CN111929165A - 复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法 - Google Patents

复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法，包括：对于给定的复合材料建立等效模型；构建挤压‑旁路包络曲线的确定方法；进行许用值试验及参数修正；采用工程算法计算每个连接结构的温度载荷，根据温度载荷对连接结构的机械载荷进行温度修正，其中，连接结构包括紧固件和多层连接板；根据修正后的机械载荷获取挤压应力和旁路应力；绘制挤压‑旁路包络曲线；根据挤压应力和挤压‑旁路包络曲线进行连接强度校核。本发明可批量处理单向受载及双向受载结构的连接强度校核问题，金属结构的连接强度校核和紧固件连接强度校核，并叠加考虑温度载荷和机械载荷的耦合影响，为国内各行业复合材料分析领域，提供了有力的分析方法和工具。

Description

复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法。
背景技术
高性能碳纤维及复合材料是国民经济和国防建设不可或缺的战略性新材料，是21世纪多功能、高性能、智能化新材料研究的重点方向，更是世界各国发展高新技术、国防尖端技术和战略新兴产业的物质基础，广泛应用于航空航天、风电叶片、新能源汽车、轨道交通、压力容器、体育休闲等领域。
目前国内航空业对于复合材料的应用处于探索阶段，现有服役机型MA60、ARJ21等复合材料使用量均较低，C919任然在试飞，且复材应用率较低。国内各航空设计院所掌握的复合材料的分析方法较为匮乏，目前均采用大量的试验来验证复合材料的能力，缺乏相关的分析方法和分析工具进行批量的连接校核。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法，可批量处理单向受载及双向受载结构的连接强度校核问题，金属结构的连接强度校核和紧固件连接强度校核，并同时提供了温度载荷分析，可叠加考虑温度载荷和机械载荷的耦合影响，为国内各行业复合材料分析领域，从国产大飞机项目出发并下延各种军品和民品项目的复材结构分析，提供了有力的分析方法和工具，有力的支持了国产复合材料结构设计领域，填补了业内的空白。
本发明实施例提出了一种复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法，包括以下步骤：对于给定的复合材料建立等效模型；构建挤压-旁路包络曲线的确定方法；进行许用值试验及参数修正；采用工程算法计算每个连接结构的温度载荷，根据所述温度载荷对所述连接结构的机械载荷进行温度修正，其中，所述连接结构包括紧固件和多层连接板；根据所述修正后的机械载荷获取挤压应力和旁路应力；根据所述挤压应力和所述旁路应力绘制挤压-旁路包络曲线；根据所述挤压应力和所述挤压-旁路包络曲线进行所述连接强度校核。
本发明上述提出的复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法，还具有如下附加技术特征：
根据本发明的一个实施例，采用工程算法计算每个连接结构的温度载荷，根据所述温度载荷对所述连接结构的机械载荷进行温度修正，包括：根据所述符合材料的热膨胀系数和连接区尺寸，计算热载荷作用下的不协调变形；根据所述不协调变形，考虑连接传载荷单方向连接板尺寸和厚度，推算温度作用下的温度总载荷；采用工程算法推出连接结构分配系数，以根据所述分配系数获取每个连接结构的温度载荷；将所述连接结构的温度载荷与机械载荷进行叠加。
根据本发明的一个实施例，根据所述修正后的机械载荷利用以下公式(1)获取所述挤压应力：
Figure BDA0002648956780000021
其中，σbr为挤压应力，F为修正后的机械载荷，D为紧固件直径，T为当前计算连接板厚度。
根据本发明的一个实施例，如果连接计算点位于多钉连接的第i个钉位置，则根据以下公式(2)第i个钉的旁路总载荷：Fbypass(i)＝F(i-1)+F(i-2)+…+F(1)，i为整数(2)，其中，F(i)为每个紧固件传递载荷，Fbypass(i)为第i个钉的旁路总载荷；根据以下公式(3)计算第i个钉的旁路应力：
