先进复合材料结构的学术探究者

作者：高飞

2017年08月04日来源：科技日报

    一架波音“787”上，复合材料的用量在重量比上为50%、体积比约80%，这意味着什么？

    答案是，飞机可见部位绝大部分都是复合材料结构，而且难点还不是材料本身，而是结构的连接。因为复合材料在机身和机翼主承力结构上要大规模应用，连接结构就不可避免被采用，连接往往又是结构破坏的主要部位，那么挑战自然出现：如何保障飞机复合材料结构的安全性就成为先进复合材料结构的探究者——北京航空航天大学赵丽滨团队要攻克的难题。

    十年一剑，探究复合材料连接结构难题

    赵丽滨是北京航空航天大学的教授，也是这所大学宇航学院航天飞行器技术系副主任。在北京航空航天大学攻读本、硕、博时，研究方向都是固体力学。在2006年，一项与625所合作历时一年半的研究项目——对某型飞机的全复合材料非平面π胶接连接的力学性能进行仿真模拟和实验研究，使她开始掌握复合材料结构的计算和实验技术，也开启了复合材料结构的探索之路。

    十年间，赵丽滨带领的团队提出了一套系统的破坏理论和预测方法，建立了一系列可以准确预测结构破坏的全复合材料非平面胶接连接和异型连接的力学模型，提出了一系列螺栓连接结构的失效预测方法，并深入研究了连接结构的设计原理。2014年以前的研究成果整理出版专著《先进复合材料连接结构分析方法》，对复合材料的连接结构在学理上做出充分地解释。

    目前，考虑复合材料用到主承力结构后所面临的严峻的力学环境，赵丽滨团队正在开展疲劳载荷、冲击、湿热环境等条件下，复合材料连接结构的破坏理论和预测问题。与此同时，随着复合材料在主承力结构上的应用，其所承受的力学环境日益恶劣，以往复合材料结构设计中采用的“静力覆盖疲劳”“损伤无扩展”等概念已经不再适用，复合材料结构的疲劳和损伤容限设计是当前复合材料结构的另一重要研究内容。

    在上述方面，赵丽滨团队在层压板分层行为方面开展了系统的研究工作，对多向层压板的分层扩展准则、力学表征、分层扩展模型、疲劳扩展模型、仿真模拟等方面开展了系统的研究，她希望能将这部分内容整理出来，出版一部专著，让更多的研究人员认识到这个问题，促进我国复合材料结构损伤容限设计的发展。

    未来布局，学理突破助推复合材料产业发展

    对于近年来复合材料行业的发展研究，赵丽滨在负责中国科协复合材料学科技术路线图中《复合材料结构设计与分析》一章的技术路线图编制工作。特别是针对航空航天、海洋工程装备及高技术船舶、节能与新能源汽车及电力装备四大领域，赵丽滨团队联合国内相关领域前沿的研究团队深入调研了国内外复合材料结构设计与分析的相关工作发展脉络，在技术路线图中我们对未来二十年和五十年的发展规划进行了比较详细的描述。

    赵丽滨认为，我国复合材料结构技术发展迅速、成果显著。一方面体现在技术层面，在民用机上我们的ARJ21复合材料用量仅为2.8%、C919复合材料用量达到12.5%，未来10年，我国要实现大型宽体客机复合材料用量达到50%。在军用机上复合材料用量已经达到25%以上，在研飞机的复合材料用量还会有更大的改观。

    另一方面体现在我国研究人员的信心上，赵丽滨向笔者表示，她在多个航空和航天院所交流时，能感受大家信心十足：“只要是中国人想做的事情，一定能做出来”“以往我们是学习别人怎么走，现在很多方面我们已经走到最前面了，需要发展我们的原始创新能力，来领着大家走。”

    当然，中国在快速发展复合材料结构技术的同时，也存在反思时间不足、系统的归纳和总结不够深入等问题。赵丽滨表示，国内在复合材料结构先进的设计理论方面仍然比较匮乏，复合材料结构破坏理论和预测技术还不够系统，缺乏好用的复合材料结构分析手册和设计规范、虚拟设计平台、规范的材料和结构数据库，复合材料结构设计和分析相关研究人员明显不足……

    赵丽滨认为，未来5年，复合材料结构将在航空航天、船舶、能源、建筑、交通等领域大量应用，复合材料结构的设计与分析行业具有很好的发展前景。深入研究复合材料结构的设计原理、破坏理论和分析方法，将直接推动复合材料结构的应用，促进复合材料产业化。