复合材料铺层一般原则.doc

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复合材料铺层一般原则

一．层合板设计的一般原则

（1）均衡对称铺设原则

除了特殊需要外，结构一般均设计成均衡对称层合板形式，以避免拉-剪、拉-弯耦合而引起固化后的翘曲变形。

如果设计需要采用非对称或非均衡铺层，应考虑工艺变形限制。

将非对称和非均衡铺层靠近中面，可减小层合板工艺变形。

（2）铺层定向原则

在满足受力的情况下，铺层方向数应尽量少，以简化设计和施工的工作量。

一般多选择0°、90°和±45°等4种铺层方向。

如果需要设计成准各向同性层合板，可采用或层合板。

对于采用缠绕成形工艺制造的结构，铺层角（缠绕角）不受上述角度的限制，但一般采用缠绕角。

（3）铺层取向按承载选取原则

铺层的纤维轴向应与内力的拉压方向一致，以最大限度利用纤维轴向的高性能。

具体地说，如果承受单轴向拉伸或压缩载荷，纤维铺设方向一致；如果承受双轴向拉伸或压缩载荷，纤维方向按受载方向0°、90°正交铺设；如果承受剪切载荷，纤维方向按+45°、-45°成对铺设；如果承受拉伸（或压缩）和剪切的复合载荷情况，则纤维方向应按0°、90°、+45°、-45°多向铺设。

90°方向纤维用以改善横向强度，并调节层合板的泊松比。

（4）铺设顺序原则

主要从三方面考虑：

应使各定向单层尽量沿层合板厚度均匀分布，避免将同一铺层角的铺层集中放置。

如果不得不使用时，一般不超过4层，以减少两种定向层的开裂和边缘分层。

如果层合板中含有±45°层、0°层和90°层，应尽量在+45°层和-45°层之间用0°层或90°层隔开，在0°层和90°层之间用+45°层或-45°层隔开，并应避免将90°层成组铺放，以降低层间应力。

