高清可复制 HB 8668-2022 民用直升机复合材料机体结构典型组件试验要求

　　ICS 49.020 V 36

　　HB 8668-2022

　　民用直升机复合材料机体结构典型组件

　　试验要求

　　Test requirements of composite materials structure typical component for civil

　　helicopter

　　2022-04-24 发布 2022-10-01 实施

　　中华人民共和国工业和信息化部 发 布

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1.1-2009《标准化工作导则 第一部分：标准化文件的结构和起草规则》给出的规则起草。

　　本标准由中国航空综合技术研究所归口。

　　本标准起草单位：天津直升机研发中心、中国航空综合技术研究所、中国特种飞行器研究所。

　　本标准主要起草人：王卫卫、吕保良、罗 伟、肖文萍、蒋玮光、孙云伟、陶 威、万 蓉。

　　民用直升机复合材料机体结构典型组件试验要求

　　1 范围

　　本标准规定了民用直升机复合材料机体结构典型组件强度试验(简称“组件试验”)的试验目的、试验项目、试验程序和试验方法。

　　本标准适用于民用直升机复合材料机体结构典型组件试验，主要是工程研制过程中的地面试验。其他非民机结构件可参照执行。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件， 仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　3 试验项目和要求

　　3.1 试验项目

　　民用直升机复合材料机体结构典型组件试验主要包括以下项目：

　　a) 剪切稳定性试验;

　　b) 压缩稳定性试验;

　　c) 典型连接结构静力试验;

　　d) 典型连接结构疲劳试验。

　　3.2 试验程序

　　民用直升机复合材料机体结构典型组件试验，主要包括试验前准备、预试和正式试验等。试验程序流程，可参照图 1 执行。

　　3.3 试验件

　　民用直升机复合材料机体结构典型组件试验选取的试验件，应是能够代表直升机复合材料结构及受力特点的结构，应能代表主承力结构的各种结构型式，所用材料应能覆盖所验证的复合材料，且其结构型式、铺层应能覆盖不同的结构部位，易于真实验证该结构在全机状态下的受载情况。

　　稳定性试验的试验件可以是层合板、加筋结构或夹层结构。

　　剪切稳定性试验件一般应为正方形结构，压缩稳定性试验应为矩形(含正方形)结构，典型连接结构试验件可以是铆钉连接、螺栓连接、胶接连接或混合连接结构。

　　试验件还应满足以下要求：

　　a) 试验任务书要求的民用直升机的复合材料机体结构壁板或典型连接结构件，具有产品检验合格

　　证以及影响结构强度和刚度的超差、代料文件，并经检验合格;

　　b) 经过适航制造符合性检查，并颁发适航批准标签;

　　c) 生产单位对每件试验件作标识，标识内容包括图号、批次编号和顺序号;

　　d) 静力试验件同一状态的试验至少进行 5 个有效试验件，疲劳试验件同一状态的试验至少进行3 个有效试验件;

　　e) 稳定性试验项目试验件，边框要局部加强，并保持载荷加载在其中心位置。

　　图 1 民用直升机复合材料机体结构典型组件试验流程示意图

　　3.4 试验设备

　　试验设备与测试仪器在试验前应进行校准并在有效使用期内，且满足加载和测量精度的要求，主要包括：

　　a) 材料试验机——载荷精度在显示值的±1%以内或满足 GB/T 1446 的要求;

　　b) 压力试验机——除具有 3.4 a)项试验机所具备功能外，还有上下平台，也可以用带有压缩加载功能的材料试验机替代;

　　c) 数据采集设备——可以连续或按规定时间间隔记录试验数据，测量精度为±1%Fs;

　　d) 千分尺或卡尺——测量精度为 0.02mm;

