復(fù)合材料在航空航天結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)題目及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分。每題只有一個(gè)正確答案，請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填入括號(hào)內(nèi)）1.在航空航天復(fù)合材料層合板設(shè)計(jì)中，采用“準(zhǔn)各向同性”鋪層的主要目的是（）。A.提高縱向彈性模量B.消除拉剪耦合效應(yīng)C.降低面內(nèi)泊松比D.使面內(nèi)剛度近似各向同性答案：D2.對(duì)于T300/環(huán)氧單向預(yù)浸料，在室溫濕態(tài)（70℃/85%RH平衡）條件下，其層間剪切強(qiáng)度通常比干態(tài)下降約（）。A.5%B.15%C.30%D.50%答案：C3.在復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮長(zhǎng)桁連接中，采用鈦合金螺栓+膠接混合連接的主要優(yōu)勢(shì)是（）。A.完全避免鉆孔應(yīng)力集中B.提高疲勞壽命并降低重量C.取消緊固件防腐涂層D.消除膠層剝離破壞模式答案：B4.下列無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)碳纖維復(fù)合材料層板近表面0.5mm內(nèi)分層最不敏感的是（）。A.高頻超聲C掃描（25MHz）B.相控陣超聲C.熱激勵(lì)紅外熱像D.低頻渦流（100kHz）答案：D5.在ASTMD6641標(biāo)準(zhǔn)中，測(cè)量復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度時(shí)，推薦采用的加載方式是（）。A.端部加載B.剪切加載C.彎曲加載D.劈裂加載答案：B6.對(duì)于自動(dòng)鋪絲（AFP）工藝，下列哪項(xiàng)參數(shù)對(duì)層間孔隙率影響最顯著（）。A.絲束寬度B.壓輥溫度C.鋪放速度D.絲束張力答案：B7.在復(fù)合材料熱壓罐固化過(guò)程中，施加真空的主要作用是（）。A.提高纖維體積分?jǐn)?shù)B.降低固化放熱峰C.排除揮發(fā)份與空氣D.抑制樹(shù)脂化學(xué)收縮答案：C8.采用“真空輔助樹(shù)脂灌注（VARI）”制造大型航天器夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，最需關(guān)注的面板缺陷是（）。A.纖維屈曲B.富脂區(qū)C.面板芯材脫粘D.芯材剪切裂紋答案：C9.在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，光纖布拉格光柵（FBG）傳感器測(cè)量應(yīng)變的物理量是（）。A.光強(qiáng)衰減B.相位漂移C.中心波長(zhǎng)漂移D.偏振態(tài)變化答案：C10.對(duì)于碳纖維/環(huán)氧層合板，在55℃低溫環(huán)境下，下列性能通常升高的是（）。A.層間斷裂韌性GICB.橫向拉伸強(qiáng)度C.縱向壓縮強(qiáng)度D.面內(nèi)剪切模量答案：D二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分。每題有兩個(gè)或兩個(gè)以上正確答案，多選、少選、錯(cuò)選均不得分）11.下列因素會(huì)顯著降低復(fù)合材料層合板層間剪切強(qiáng)度的有（）。A.吸濕率0.8%B.孔隙率3%C.纖維體積分?jǐn)?shù)65%D.固化降溫速率2℃/minE.表面未打磨直接膠接答案：A、B、E12.在復(fù)合材料機(jī)翼盒段屈曲設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中，需同時(shí)滿足（）。A.極限載荷下無(wú)總體屈曲B.限制載荷下無(wú)永久變形C.