載荷和環境暴露等。其中顯示了一些缺陷，如孔隙度、分層、開孔或充填孔以及衝擊損傷，對碳/環氧樹脂層壓板靜強度影響的相對嚴重程度。衝擊損傷對剩餘強度的影響是個重要問題。

在所有的損傷中，衝擊損傷看來是最危險的。在經受僅產生目視勉強可見損傷的衝擊後，通常，層壓板原先靜強度將下降50%或更多。因此，大多數剩餘強度試驗都在帶有衝擊損傷的試片和結構上進行，並假定這將覆蓋其他缺陷的影響。

剩餘強度試驗

在疲勞試驗成功結束時，必須證實剩餘強度，必須證實限制載荷或極限載荷能力，而這分別取決於已經存在的損傷為目視可見或不可見。對靜力載入的環境應該是最惡劣的環境（對多數材料為高溫濕態）。定期的剩餘強度試驗可以合併在疲勞試驗過程中，以防止早期破壞或損傷擴展。在這樣的情況下，最後成功的剩餘強度試驗標註的是當前被設計取證的循環數。

旋翼機複合材料在疲勞載入下的損傷容限取證方法如圖所示。

旋翼機疲勞試驗簡圖

剩餘強度分析方法

剩餘強度是指含損傷結構在給定裂紋長度時所能承受的載荷（或應力）值，其目的是確定結構在剩餘強度載荷下的最大損傷程度；或者通過分析結構的實際承載能力預測結構在一定的損傷情況下是否能夠滿足剩餘強度載荷要求。

剩餘強度載荷要求

含損傷結構必須承受的最大預期載荷，亦即剩餘強度評定和試驗驗證的、由適航條例規定的載荷要求值，它是保證飛機結構安全性的最低要求。依據CCAR25.571（b）中規定的要求進行載荷計算，給出剩餘強度載荷要求值。

剩餘強度許用值

剩餘強度許用值體現了帶裂紋結構實際的承載能力，以[σ]_rs表示，它隨裂紋長度增加而降低。在整個設計服役目標壽命期內的剩餘強度都應當滿足：

[σ]_rs≥σ_req
式中σ_req——為剩餘強度要求值。

允許的最大損傷

確定每個結構件按適航條例規定的剩餘強度限制載荷下允許的最大損傷，即臨界損傷，該損傷尺寸是裂紋擴展計算的極限，應確保在達到該損傷尺寸之前檢查出來。其中雙跨裂紋準則應作為重要的設計日標和要求之一，其含義是結構在中間加強件完全破壞時任意方向的雙跨損傷情況下能承受限制載荷。即：

（1）對機翼下表面，應在中間長桁斷開的弦向雙跨裂紋情況下承受限制載荷。

（2）對增壓機身，應在兩個方向的雙跨裂紋情況下承受限制載荷，即中間剪下角片斷開的雙跨縱向蒙皮裂紋和/或中間長桁斷開的雙跨環向蒙皮裂紋。

選擇這個大損傷的目的是使此損傷由外部巡迴目視明顯可檢。一般情況下，臨界裂紋尺寸a_c需用疊代法求出。

分析流程

剩餘強度分析流程如圖所示。

剩餘強度分析流程

剩餘強度分析步驟如下：

（1）確定構型和開裂模式。

（2）確定按適航條例規定的剩餘強度要求值σ_req。

（3）確定材料性能。

（4）確定裂紋尺寸a。

（5）選取構型因子Y及載荷再分配因子C。

（6）估算過渡裂紋長度a_y。

（7）確定剰余強度許用值[σ]_rs。

（8）比較：若[σ]_rs大於σ_req，則a小於a_c，回到（4），増加假定的裂紋尺寸、進行（5）～（8）；反之則a大於等於a_c。進入下一歩。

（9）確定臨界裂紋長度a_c，畫σ_rs ～a曲線，由σ_req求得a（一般至少需3～4點）。剩餘強度分析方法如所示。

剩餘強度分析方法