　　e) 摄录像设备——具有摄像和录像功能，可保证试验全过程进行摄像。

　　3.5 剪切稳定性试验

　　3.5.1 试验目的

　　剪切稳定性试验目的是通过夹具对角拉伸，使试验件承受面内剪切载荷的试验状态。

　　3.5.2 试验条件

　　试验采用夹具支持，在试验机上进行试验。试验夹具应能保证试验载荷在试验件面内传递， 不允许引起任何试验件面外的载荷，并应保证用于夹具与试验件连接的紧固件均匀受载，以避免由于局部连接处应力集中导致的试验件连接孔挤压破坏或紧固件破坏。试验夹具一般为四连杆结构，可采用单四连杆或双四连杆结构：

　　a) 使用单四连杆结构时，应避免由于四角应力集中导致的试验件连接孔提前挤压破坏，可采取对试验件夹持部位加强等方式，以保证试验件连接孔不被提前挤压破坏;

　　b) 双四连杆结构试验夹具的内四连杆和外四连杆机构，均应具有足够大的刚度，以避免由于夹具的变形引起试验件平面法向变形。

　　3.5.3 测点布置

　　可采用如图 2 所示的测点布置方式，将应变花粘贴在剪切稳定性试验件正反两侧。图 2 中对称轴线和中心处为必须粘贴的部位，根据不同试验件结构的不同要求可在其他部位增加应变测点，如当试验件具有加筋结构时，应在筋条部位粘贴部分应变片。

　　应按照任务书的要求，准确粘贴应变片并记录。

　　图 2 剪切稳定性试验应变测点布置示意图

　　3.5.4 试验件安装与检测

　　试验件安装时应保证试验件的安全，避免损伤试验件。采用单四连杆结构或双四连杆结构均可。当采用双四连杆结构试验安装与检测时，可按以下步骤进行：

　　a) 试验件测量：试验前对试验件的几何尺寸进行测量，包括试验件四边长度、四边夹持区域厚度。四边夹持区域厚度测量时，每边至少测量两处不同部位厚度值，取平均值作为夹持区域厚度值。长度测量精度为 1mm ，厚度测量精度为 0.02mm。对于加筋板结构试验件， 还应测量加筋板筋条间距和端距，测量精度为 1mm;

　　b) 试验件连接：在试验件的四边，每边各使用两件内四连杆通过间距相等的铆钉或螺栓，将试验件与内四连杆铆接或螺接在一起。内四连杆与试验件接触区域为一长条形凸台，凸台宽度与铆钉头直径一致或 2 倍连接孔孔径;

　　c) 应变片粘贴：按任务书要求，在试验件规定的部位粘贴相应数量的应变片。该工作可在“试验件铆接”前进行。对粘贴好应变片的试验件进行铆接时， 应采取必要措施，以保证应变片不被损坏;

　　d) 内四连杆机构安装：在内四连杆的四角分别用一个螺栓，将试验件四边的内四连杆连成一个整体框架，即内四连杆机构;

　　e) 外四连杆机构安装：在内四连杆机构的四边，通过内四连杆中间部位的螺栓孔各安装一件外四连杆，在四角位置，分别用一个螺栓将内四连杆外侧的外四连杆连成一个整体框架，即外四连杆机构。外四连杆安装完成后，试验件与夹具随即完成安装，见图 3;

　　f) 与试验机连接：将安装好的试验件、夹具整体利用外四连杆的一组对角，通过连接件分别与试验机的上、下夹头(或上、下平台)固定，应变片经导线与测试系统连接;

　　g) 检测：试验件铆接后，检测内四连杆机构两对角线距离是否相等或在指定公差范围内。试验件在试验机上安装后，检测其是否在竖直平面内。

　　图 3 双四连杆剪切稳定性试验安装示意图

　　3.5.5 试验加载

　　正式试验前对试验进行预加载，给定一个较小的载荷(一般按 5kN 或不超过最大试验载荷的 30%)对试验件预试，以检查试验系统、测量系统是否满足试验技术要求并消除安装间隙， 根据测得的应变数据，分析试验件是否承受预期的面内剪切载荷状态。当分析结果表明剪切载荷超出预期值时， 应检查是夹具装配引起的误差，或是夹具本身刚度不足引起的误差，根据检查结果调整或更换夹具重新进行试验。

