杨婧梓
中国特种飞行器研究所 湖北 荆门 448000
摘要：本文主要探讨的是在设计飞机结构时，其复合材料环境问题对设计的影响。首先介绍了复合材料的概念定义，其次阐述了复合材料的结构特性，最后复合材料结构设计环境进行了考虑，望为相关飞机设计专业提供一些参考。
关键词：飞机结构设计；复合材料；环境问题
引言
复合材料是指将至少两种物理性质独特的增强体与基体利用复合工艺组合到一起，其不但具备原组分材料的性能与特点，还能够利用复合工艺得到另外的性能，该材料被广泛应用于各大工程设计中。不仅如此，复合材料自身所具备的高比刚度、非金属性以及自重轻、效能高等诸多优势，在飞机结构设计中得到了良好应用。但是当前我国在飞机结构设计方面，试验方式、设计准则都尚未健全完善，所以应当根据金属结构方法调整优化复合材料。
1.复合材料及其结构特性分析
在生产制作飞机时，具备性能优、效能高等特点的复合材料的运用，大大加强了飞机的综合性能，还能够有效降低飞机重量。当对复合材料结构环境方面进行分析考虑时，应当特别注意湿热环境、疲劳环境、冲击力环境等方面。
1.1整体性
普通金属材料结构在安装配置时，需要用到很多紧固件与连接件，操作流程极为复杂。而复合材料则不同，其是通过铺层规划与组件把全部内容都放置在相同的结构中，比如属性、效能、成分有很大区别的分组件，还有一些金属、陶瓷件等，该方式削减了零件数目，降低了结构自重，同时也令安装流程更加简便快捷。但是，复合材料自身所具备的整体性能让其内部结构裸露在外的区域有所增大，从而提升了结构对外在环境的敏感度。此外，二次胶结、共固化等环节，也导致结构产生了维护不到位的腔体，使得分析探究叠加环境影响因素时，更加困难，譬如：自然环境因素中的太阳辐射、湿热效应、液体侵入、砂/尘等。
1.2温度、湿度特性
该特性也可被称之为复合材料的热膨胀、湿膨胀。一般来说，前者参数值普遍较小，能够为其在精密仪器设备中的应用提供较大帮助，但是其极易受到高低温的影响，从而产生变化。无论是复合材料的基体，还是增强体，都有一定的吸湿能力，可将环境中存在的水分予以充分吸收，进而出现湿膨胀现象，然后当周围环境达到一定干燥度时，再将水分散发，直至复合材料自身湿度与外在环境湿度相同为止[1]。该过程对其结构很大的负面影响，尤其是湿膨胀现象，不仅会加大结构自重，还会降低材料截面的间应力，同时对复合材料的设计性能也有很大影响，尤其是应用温度峰值以及结构压缩能力都会急剧下降。而温度与湿度两者相结合的作用构成了复合材料结构受干扰最大的环境因素之一，即“湿热效应”。
1.3冲击特性
基于复合材料自身所具备的特殊性，设计工作人员可利用对铺层板角度、方向、数目等方面的有效控制，规划出科学合理的结构。防止结构多个角度、多个方面的属性、能力产生线性差异，尤其是结构性能和物理性能的差异化，像导电、导热、膨胀都属于物理性能差异。除此之外，使用复合材料制作而成的结构拥有极强的结构层内部强度与综合性强度，然而其纵向与层间强度比较薄弱，若是减小复合材料的冲击韧度，那么垂直载荷就会产生较强的敏感性。由此可知，外界环境对结构所带来的多元化影响极大，同时这也增加了复合材料结构的复杂度与难度。
2.复合材料结构设计环境考虑
分析完毕复合材料的结构特性之后，应当在正式设计复合材料结构之前，根据其特性，展开对复合材料内部结构的深入分析，对其主要破坏或者损伤形式，即分层以及冲击损伤予以全面了解。在生产制作及应用复合材料时，其内部缝隙、夹杂物、环境应力、腐蚀等问题都会减低增强体、基体等部位的应力，甚至还会出现部分区域脱胶、分层等问题。其中分层缺陷较为隐蔽，不易察觉，但是其能够及时发现结构的压缩力度，并且能加快增强体、基体断裂的速度，从而让结构彻底损坏。
