一、“积木式”方法原理和假设
“积木式”方法在应用上严格程度不一，细节上远未达到通用的程度。只是通过不同层次的试验降低了在临近生产终结时出现重大、不可逆风险的概率，所以“积木式”方法在应用中应该遵循一些基本原理和假设。首先，复合材料的特点是对面外载荷敏感度高，潜在的多种失效模式，对工作环境敏感度高，这些都是适用于“积木式”方法进行验证；同时由于复合材料对于固有缺陷敏感度高，所以不能用金属材料那样采用最底层的材料性能来预计全尺寸部件的分析方法。复合材料层间强度相对较低是其对面外载荷敏感的主要原因，面外载荷可以是直接作用于构件上的，也可以是有面内载荷所引起的。而这种载荷常常是无法预知的，所以模拟正确的面外失效模式对“积木式”方法具有重要作用。模拟正确的失效模式需要正确模拟试验环境和存在的缺陷模式，因此正确的设计试件和选取试验环境具有关键作用。同时由复合材料性质可以推知相对于纤维，基体敏感的失效模式更为重要。其次，目前的分析方法和能力有限，不能始终使用较低层次的试验数据来精确预计复杂构件的行为。分析结构很大程度上还依赖材料性能异变、缺陷和结构的尺寸效应。因此使用“积木式”方法揭示在底层试验中未出现的失效模式，验证和修正在底层试验中验证过的分析方法并允许在全尺寸结构中包含底层次试验件中不同的结构缺陷。以上“积木式”方法基于假设由复杂程度低的试件所得到的结构对外载荷的响应，可以直接转化到复杂程度较高的试件上。基于以上假设应该设计一些试件，用验证过的分析方法，在复杂试件中消除不太复杂试件的失效模式。这样就可以在更高层次的试件中出现新的失效模式，从而进一步修正分析方法，最终得到理想的设计。
二、“积木式”方法的一般方法
第一步建立材料性能，是对准备使用的每种复合材料拟定并实施一个适当的材料设计许用值试件试验方案。每种类型和环境（温度和湿度）所需要的试件批数和重复试件数量取决与部件所处的开发阶段（原型、工程样件和量产型）。通常将这一步称为材料级试验，用于确定材料的一般性能和收集材料许用值数据。其中包含材料筛选和选择，编制材料与工艺规范和确定许用值三个阶段。材料筛选和选择因涉及大量备选材料的选材，通常局限于基本试件；同时由于此阶段对材料控制有限，不能只依据这组数据确定材料许用值，只能提供估计值，用于比较和初始设计。编制材料与工艺规范阶段是为了验证规范，要通过这个阶段识别出设计需要的关键力学性能，可以用这一阶段数据导出初步材料许用值。确定许用值阶段采用材料规范和工艺规范对材料进行充分的控制，可以得出用于设计稳定的设计许用值，建立有效的A基准和B基准许用值，确定环境影响、缺口影响、铺层影响、制造缺陷影响和工艺敏感度。材料级试验大部分是在这个阶段进行的，同时也可用于适航取证的数据库的一部分。第二步元件组合件试验确定设计值，是在第一步的基础上引入一定的尺寸效应（通常是初步构型的一般尺寸），本阶段的样件设计很特殊，完全不能通用。其中包含元件级试验和组合件试验。元件级试验主要选取结构中经常重复出现的、典型的局部结构细节制造样件（比如接头、加筋条、梁和典型夹层结构），主要目标是进一步稳定设计许用值，确定一般元件制造缺陷影响和工艺敏感度。组合件试验主要选取结构典型的部件段进行试验，用于评定局部损伤带来的载荷重新分配对结构造成的影响。与元件级试验相比约束条件和载荷条件与真实情况比较接近并且可以发现二次载荷效应，面外载荷更能代表全尺寸构件。组合件试验用于评估之前取得的许用值与尺寸放大的影响和静力、疲劳损伤影响。第三步部件试验最后阶段的静力和疲劳试验，使用全尺寸结构件进行试验。进行到设计极限载荷为止，用于验证之前的出的应力-应变曲线,与金属构件最终的力学试验类似。
三、“积木式”方法的裁剪
“积木式”试验方法是完全按照全新设计过程为依据的方法，适用与需要民机适航取证的要求。而事实上我们面临的大量工作并不是全新设计的过程，这其中对“积木式”方法可以进行适当的裁剪后应用。第一步建立材料性能。一般国内各主要复合材料厂商已经建立起丰富完整的材料体系，材料可以直接进行采购，无需另外新研。对于这种采购成熟材料的情况，第一步所进行的试验可以大幅度压缩，一般可以压缩到正常试件数量的50％以下，仅进行验证性摸底试验，但是其中涉及制造缺陷影响和工艺敏感度的试件数量不应大幅减少应维持在80％左右，以确定工艺制造对构件的影响。第二步元件组合件试验确定设计值。由于第一步材料性能选取试验大幅削减，所以元件组合件试验对于设计许用值的修正作用更加明显。此阶段由于将主要元件、组合件制造完成，试验可综合考量设计、工艺和制造的耦合效应，可以较为准确的修正设计许用值。所以此阶段试验不能裁剪，而且还应加强，准确的估计载荷、失效形式，能否准确的选取局部构型将很大程度影响产品的成败与否。第三步部件试验无需单独（除关键部件外）进行试验。由于部件尺寸通常较大，单独试验设计工装、夹具、场地等因素较多，需要经费和时间较多，所以应将部件试验同整机试验结合进行。进行试验时应将重点关注部位的感应器进行集中布置，以期发现载荷重新分配后二次响应情况，对结构整体性能进行综合评估。
四、“积木式”方法的重要意义
“积木式”方法按照试件尺寸和试验规模、环境复杂程度逐级增加、数量逐级减少、后一级利用前一级结果进行试验与分析相结合的低技术风险、低费用复合材料结构设计研制和验证技术。“积木式”方法为复合材料结构件设计提供了一种经济有效的试验分析方法。为设计人员建立了一个有效稳定的性能数据库，通过数据的积累将复合材料运用的“性价比”降低。给予适航认证一种可控的，安全的认证方法。
作者：钟涛 谭一鸣 李敏 单位：中航工业飞机公司研发中心