　　正式试验时，应按给定速率对试验件施加拉伸载荷，使试验件在 3min～10min 内被破坏，当载荷下降超过 30% 时停止加载。

　　3.5.6 试验数据记录

　　试验过程中，应连续或按规定间隔，记录载荷-位移数据、载荷-应变数据。主要包括试验载荷-位移曲线出现拐点时的载荷，试验件出现响声时的载荷，试验件失稳形态以及异常情况。

　　试验件被破坏后，应记录破坏载荷和试验件破坏模式等。

　　试验的采集系统硬件由计算机、打印机、应变采集系统和电阻应变片等组成。

　　3.6 压缩稳定性试验

　　3.6.1 试验目的

　　压缩稳定性试验是测定试验件一组对边承受静压力的情况下的力学性能试验，根据受力形式不同，可分为四边简支、四边固支、加载边简支-非加载边固支、加载边固支-非加载边简支、加载边简支/固支-非加载边自由多种形式，不同的支持方式对试验结果影响差别较大。

　　直升机结构中常见的受力形式是四边简支，以四边简支支持方式对压缩稳定性试验进行说明，其他支持方式可参考该方式进行。一般应在具有上、下平台的试验机上进行试验， 试验夹具应能保证压缩载荷在加载截面内均匀传递，采用在试验件加载端与夹具铆接的形式，通过间距相同的铆钉传递试验载荷。在试验件两侧边安装刀口式法向约束，以限制试验件提前失稳。两侧边法向约束应保证试验件工作段支持刚度相同，以免引起由于支持刚度不同而导致试验件局部提前破坏。

　　3.6.2 测点布置和桥路

　　测点布置可采用图 4 所示的方式，沿载荷轴线方向在试验件正反两面粘贴多排应变片，根据不同试验件结构的不同要求，可在其他部位增加应变测点。当试验件具有加筋结构时， 应在筋条部位粘贴部分应变片。

　　图 4 压缩稳定性试验应变片布置示意图

　　3.6.3 试验件安装与检测

　　试验件安装时，应保护试验件的安全，避免损伤试验件，保持力线与试验件压心重合。试验安装与检测可按以下步骤进行：

　　a) 试验件测量：试验前对试验件的几何尺寸进行测量，包括试验件四边长度、四边夹持区域厚度。

　　四边夹持区域厚度测量时每边至少测量两处不同部位厚度值，取平均值作为夹持区域厚度值(厚度测量精度为 0.02mm)。加筋板结构试验件，还应测量加筋板筋条间距和端距(长度测量精度为 1mm)。

　　b) 试验件铆接：在试验件两加载端，各使用两块铆接板，通过间距相等的铆钉将铆接板与试验件铆接在一起。铆接板与试验件接触区域可采用长条形凸台， 凸台宽度与铆钉头一致，铆接时试验件上、下两端分别与两块铆接板采用单排铆钉铆接， 同一排铆钉在同一直线上，试验件安装后两排铆钉所形成的直线均处在水平位置;铆接板长度略小于试验件宽度，铆接板不完全延伸至试验件两侧边缘，留有一定的自由区域，以便在试验件整个工作段安装侧边约束。见图 5。

　　c) 应变片粘贴：按任务书要求在试验件规定的部位粘贴相应数量的应变片。该工作也可在步骤

　　b)“试验件铆接”前进行;当对已经粘贴好应变片的试验件进行铆接时，应采取必要措施保证应变片不受损坏。

　　d) 夹具组装：将 2 件上下固定槽、4 件上下滑动板，分别通过螺钉组合成为 2 套上下固定夹具单独组件，见图 6;将 2 件侧向固定槽、4 件侧向滑动板分别通过螺钉组合成为 2 套侧边约束夹具单独组件，见图 7。