与速率较慢的分层破坏不同，冲击会让结构直接出现分层现象，有时还会穿孔导致结构无效。而出现结构破损最多次数的部位有增强体、基体以及它们的界面等，所以，在分析探究结构破损问题时，一定要系统、全面。本章节主要是对三大环境因素对复合材料产生的影响予以阐述：
2.1湿热环境
2.1.1高温
众所周知，飞机在正常运转时遇到高温环境在所难免，同时常规复合材料都有自身的温度限定区间，因此，在设计飞机结构时，一定要结合结构的应用环境制定出最为合理的温度区间，尤其是使用环节的温度最高值。
2.1.2湿热效应
复合材料结构的湿热效应指的是其所含成分有吸湿性以及温度变动所引发的结构规格、属性出现了变更，从而导致邻近基体界面结构力学性能急剧下降，尤其是分层会对结构的压缩性能产生较大不利影响，并且在湿热环境下，其结构压缩性能能够在一定程度上决定结构的效能高低。在对环境因素予以分析考虑时，首先是材料在可应用最高温度值以及长高温（即结构最常遇到的高温）时的饱和吸湿量。湿热效应不仅在设计飞机结构时所必须要考虑的环境因素，还是全部复合材料所困扰的一大难题[2]。常规性结构对外在环境中温度、湿度的具体需求可借鉴相关环境手册就能得知，但是其他较为特殊的环境因素，比如：飞机在地面外场停放时所受到的太阳辐射加温以及飞机运行过程中的气动加热等，这些只能对其展开实践测量与准确估算才能得知。
2.2冲击环境
冲击环境分为两种，一种是粒子侵蚀，一种是机械冲击。飞机在正常行驶过程中，空气中微小颗粒物质会与飞机外壳发生碰撞，这会出现粒子侵蚀，从而对复合材料中的基体产生极大影响，进而损害结构保护膜，严重时还会导致其发生断裂。正是因为粒子自身的侵蚀性，所以才应当强化复合材料基体的耐磨、耐用性能。此外，机械冲击对复合材料所产生的撞击力度更大，其所生产的作用力也更大、更迅猛，其会直接致使结构出现分层以及冲击损伤问题，这对复合材料的压缩性能、承载性能带来了极大的不利影响。
通过调查大量资料发现，飞机所遇到的冲击中机械冲击偏多，而受损伤频率最高的部位就是飞机表层。要想计算机械冲击程度，可利用不同种类冲击所产生的能量以及相关文献资料来估算。
2.3腐蚀环境
腐蚀环境有两种，一种是电偶腐蚀，一种是液体侵蚀。前者出现的主要因素是复合材料与金属材料的电位差异值较大，两者一旦有所连接触碰就会发生电偶腐蚀问题，特别是拥有高性能的碳纤维类型的复合材料，应当要多加注意，在设计时应用科学合理的隔离策略杜绝电偶腐蚀现象的发生[3]。而液体侵蚀的主要原因就是复合材料自身所独有的吸湿性及结构整体性，加大了腐蚀性液体渗入机身的几率。较为常见的冷却剂、污染水、燃油以及环控液体制剂等都属于腐蚀性液体，它们会跟随水分慢慢渗透进结构内部，导致结构中增强体和基体出现了腐蚀，最后影响了材料性能，产生了脱胶、分层等缺陷。对此，可实施加设保护层或者是强化材料结构性能的有效措施，来提高复合材料结构对腐蚀液体的预防能力。
结束语
当前，复合材料在飞机结构设计中获得了良好应用，但是我国依然在不断研究探索复合材料的应用，相关人员提议将复合材料应用到飞机主承力结构中，且实验结果也得到了审核批准。然而复合材料与环境之间的影响尚存在一些问题，对此，相关工作人员在设计飞机结构时，一定要对环境因素多加考虑分析，借此提高复合材料在飞机结构中的应用成效。
参考文献
[1]陈晨,孙东. 飞机结构设计中对复合材料的环境考虑[J]. 现代制造技术与装备,2019,(02):53+55.
[2]常海洋,刘利阳,王进,杨旭. 飞机复合材料结构闪电防护技术研究[J]. 飞机设计,2014,34(05):11-14.
[3]李耀华,张宁. 飞机结构设计中对复合材料的环境考虑[J]. 航空标准化与质量,2004,(05):32-34.