極限載荷下蒙皮局部屈曲幅值≤2mmD.限制載荷下剪切腹板屈曲系數(shù)≥1.5E.損傷容限載荷下剩余強(qiáng)度≥限制載荷答案：A、B、E13.下列屬于復(fù)合材料“沖擊后壓縮（CAI）”試驗(yàn)關(guān)鍵控制參數(shù)的有（）。A.沖擊能量6.7J/mmB.沖擊頭直徑16mmC.試樣厚度4mmD.沖擊位置中心±2mmE.壓縮加載速率1.25mm/min答案：A、B、D、E14.在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)中，常用“剩余剛度法”而非“剩余強(qiáng)度法”的主要原因是（）。A.剛度退化數(shù)據(jù)離散小B.可在線監(jiān)測(cè)C.強(qiáng)度退化呈脆性突變D.剛度退化與壽命呈線性E.強(qiáng)度試驗(yàn)樣本需求少答案：A、B、C15.下列措施可有效提高復(fù)合材料層合板層間斷裂韌性GIC的有（）。A.插層熱塑性納米纖維膜B.基體增韌劑（核殼橡膠）C.提高固化溫度D.3D打印短纖維鉚釘E.采用高模量碳纖維答案：A、B、D三、填空題（每空2分，共20分）16.在復(fù)合材料層合板經(jīng)典層合理論（CLT）中，對(duì)稱均衡鋪層條件下，面內(nèi)拉剪耦合系數(shù)A16與A26的理論值均為_(kāi)_______。答案：017.對(duì)于CF/PEEK熱塑性復(fù)合材料，激光輔助鋪放（LATP）時(shí)，激光功率密度一般控制在________W/mm2量級(jí)，以確保界面熔深≥0.2mm且不發(fā)生熱降解。答案：10–2018.在復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中，當(dāng)芯材厚度hc與面板厚度tf之比滿足hc/tf＞________時(shí)，需考慮整體局部耦合屈曲。答案：3019.按照ASTMD5573，膠接接頭單搭接剪切強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，推薦搭接長(zhǎng)度與厚度比L/t≈________，以消除剝離應(yīng)力對(duì)剪切強(qiáng)度的干擾。答案：1520.在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)“鳥(niǎo)撞”仿真中，常用________本構(gòu)模型描述飛鳥(niǎo)的流體固體耦合行為，該模型需同時(shí)考慮狀態(tài)方程與失效準(zhǔn)則。答案：SPH（光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)）21.對(duì)于自動(dòng)鋪絲（AFP）工藝，相鄰絲束間隙超過(guò)________mm時(shí)，將在層間形成富樹(shù)脂通道，導(dǎo)致層間剪切強(qiáng)度下降約10%。答案：0.222.在復(fù)合材料熱壓罐固化過(guò)程中，當(dāng)樹(shù)脂固化度α達(dá)到________時(shí)，凝膠點(diǎn)出現(xiàn)，此時(shí)模量開(kāi)始急劇上升。答案：0.35–0.4523.采用“樹(shù)脂灌注”工藝時(shí)，根據(jù)達(dá)西定律，樹(shù)脂前沿流動(dòng)距離l與時(shí)間t的關(guān)系為l∝√t，其中滲透率K的單位為_(kāi)_______。答案：m224.在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，聲發(fā)射（AE）信號(hào)頻率范圍通常集中在________kHz，以避開(kāi)環(huán)境噪聲頻段。答案：100–50025.對(duì)于碳纖維/環(huán)氧層合板，在濕熱環(huán)境（70℃/85%RH，1000h）后，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg通常下降________℃。答案：15–25四、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）26.