　　e) 试验件固定：将铆接后的试验件放入一件上下固定夹具中，使用螺钉顶紧上下滑动板夹紧试验件，并使得试验件在上下固定槽中央位置。在试验件的另一端使用另外一件上下固定夹具倒扣于试验件上，使用螺钉顶紧上下滑动板夹紧试验件，在固定夹具两侧端部安装 4 件加长板，见图8。

　　f) 侧边约束安装：将组合好的 2 套侧边约束夹具分别安装于试验件两侧边，两端分别与上下固定夹具连接，其中下部顶紧，上部限位。在侧边约束夹具上端部与上部的上下固定夹具之间应留有不小于试验件压缩量的间隙，且跨过端部铆钉所在的水平线，保证整个试验件工作段(上、下两排铆钉之间的距离)支持刚度相同。

　　g) 与试验机连接：将安装好的试验件和夹具，整体置于试验机的下平台上。应变片经导线与测试系统连接。

　　h) 检测：试验件铆接后，应按图 5 检测铆接板端部平面度和两端铆接板端面平行度。试验件与夹具整体安装后，检测试验件垂直度和 2 件上下固定夹具加载面的平行度。

　　3.6.4 试验加载

　　正式试验前对试验进行预加载，给定一个较小的载荷(一般按 5kN 或不超过最大试验载荷的 30%)对试验件预试，以检查试验系统、测量系统是否满足试验技术要求并消除安装间隙， 根据测得的应变数据分析试验载荷是否均匀施加于试验件，如偏差超过 10%(试验件正反对比、左右对比)则调整试验夹具，重新预加载。

　　正式试验时按给定速率对试验件施加拉伸载荷，使试验件在 3min～10min 内被破坏，当载荷下降超过 30% 时停止加载。

　　3.6.5 试验数据记录

　　试验过程中，应连续或按规定间隔，记录载荷-位移数据和载荷-应变数据，主要包括试验载荷-位移曲线出现拐点时的载荷，试验件出现响声时的载荷，试验件失稳形态以及异常情况。

　　试验件被破坏后，应记录破坏载荷和试验件破坏模式等。

　　图 5 压缩稳定性试验件铆接示意图

　　图 6 上下固定夹具组件示意图(一套)

　　图 7 侧向固定夹具组件示意图(两套)

　　标引序号说明：

　　1-上下固定夹具

　　2-加长块

　　3-垫板

　　4-侧向固定夹具

　　5-上下固定夹具

　　图 8 压缩稳定性试验安装示意图

　　3.7 典型连接结构静力试验

　　3.7.1 试验目的

　　典型连接结构静力试验，是通过对试验件施加对拉载荷考核试验件连接区域强度的试验。

　　当要求试验载荷通过连接对接面时，可将试验件直接安装于标准材料试验机上下夹头进行试验，具体方法可参考 GB/T 7559 执行。

　　3.7.2 试验安装与检测

　　3.7.2.1 胶接连接试验件

　　采用胶接方式安装试验件时，应保护试验件的安全，避免损伤试验件。试验安装与检测可按以下步骤进行：

　　a) 试验件测量：试验前对试验件几何尺寸进行测量，试验件宽度、厚度、胶接搭接区域长度。试验件宽度测量应尽量靠近胶接搭接区域，选取三处不同部位测量结果的平均值作为试验件宽度值(宽度测量精度为 0.02mm，其余尺寸测量精度为 0.05mm)。

　　b) 固定夹块安装：根据试验件厚度选择适当厚度的固定夹块，使用两个螺栓通过加载耳上的通孔拧入固定夹块的螺栓孔，并将固定夹块固定于加载耳通孔一侧内壁，试验件夹持端一侧与固定夹块滚花面接触。

　　c) 限位块安装：限位块通过螺钉安装于加载耳底部。如果试验件宽度小于加载耳及夹块的宽度，根据试验件宽度调整加载耳位置，使得试验件安装后试验件中心线与加载耳中心线重合。

　　d) 试验件及移动夹块固定：将试验件端部置于加载耳凹槽内，一侧贴紧固定块;将移动夹块置于加载耳带有螺纹孔的一侧内壁，利用螺钉顶紧移动夹块，从而夹持住试验件。

　　e) 试验件另外一端固定：重复 3.7.2.1 a)、b)、c)步骤，固定试验件另外一端。试验件与夹具安装后的状态，参见图 9。

　　f) 与试验机连接：将试验件连同夹具整体通过加载耳上部的安装孔与试验机上下平台上的固定夹具(或上下夹头)相连。

　　g) 检测：试验件在试验机上安装后，检查试验件是否处于垂直平面内。

　　标引序号说明：

　　1-加载耳(2 件)