Figure BDA0002648956780000022
其中，Fbypass(i)为第i个钉的旁路总载荷，δbypass(i)为第i个钉的旁路应力，B为紧固件排距，T为当前计算连接板厚度。
根据本发明的一个实施例，根据所述挤压应力和所述挤压-旁路包络曲线进行连接强度校核，包括：判断所述金属零件的挤压应力是否大于所述金属零件的许用挤压应力；如果否，则判断所述金属零件安全；如果是，则判断所述金属零件失效。
根据本发明的一个实施例，根据所述挤压应力和所述挤压-旁路包络曲线进行连接强度校核，包括：根据所述挤压-旁路包络曲线判断所述复合材料零件是否满足包络线要求；如果满足所述包络线要求，则判断所述复合材料零件安全；如果不满足所述包络线要求，则判断所述复合材料零件失效。
本发明的有益效果：
本发明可批量处理单向受载及双向受载结构的连接强度校核问题，金属结构的连接强度校核和紧固件连接强度校核，并同时提供了温度载荷分析，可叠加考虑温度载荷和机械载荷的耦合影响，为国内各行业复合材料分析领域，从国产大飞机项目出发并下延各种军品和民品项目的复材结构分析，提供了有力的分析方法和工具，有力的支持了国产复合材料结构设计领域，填补了业内的空白。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法的流程图；
图2是根据本发明一个实施例的挤压-旁路包络曲线确定方法的逻辑图；
图3是根据本发明一个实施例的挤压-旁路包络曲线的示意图；
图4是根据本发明一个实施例的许用值试验及参数修正的逻辑图；
图5是根据本发明一个实施例的挤压应力的示意图；
图6是根据本发明一个实施例的分析工具内置模块的示意图；
图7是根据本发明一个实施例的分析工具输入模块的示意图；
图8是根据本发明一个实施例的分析工具编程代码模块的示意图；
图9是根据本发明一个实施例的分析工具挤压旁路包络曲线输出模块的输出结果示意图；
图10是根据本发明另一个实施例的复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，在民用机上我们的支线客机ARJ21，复合材料应用仅5％-6％，C919飞机的应用占12％，主要应用在垂-平尾，整流罩等部位。相对于民航两大巨头，波音的B787用量达到50％，空客A350用量甚至达到52％，从以上用量数据可以看出，我国碳纤维应用技术与国外相比仍然有很大差距。根据市场反馈来看，这两款飞机的市场欢迎程度最高，订单不断增加，两家均为了拓展产能不遗余力。由此可见，先进复合材料广泛应用带来的经济性，舒适性是无与伦比的。
我国的CR929大型宽体客机正在进行初步设计转详细设计过程中，并开始遴选复合材料制造供应商。CR929对标A350和787，也同样采用50％左右复合材料含量的设计方案，这将给国内带来大量的复合材料零部件的生产需求，同时拉动相关产业的快速发展。显而易见，我国的碳纤维复合材料生产行业即将进入一个飞速发展的阶段。
复合材料的失效模式主要包括：静强度破坏，连接强度破坏,疲劳破坏和冲击损伤破坏。其中连接强度破坏又包括：挤压-旁路破坏、螺栓破坏、螺栓拉脱破坏及螺栓剪切-拉伸混合作用破坏。其中与金属结构的混杂连接又涉及到金属挤压失效，紧固件挤压失效和温度应力问题。
在实际结构中出现何种失效模式取决于载荷状态、紧固件的挤压载荷、层压板的面内旁路载荷及面外载荷、连接构型、连接紧固件的类型、连接站位的几何构型(宽径比、端径比、层压板厚度、紧固件直径、垫片构型、拧紧力矩、划窝深度等)及铺层比例。当载荷状态与构型影响因素耦合之后，复合材料与金属结构的机械连接的设计就不能直接用由试样级试验而得的设计许用值，因为试样级设计许用值是由单一载荷作用下的试验而得。工程上通常用半经验的挤压-旁路包络曲线来评估复合材料机械连接强度。挤压-旁路包络曲线是复合材料机械连接在挤压载荷与旁路载荷联合作用的失效包络曲线。
