在之前的兩篇專欄文章中，討論了復合材料結構耐撞性測試和分析的構建塊方法的低級和中級水平。對于商業航空業，復合材料手冊-17（CMH-17）耐撞性工作組1正在為其進行構建塊練習并記錄。

這種積木式方法的特點是設計具有耐撞性要求的復合材料結構的多層次過程。總體目標是通過測試驗證分析方法，然后通過分析驗證結構。因此，選擇使用的分析方法必須對供試品進行逼真的模擬。采用逐步增大供試品的“積木式”方法，其中測試和分析的復雜性增加，測試次數減少。雖然不是本專欄的主要焦點，但使用數值分析方法預測復合材料結構的耐撞性是積木式方法的關鍵要素。

圖1.運輸機防撞試驗積木塊。

圖1所示的積木金字塔說明了與復合材料運輸飛機相關的耐撞性測試和分析水平。金字塔的每一層都涉及結構響應的不同方面，從簡單的材料試樣到越來越復雜的子部件、部件和全尺寸試樣。

2024年11月的第一篇專欄文章主要關注最近CMH-17積木式演習中使用的試片級壓碎測試。平試片壓碎測試用于識別產生高壓碎應力和能量吸收值的碳纖維/環氧樹脂層壓板。通過預測平試片破碎行為和由此產生的能量吸收，也可以對數值分析方法進行初步評估。這些活動導致在要素層面進行進一步的測試和分析，重點是用于支撐運輸機機身下部貨艙地板的復合C形通道支柱。除了在飛機正常運行期間充當結構構件外，這些支柱還在緊急著陸事件中充當主要的吸能結構元件。

在2025年2月的后續專欄中所討論的那樣，總共評估了11種不同的基于有限元的漸進損傷和失效分析方法。向分析小組提供了平試樣壓碎試驗結果以及C通道試樣幾何形狀和落錘壓碎試驗條件。每個團隊都使用他們獨特的數值分析方法預測了壓碎行為，并提交了他們對每個C通道層壓板的預測壓碎行為和由此產生的能量吸收。在收到所有分析團隊的預測后，實驗壓碎試驗結果被分發給所有參與者。

在本系列的第三個也是最后一個專欄中，將討論防撞積木塊的上層。我們將繼續使用《復合材料手冊-17》中詳細記錄的積木式方法關注運輸機。此外，我們將重點介紹數值分析在積木塊上層的重要作用。

盡管在積木塊金字塔的較低層進行的壓碎試驗通常會產生一種單一的主要失效模式，但在較高積木塊層的復雜組件往往會產生多種失效模式，這些模式在復合材料試驗品中同時或分階段發生。在子部件積木塊級別，測試和數值分析側重于元件級結構的組裝，包括圖1“元件/子部件”級別所示的前一個積木塊級別的主要吸能C形通道支柱。

子部件級測試和分析的另一個重點是形成子部件的結構元件在破碎過程中的機械連接和由此產生的相互作用。子部件級壓碎試驗的結果用于確保數值分析正確預測壓碎試驗期間觀察到的破壞順序模式、載荷再分配和由此產生的結構元件壓碎行為。因此，在開發用于耐撞性的子部件級結構時，通常使用多個候選子部件設計進行壓碎測試。這些子部件的整體能量吸收能力與元件中使用的材料及其在子部件中的位置直接相關。因此，在積木式方法中，通常需要進行廣泛的子部件級壓碎測試和分析，以設計出能夠按預期運行的防撞結構。

在部件級別，對代表主要破碎結構重要部分的更大的元件和子部件組件進行了測試和分析。在CMH-17積木式方法中，候選組件級測試樣品將包括飛機機身筒的一部分，如圖1的“組件”級所示。除了進一步評估元件和子組件級能量吸收功能的有效性外，還使用組件級壓碎測試來評估相鄰元件和子部件之間的連接。一般來說，由于碰撞事件中可變載荷條件和沖擊速度下的多結構相互作用，以及組裝部件內可能的失效機制的復雜性，部件級壓碎測試會產生多種失效模式。

與積木塊的其他級別一樣，組件級測試也用于驗證數值建模方法。這包括用于預測能量吸收的材料建模參數和破碎相關特性。一般來說，較高的構建塊級別側重于由于相互作用的失效機制而產生多種失效模式的試件和載荷。這可能同時發生，也可能在復雜部件的不同階段發生，以及碰撞事件中沖擊載荷的可變性。

全尺寸耐撞性測試通常作為最終驗證測試進行。對于運輸機，通常使用完整飛機機身的整個機筒部分進行全尺寸壓碎測試。然而，根據耐撞性試驗程序，可以使用如圖1所示的半桶部分等子組件來代替完整的試驗品，以驗證所有建模參數。

有關復合材料耐撞性構建塊方法的更多信息，請參閱CMH-171的H版。美國國家航空航天局即將發布的一份報告也提供了最近防撞積木演習的詳細信息。

楊超凡