　　2-活动夹板(2 件)

　　3-固定夹板(2 件)

　　4-紧固螺钉(4 件)

　　5-限位块(2 件)

　　6-螺钉(2 件)

　　7-顶紧螺钉(4 件)

　　8-试验件

　　图 9 胶接连接试验件安装示意图

　　3.7.2.2 机械连接试验件

　　采用机械方式安装试验件时，应保护试验件的安全，避免损伤试验件。试验安装与检测可按以下步骤进行：

　　a) 试验件测量：试验前对试验件几何尺寸进行测量，试验件宽度、厚度、紧固件距面板端部的端

　　距，如果有多个紧固件，还应测量紧固件之间的距离。试验件宽度测量应尽量靠近连接区域，选取三处不同部位测量结果的平均值作为试验件宽度值，试验件厚度测量时，对试验件两侧的连接零件均测量三处不同部位测量结果的平均值作为厚度值(厚度测量精度为 0.02mm，其余尺寸测量精度为 0.05mm)。

　　b) 试验件制孔：试验件两端制孔与连接夹具连接，制孔时孔与夹具配制，钻头进入的试验件背面需用木块(或胶木块)顶住或采取其他方法，防止孔出口处分层或起毛。

　　c) 紧固件安装：将试验件两端分别插入两件连接夹具的凹槽内，用牌号为 HB 1-103 的螺栓拧紧。

　　d) 与试验机连接：将试验件连同夹具整体通过连接夹具上部的安装孔与试验机上下平台上的固定夹具(或上下夹头)相连。试验件与夹具安装后的状态，参见图 10。

　　e) 检测：试验件在试验机上安装后，检查试验件是否处于垂直平面内。

　　标引序号说明：

　　1-连接板

　　2-螺栓、螺母

　　3-试验件

　　图 10 紧固件连接试验安装示意图

　　3.7.3 试验加载

　　给定一个较小的载荷(根据实际试验情况确定)对试验件预试，以检查试验系统、测量系统是否满足试验技术要求并消除安装间隙。

　　正式试验时，按给定速率对试验件施加拉伸载荷，使试验件在 3min～10min 内被破坏，当载荷下降超过 30% 时停止加载。

　　3.7.4 试验数据记录

　　试验过程中，应连续或按规定间隔，记录载荷-位移数据和载荷-应变数据。主要包括试验载荷-位移曲线出现拐点时的载荷，试验件出现响声时的载荷，试验过程中的异常情况。

　　试验件被破坏后，应记录破坏载荷和试验件破坏模式等。

　　3.8 典型连接结构疲劳试验

　　3.8.1 试验目的

　　典型连接疲劳试验，是通过拉-拉、拉-压的加载方式， 考核典型连接试验件连接区域承受交变疲

　　劳载荷能力的试验。

　　一般应设计一套专用夹具，与试验件连接的夹具宜为关节轴承柄，保证加载载荷保持在试验件对称中心线上。对试验件打孔时，应使孔的圆心在加载载荷沿试验件对称中心线上(孔的数量及大小根据试验件实际尺寸确定)，按试验大纲要求进行试验安装。根据实际情况，也可选择专用的疲劳试验机进行加载，将试验件两端直接夹持于试验机夹头内，其操作方法可参考 GB/T 16779 规定的方法进行。