簡(jiǎn)述復(fù)合材料層合板“開(kāi)孔壓縮（OHC）”強(qiáng)度低于“開(kāi)孔拉伸（OHT）”強(qiáng)度的物理機(jī)制，并給出兩種提高OHC強(qiáng)度的設(shè)計(jì)措施。答案：（1）物理機(jī)制：a.壓縮載荷下孔邊產(chǎn)生高面內(nèi)壓應(yīng)力，誘發(fā)纖維微屈曲與分層耦合，形成剪切型局部失穩(wěn)；b.樹(shù)脂基體在壓應(yīng)力下橫向支撐能力弱，孔邊纖維易失穩(wěn)彎折，導(dǎo)致早期屈曲壓縮破壞；c.拉伸載荷下孔邊應(yīng)力集中可通過(guò)纖維橋接緩解，而壓縮下纖維一旦屈曲即喪失承載能力。（2）設(shè)計(jì)措施：a.孔邊局部增加±45°鋪層比例，提高剪切穩(wěn)定性；b.采用鈦合金襯套或局部加厚，降低孔邊名義應(yīng)力；c.在孔邊插層高韌性熱塑性薄膜，抑制分層擴(kuò)展。27.說(shuō)明“低溫脆性”對(duì)碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料航天器結(jié)構(gòu)的危害，并列舉兩種地面試驗(yàn)驗(yàn)證方法。答案：危害：a.層間斷裂韌性GIC、GIIC急劇下降，微裂紋在熱循環(huán)下擴(kuò)展，導(dǎo)致密封失效；b.基體收縮產(chǎn)生微裂紋，真空環(huán)境下?lián)]發(fā)物增加，污染光學(xué)載荷；c.沖擊后壓縮強(qiáng)度（CAI）降低50%以上，降低微流星體防護(hù)能力。驗(yàn)證方法：a.液氮浸泡(196℃)后三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測(cè)量彎曲強(qiáng)度與模量保持率；b.熱循環(huán)試驗(yàn)（120℃?+120℃，1000次），每100次進(jìn)行超聲C掃描，記錄分層面積擴(kuò)展率；c.低溫落錘沖擊（55℃，30J）后CAI試驗(yàn)，對(duì)比室溫與低溫剩余強(qiáng)度。28.解釋“樹(shù)脂固化收縮”導(dǎo)致復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮與金屬肋連接處產(chǎn)生裝配殘余應(yīng)力的機(jī)理，并提出兩種工藝緩解方案。答案：機(jī)理：a.環(huán)氧樹(shù)脂固化化學(xué)收縮約1–2%，降溫?zé)崾湛s（ΔT≈160℃）產(chǎn)生附加應(yīng)變；b.蒙皮與金屬肋熱膨脹系數(shù)差異大（αCFRP≈1×10??/℃，αAl≈23×10??/℃），約束導(dǎo)致界面剪應(yīng)力；c.殘余剪應(yīng)力在裝配孔邊疊加，降低疲勞壽命。緩解方案：a.采用“共固化”柔性膠層（剪切模量G<50MPa），厚度0.2mm，吸收收縮差異；b.分階段固化：先120℃預(yù)固化2h，再升溫至180℃，使樹(shù)脂在較低溫度下完成大部分收縮；c.設(shè)計(jì)“滑移接頭”，在肋緣條開(kāi)長(zhǎng)圓孔，允許0.5mm相對(duì)滑移。五、應(yīng)用題（共41分）29.計(jì)算題（13分）某型無(wú)人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼盒段蒙皮為T(mén)300/環(huán)氧對(duì)稱均衡鋪層[45/0/45/90]?S，單層厚度0.125mm，設(shè)計(jì)載荷N_x=1.8×10?N/m（軸向拉伸）。已知單層板工程常數(shù)：E?=135GPa，E?=9GPa，G??=5GPa，ν??=0.3。（1）計(jì)算層合板面內(nèi)等效彈性模量E_x；（2）校核設(shè)計(jì)載荷下蒙皮軸向應(yīng)變?chǔ)臺(tái)x是否小于限制應(yīng)變4000με；（3）若蒙皮寬0.3m，求所需鋪層數(shù)n（取偶數(shù)）。答案：（1）對(duì)稱均衡鋪層，A16=A26=0，按經(jīng)典層合理論：A??