针对混杂结构中的金属结构，目前有很成熟的挤压强度分析方法，即通过紧固件载荷，反推金属件钉孔位置的挤压应力，从而与试验测得的金属挤压许用值进行对比校核。由于复合材料和金属结构的热膨胀系数不同，在热载荷的作用下，连接结构会产生不协调的变形，进而对紧固件载荷造成影响。在存在温度载荷的情况下，需要对机械载荷进行温度修正。
由此，本发明提出一种复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法。如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1，对于给定的复合材料建立等效模型。
S2，构建挤压-旁路包络曲线的确定方法。
具体的，具体的，如图2所示，采用试验与分析相结合的方法确定某复合材料的挤压-旁路包络曲线。单向载荷挤压-旁路包络曲线中，挤压载荷和旁路载荷坐标轴的单位是MPa；而双向载荷挤压-旁路包络曲线的旁路载荷横坐标单位是με，挤压载荷纵坐标的单位是MPa。如图3所示，单向载荷挤压-旁路包络曲线和双向载荷挤压-旁路包络曲线中充填孔拉伸许用值(A点)、单双剪挤压许用值(E点)、充填孔压缩许用值(H点)、开孔压缩许用值(I点)、压缩截止点(F点)确定方法相同；单向载荷挤压-旁路包络曲线C点采用开口分析解析法与试验相结合，双向载荷挤压-旁路包络曲线C点采用解析法与试验(75％旁路25％挤压试验、拉伸区试验以及压缩挤压试验)相结合。
S3，进行许用值试验及参数修正。
具体的，选取结构中最典型的层压板作为基准，试验件构型为基准构型，通过基准试验得到材料批次和工艺变化及测试环境对力学性能的影响。如图4所示，基准试验考虑CTD，RTD，RTW，ET1W和ET2W五种不同的测试环境。参数修正试验是为了研究设计参数、层压板厚度、制造缺陷等因素对力学性能的影响，测试环境均为RTD环境。
S4，采用工程算法计算每个连接结构的温度载荷，根据温度载荷对连接结构的机械载荷进行温度修正。其中，连接结构包括紧固件和多层连接板。
S5，根据修正后的机械载荷获取挤压应力和旁路应力。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据修正后的机械载荷利用以下公式(1)获取挤压应力：
Figure BDA0002648956780000061
其中，σbr为挤压应力，F为修正后的机械载荷，D为紧固件直径，T为当前计算连接板厚度。
挤压应力的示意图可参照图5所示。连接结构包括紧固件和连接板(N层)，挤压应力是针对单个连接板来说的，为即使是相同紧固件位置，连接板的挤压应力都是不同的(与板厚度相关)，因此，本发明中是针对连接多层板的一层板进行的，不同层板需要单独算。
根据本发明的一个实施例，如果连接计算点位于多钉连接的第i个钉位置，则根据以下公式(2)第i个钉的旁路总载荷，并根据以下公式(3)计算第i个钉的旁路应力：
Fbypass(i)＝F(i-1)+F(i-2)+…+F(1)，i为整数 (2)，
其中，F(i)为每个紧固件传递载荷，Fbypass(i)为第i个钉的旁路总载荷；
Figure BDA0002648956780000071
其中，Fbypass(i)为第i个钉的旁路总载荷，δbypass(i)为第i个钉的旁路应力，B为紧固件排距，T为当前计算连接板厚度。
S6，根据挤压应力和旁路应力绘制挤压-旁路包络曲线。
具体的，如图3所示，A、E、C、H、I绘制挤压-旁路包络曲线，拉伸区域由斜线AC与水平直线CE组成，压缩区域由二次曲线EH及截止线FI组成。
S7，根据挤压应力和挤压-旁路包络曲线进行连接强度校核。
具体的，可以利用Excel通过VBA(Visual Basic for Applications，VisualBasic的一种宏语言，是在其桌面应用程序中执行通用的自动化任务的编程语言)编程，集成了材料许用值处理，数据库保存，多点连接复合裕度计算和可视化的结果输出功能，具体包括：