　　3.8.2 试验件安装与检测

　　3.8.2.1 试验件安装

　　试验件的安装应满足以下要求：

　　a) 试验件加固端加载连接孔加工时，使孔的圆心在加载载荷沿试验件对称中心线上或关于中心线对称，并注意制孔时孔与夹具配制，钻头进入的试验件背面需用木块(或胶木块)顶住或采取其他方法，防止孔出口处分层或起毛;

　　b) 连接加载关节轴承组件与试验件加固端，完成安装后需保证轴承孔中心、试验件中间紧固件孔、加固端连接孔在同一中心线上;

　　c) 连接叉耳与连接加载关节轴承组件后，安装在试验加载机构上;

　　d) 使用符合要求的试验加载机构进行加载(如标准材料试验机)。

　　3.8.2.2 试验件检测

　　机械连接试验件每次更换紧固件时，或每 0.5Mc(百万)次载荷循环后，拆除紧固件，测量紧固件孔的变形量(尺寸测量精度为 0.02mm)。

　　3.8.3 试验加载

　　按任务书给定载荷谱对试验件施加拉-拉、拉-压疲劳载荷。出现以下情况时应停止加载：

　　a) 每次更换紧固件时或每 0.5Mc 次载荷循环后拆除紧固件，测量紧固件孔的变形量，紧固件孔变形超过孔径的 6%;

　　b) 复合材料层压板出现较明显分层和撕裂;

　　c) 对混合连接疲劳性能试验件和胶接连接试验件的失效判据为试验件典型连接部位松动或拉脱;

　　d) 试验过程中应经常检查试验件的情况，如出现异常或破坏，应做好相应记录。

　　3.8.4 试验数据记录

　　试验过程中应记录以下数据：

　　a) 每级试验载荷及对应的循环次数;

　　b) 每次测量紧固件孔的变形量及变形百分比;

　　c) 试验件异常情况或被破坏时对应的试验载荷及循环次数。

　　4 试验中断与故障处理

　　试验中若出现不符合预期的试验异常现象时，应中断试验，查明故障原因。排除故障后与试验委托方一同报适航审定部门批准后方可恢复试验，并在后续试验中增加检查和监控环节。

　　5 试验结果评定

　　5.1 剪切稳定性试验和压缩稳定性试验结果评定

　　试验结束后，应对试验结果进行分析与评估，在试验报告中给出分析结果。

　　主要应记录初始屈曲载荷、破坏载荷、失稳及破坏模式，也可根据需要记录失稳模态的变化历程。当试验件同一位置正反面应变片的应变值在载荷-应变曲线中出现分离，则表示开始出现局部失稳;载荷-应变曲线中出现明显的较大幅度拐点位置为试验整体失稳点，如图 11 所示。

　　剪切稳定性试验的失稳模态，用四角区域的“凹/凸”表示，如图 12 所示;压缩稳定性试验的失稳模态用轴线方向的半波数来表示，如图 13 所示。

　　图 11 稳定性试验载荷应变曲线示意图

　　图 12 剪切稳定性试验失稳模态示意图

　　图 13 压缩稳定性试验失稳模态示意图

　　5.2 典型连接结构静力试验和疲劳试验数据处理

　　胶层剪切强度按公式(1)计算。

　　τ = Pmax / A ………………………………………………(1)

　　式中：

　　τ ——胶层剪切强度，单位为兆帕(MPa);

　　Pmax ——破坏前的最大载荷，单位为牛顿(N);

　　A ——胶接面积，单位为平方毫米(mm2)。

　　极限挤压强度按公式(2)计算。

　　σ = Pmax /(k× D × h)…………………………………………(2)

　　式中：

　　σ ——极限挤压强度，单位为兆帕(MPa);

　　Pmax ——破坏前的最大载荷，单位为牛顿(N);

　　D ——破坏端孔直径，单位为毫米(mm);

　　h ——破坏端试验件厚度，单位为毫米(mm);

　　k ——每个孔的载荷系数：单紧固件或销钉取 1.0，双紧固件取 2.0，三个紧固件取 3.0。