=Σ(Q???)?t?，總厚度h=8×0.125=1mm鋪層比例：45°:25%，0°:25%，45°:25%，90°:25%Q???(0°)=135GPa，Q???(90°)=9GPa，Q???(±45°)=39.4GPaA??=135×0.25+9×0.25+2×39.4×0.25=55.7GPa·mmE_x=A??/h=55.7GPa（2）ε_(tái)x=N_x/(E_xh)=1.8×10?/(55.7×10?×1×10?3)=32.3×10??=3230με<4000με，滿足。（3）總拉力F=N_x×0.3=5.4×10?N單層0°承載能力F?=E?tε=135×10?×0.125×10?3×4000×10??=67.5kN/m需0°層數(shù)：n?=F/(F?×0.3)=5.4×10?/(67.5×103×0.3)=26.7→28層對(duì)稱均衡，總層數(shù)n=28×4=112層（取最接近8的倍數(shù)：112層，厚度14mm）。30.分析題（14分）某型衛(wèi)星復(fù)合材料承力筒為CF/環(huán)氧蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，筒高1.2m，直徑1m，面板[0/±45/90]S，單層厚0.125mm，芯材鋁蜂窩HexWeb50520.0007″3/16″8.1pcf。（1）給出軸向軸壓臨界屈曲載荷N_cr理論公式（忽略剪切變形）；（2）計(jì)算面板臨界應(yīng)力σ_cr（E_f=140GPa，ν_f=0.3，芯材剪切剛度G_c=310MPa）；（3）若實(shí)測(cè)屈曲載荷僅為理論值60%，列舉三種可能缺陷并給出改進(jìn)措施。答案：（1）軸壓圓柱殼屈曲：N_cr=(2πRt)/(√(3(1ν2)))×E_f(t/R)其中R=0.5m，t=4×0.125=0.5mm（2）σ_cr=N_cr/(2t)=E_f/√(3(1ν2))×(t/R)=140×10?/√(3×0.91)×(0.5×10?3/0.5)=84.7MPa（3）缺陷與改進(jìn)：a.芯材節(jié)點(diǎn)膠接缺陷→采用節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度≥2MPa的航空級(jí)蜂窩，控制固化壓力0.3MPa；b.面板鋪層錯(cuò)位→AFP鋪放精度±0.5mm，在線激光檢測(cè)；c.初始幾何不圓度→模具橢圓度≤0.2mm，采用真空袋二次校形。31.綜合設(shè)計(jì)題（14分）某型高超聲速飛行器碳纖維/環(huán)氧前緣需承受1200℃駐點(diǎn)熱流60s，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)擬采用“外部C/SiC防熱套+內(nèi)部CFRP承載結(jié)構(gòu)”雙層方案。（1）給出防熱套與承載層之間的界面熱應(yīng)力來(lái)源；（2）提出一種熱結(jié)構(gòu)一體化連接方案，要求：①可拆卸；②熱短路??；③承載≥20kN/m；（3）給出地面試驗(yàn)驗(yàn)證路線（含設(shè)備、加載、測(cè)量）。答案：（1）熱應(yīng)力來(lái)源：a.高溫側(cè)C/SiC膨脹系數(shù)≈3×10??/℃，低溫側(cè)CFRP≈1×10??/℃，ΔT≈1000℃產(chǎn)生剪切應(yīng)力；b.防熱套外高內(nèi)低溫度梯度引起彎曲應(yīng)力；c.樹(shù)脂基體熱分解產(chǎn)生揮發(fā)氣壓。（2）連接方案：“陶瓷鈦合金復(fù)合材料”梯度過(guò)渡：a.C/SiC防熱套內(nèi)側(cè)預(yù)埋M6×1鈦合金螺套（螺紋長(zhǎng)度12mm），螺套與陶瓷間采用AgCuTi活性釬焊，焊縫厚0.1mm；b.承載層CFRP預(yù)埋鈦合金T型滑軌，滑軌與復(fù)合材料膠鉚混合連接；c.采用Z型鈦合金隔熱橋（厚度1mm，長(zhǎng)度20mm），熱導(dǎo)率≈7W/(m·K)，將熱流路徑延長(zhǎng)3倍，理論熱短路熱流密度≤0.8kW/m2；d.螺栓采用Inconel71