1、数据输入：复合材料不同于金属，具有很强的可设计性和材料分散性，不同的纤维和树脂牌号，不同的树脂含量，固化工艺等等，生产的预浸料性能均不同。因此应该首先将需要计算的材料性能，输入到软件中。具体输入的数据包括材料试验数据(充填孔拉伸许用值、单双剪挤压许用值、充填孔压缩许用值、开孔压缩许用值、压缩许用值)，单层材料性能(弹性模量、泊松比等)，计算位置几何信息(铺层、板厚、钉间距、端距、温度情况等)。
2、计算和结果输出：可以输出单点和多点的复材连接强度校核结果，并可叠加考虑双向受载情况，温度应力影响等。
分析工具内置模块的示意图可参照图6；分析工具输入模块的示意图可参照图7；分析工具编程代码模块的示意图可参照图8；分析工具挤压旁路包络曲线输出模块的输出结果示意图可参照图9。
在本发明的实施例中，如图10所示，采用工程算法计算每个连接结构的温度载荷，根据温度载荷对连接结构的机械载荷进行温度修正，可以包括：
S401，根据符合材料的热膨胀系数和连接区尺寸，计算热载荷作用下的不协调变形。
具体的，可以利用以下公式计算热载荷作用下的不协调变形：
S1＝α1×L×Δt；
S2＝α2×L×Δt；
Figure BDA0002648956780000081
Figure BDA0002648956780000082
S1 ～＝(S1-S2)×K1；
S2 ～＝(S1-S2)×K2；
其中，α1和α2为不同材料的热膨胀系数，L为连接总长度，Δt为相对装配温度的变化量，E为连接板弹性模量，T为连接板厚度，S1 ～和S2 ～为热载荷作用下的不协调变形。
S402，根据不协调变形，考虑连接传载荷单方向连接板尺寸和厚度，推算温度作用下的温度总载荷。
具体的，可以根据以下公式推算温度作用下的温度总载荷：
Figure BDA0002648956780000083
其中，δ为应力，L为连接总长度，T为连接板厚度，F为温度总载荷，ε为应变，S～为热载荷作用下的不协调变形，E为弹性模量；
可以推出：F＝ETS～。
S403，采用工程算法推出连接结构分配系数，以根据分配系数获取每个连接结构的温度载荷。
具体的，可以根据以下公式估算最严重位置钉载比例：
RMAX＝CCCLCWCpCeCb；
其中：RMAX为最严重位置大的钉载比例为钉载分配复合材料修正系数；CL为铺层修正系数；CW为宽度修正系数；Cp为拍距修正系数；Ce为端距修正系数；Cb为材料修正系数。
上述系数可以通过查手册查询，也可根据企业自身采用的预浸料，通过实验进行曲线修正。
根据温度总载荷和危险位置钉载分配比例，即可算出危险位置的温度载荷。
S404，将连接结构的温度载荷与机械载荷进行叠加。
具体的，将连接结构的温度载荷与机械载荷进行叠加，以对连接结构的机械载荷进行温度修正。
复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核包括复合材料零件校核和金属零件校核，其中，金属零件根据挤压应力进行校核，复合材料零件根据挤压-旁路包络曲线进行校核。
根据本发明的一个实施例，根据挤压应力和挤压-旁路包络曲线进行连接强度校核，包括：判断金属零件的挤压应力是否大于金属零件的许用挤压应力；如果否，则判断金属零件安全；如果是，则判断金属零件失效。
根据本发明的一个实施例，根据挤压应力和挤压-旁路包络曲线进行连接强度校核，包括：根据挤压-旁路包络曲线判断复合材料零件是否满足包络线要求；如果满足包络线要求，则判断复合材料零件安全；如果不满足包络线要求，则判断复合材料零件失效。
具体的，挤压旁路包线可以足够保守地预测复合材料机械连接结构的失效载荷。如图2所示，在挤压旁路包线外边有很多椭圆形圈，椭圆形圈内代表了各试验得到的破坏值。因为挤压旁路包线为分段拟合曲线，在包线的各段及各拐点均对应不同的许用值试验，许用值试验的破坏值(椭圆形圈内的点)可验证挤压旁曲线的可靠性。当试验破坏值均位于包线外时，如图2中所示，认为包线足够安全可靠，因为验证了包线内部的点不会发生破坏，此时包线可用来设计分析复合材料。当破坏值位于包线内时，则需要调整包线，将所有破坏点移出包线，包线变小。
本发明针对目前航空航天领域对复合材料大范围应用的迫切需求，调研了业内相关半经验公式并处理了大量试验数据，研发了包含复合材料的许用值处理，修正系数拟合，连接强度分析，挤压-旁路包络曲线绘制等模块的“复合材料挤压-旁路包络曲线分析工具”。
综上所述，根据本发明实施例的复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法，可批量处理单向受载及双向受载结构的连接强度校核问题，金属结构的连接强度校核和紧固件连接强度校核，并同时提供了温度载荷分析模块，可叠加考虑温度载荷和机械载荷的耦合影响，为国内各行业复合材料分析领域，从国产大飞机项目出发并下延各种军品和民品项目的复材结构分析，提供了有力的分析方法和工具，有力的支持了国产复合材料结构设计领域，填补了业内的空白。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法，其特征在于，包括以下步骤：
对于给定的复合材料建立等效模型；
构建挤压-旁路包络曲线的确定方法；
进行许用值试验及参数修正；
采用工程算法计算每个连接结构的温度载荷，根据所述温度载荷对所述连接结构的机械载荷进行温度修正，其中，所述连接结构包括紧固件和多层连接板；
根据所述修正后的机械载荷获取挤压应力和旁路应力；
根据所述挤压应力和所述旁路应力绘制挤压-旁路包络曲线；
根据所述挤压应力和所述挤压-旁路包络曲线进行所述连接强度校核。
2.根据权利要求1所述的复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法，其特征在于，采用工程算法计算每个连接结构的温度载荷，根据所述温度载荷对所述连接结构的机械载荷进行温度修正，包括：
根据所述符合材料的热膨胀系数和连接区尺寸，计算热载荷作用下的不协调变形；
根据所述不协调变形，考虑连接传载荷单方向连接板尺寸和厚度，推算温度作用下的温度总载荷；
采用工程算法推出连接结构分配系数，以根据所述分配系数获取每个连接结构的温度载荷；
将所述连接结构的温度载荷与机械载荷进行叠加。
3.根据权利要求1所述的复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法，其特征在于，根据所述修正后的机械载荷利用以下公式(1)获取所述挤压应力：
Figure FDA0002648956770000021
其中，σbr为挤压应力，F为修正后的机械载荷，D为紧固件直径，T为当前计算连接板厚度。
4.根据权利要求3所述的复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法，其特征在于，如果连接计算点位于多钉连接的第i个钉位置，则根据以下公式(2)第i个钉的旁路总载荷：
Fbypass(i)＝F(i-1)+F(i-2)+…+F(1)，i为整数 (2)，
其中，F(i)为每个紧固件传递载荷，Fbypass(i)为第i个钉的旁路总载荷；
根据以下公式(3)计算第i个钉的旁路应力：
Figure FDA0002648956770000022
其中，Fbypass(i)为第i个钉的旁路总载荷，δbypass(i)为第i个钉的旁路应力，B为紧固件排距，T为当前计算连接板厚度。
5.根据权利要求1所述的复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法，其特征在于，根据所述挤压应力和所述挤压-旁路包络曲线进行连接强度校核，包括：
判断所述金属零件的挤压应力是否大于所述金属零件的许用挤压应力；
如果否，则判断所述金属零件安全；
如果是，则判断所述金属零件失效。
6.根据权利要求5所述的复合材料零件与金属零件混杂连接强度校核方法，其特征在于，根据所述挤压应力和所述挤压-旁路包络曲线进行连接强度校核，包括：
根据所述挤压-旁路包络曲线判断所述复合材料零件是否满足包络线要求；
如果满足所述包络线要求，则判断所述复合材料零件安全；
如果不满足所述包络线要求，则判断所述复合材料零件失效。
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