对于暴露在外的层合板，在表面铺设织物或±45°层，将具有较好的使用维护性，也可以改善层合板和压缩和抗冲击性能。

另外，铺设顺序对层合板稳定性承载能力影响很大，这一因素也应考虑。

（5）铺层最小比例原则

为使复合材料的基体沿各个方向均不受载，对于由方向为0°、90°、±45°铺层组成的层合板，其任一方向的最小铺层比例应≥6%~10%。

（6）冲击载荷区设计原则

对于承受面内集中力冲击部位的层合板，要进行局部加强。

应有足够多的纤维铺设在层合板的冲击载荷方向，以承受局部冲击载荷。

还要配置一定数量与载荷方向成±45°的铺层以便将集中载荷扩散。

另外，还需采取局部增强措施，以确保足够的强度。

对于使用中容易受到面外冲击的结构，其表面几层纤维应均布于各个方向，相邻层的夹角尽可能小，以减小基体受载的层间分层。

对于仍不能满足抗冲击要求的部位，应局部采用混杂复合材料，如芳纶或玻璃纤维与碳纤维混杂。

（7）连接区设计原则

应使与钉载方向成±45°的铺层比例≥40%，与钉载方向一致的铺层比例大于25%，以保证连接区有足够的剪切强度和挤压强度，同时也有利于扩散载荷和减少孔的应力集中。

（8）变厚度设计原则

在结构变厚度区域，铺层数递增或递减应形成台阶逐渐变化，因为厚度的突变会引起应力集中。

要求每个台阶宽度相近且≥60°，台阶高度不超过宽度的1/10。

然后在表面铺设连续覆盖层，以防止台阶外发生剥离破坏。

（9）开口区铺层原则

在结构开口区应使相邻铺层的夹角≤60°，以减少层间应力。

开口形状应尽可能采用圆孔，因为圆孔边应力集中较小。

若必须采用矩形孔，则拐角处要采用半径较大的圆角。

另外在开口时，切断的纤维应尽可能少。

二．层合结构和夹层结构设计的基本原理和方法

复合材料制件最基本的单元是铺层。

铺层是复合材料制件中的一层单向带或织物形成的复合材料单向层。

由两层或多层同种或不同种材料铺层层合压制而成的复合材料板材称为层合板。

复合材料层压结构件的基本单元正是这种按各种不同铺层设计要素组成的层合板。

本章主要介绍由高性能连续纤维与树脂基体材料构成的层合结构和夹层结构设计的基本原理和方法，也介绍复合材料结构在导弹结构中的应用。

1、层合板及其表示方法

（1）铺层及其方向的表示

铺层是层合板的基本结构单元，其厚度很薄，通常约为0.1～0.3mm。

铺层中增强纤维的方向或织物径向纤维方向为材料的主方向（1向：

即纵向）；垂直于增强纤维方向或织物的纬向纤维方向为材料的另一个主方向（2向：

即横向）。

1—2坐标系为材料的主坐标系，又称正轴坐标系，x-y坐标系为设计参考坐标系，如图10.1.1所示。

铺层是有方向性的。

铺层的方向用纤维的铺向角（铺层角）θ表示。

所谓铺向角（铺层角）就是铺层的纵向与层合板参考坐标X轴之间的夹角，由X轴到纤维纵向逆时针旋转为正。

参考坐标系X-Y与材料主方向重合则为正轴坐标系。

X-Y方向与材料主方向不重合则称偏轴坐标系，如图10.1.1（b）所示。

铺层的正轴应力与偏轴应力也在图1中标明。

（2）层合板的表示方法

为了满足设计、制造和力学性能分析的需要，必须简明地表示出层合板中各铺层的方向和层合顺序，故对层合板规定了明确的表示方法，如表10.1.1所示。

2、单层复合材料的力学性能

单层的力学性能是复合材料的基本力学性能，即材料工程常数。

由于单层很薄，一般仅考虑单层的面内力学性能，故假设为平面应力状态。

单层在材料主轴坐标系中通常是正交各向异性材料，在其主方向上某一点处的正应变ε1、ε2只与该点处的正应力σ1、σ2有关，而与剪应力τ12无关；同时，该点处剪应变γ12也仅与剪应力τ12有关，而与正应力无关。

材料工程常数共9个：

纵向和横向弹性模量Ε1和Ε2、主泊松比ν12、纵横剪切弹性模量G12，共四个弹性常数；还有纵向拉伸和压缩强度X1、X2，横向拉伸与压缩强度Y1、Y2，纵横剪切强度S共五个强度参数。

这9个工程常数是通过单向层合板的单轴试验确定的。

通常情况下，单层力学性能有明显的方向性，与增强纤维的方向密切相关，即Ε1>>Ε2，X>>Y；而且拉伸与压缩强度不相等，即X1≠X2，Y1≠Y2；纵横剪切性能与拉伸、压缩性能无关，即S与X、Y无关。

由于单层复合材料是复合材料的基础，故往往用它的性能来说明复合材料的性能。

但应当指出：

单层的性能不能替代实际使用的层合复合材料的性能。

一般说，实际使用的层合复合材料性能要低于单向复合材料的纵向性能。

复合材料的性能与材料中含有的纤维数量有很大的关系，所以在规定性能数据时，一般还应给定材料所含的纤维量，通常用纤维所占的体积百分比V来表示。

V称为纤维体积分数或纤维体积含量，其值通常控制在60%左右。

3、复合材料结构的制造与成型工艺

（1）制造与成型工艺的分类、特点与适用范围

树脂基复合材料结构成型工艺方法多种多样，各有所长。

工艺方法的分类见图10.1.2,各种工艺方法的特点与适用范围见表10.1.3。

图10.1.2中，属于改进的RTM方法有：

真空铺助RTM（VRTM）、差压RTM（DP–RTM）、热膨胀RTM（TERTM）、自动化RTM（ARTM）、连续化RTM（CRTM）等。

（2）常用的成型工艺方法

1）热压罐成型

预浸料热压罐成型法是目前广泛应用的先进复合材料结构成型工艺方法。

基本工艺过程是，将预浸料（预先浸渍树脂的单层）按设计要求铺叠在模具上形成构件叠层毛胚，并与其他工艺铺料一起构成真空袋组合系统，如图10.1.3（a）所示，用罐体内部均匀温度场和空气压力对复合材料预浸料叠层毛坯施加温度与压力，如图10.1.3（b）所示，以达到固化的目的。

2）真空袋成型法

真空袋成型工作原理如图10.1.4所示。

其主要设备是烘箱、成型模具以及真空系统。

3）软模成型法

软模成型是利用膨胀橡胶在一定温度下可控膨胀量所产生的压力对预浸料叠层毛坯加压固化的工艺方法，图10.1.5是飞机活动翼面成形示意图。

4）缠绕法型形

纤维缠绕法如图6所示,方法要点是连续纤维纱束浸渍树脂后,在张力控制下按预定路径精确地缠绕在转动的模芯上,按一定的规范固化,固化后脱模。

5）树脂转移模塑成型法（RTM）

这是一种可不采用预浸料，并在很大程度上不采用热压罐的成型方法。

RTM的成型工艺首先用编织、缝纫或胶粘等方法将增强纤维或织物按结构设计要求制成预成型件，将其置于四周严格密封的模具中，然后注入树脂。

树脂在模腔内流动并浸渍预成型件，随着树脂固化，制成复合材料结构。

树脂的引入可以通过树脂注射法、树脂反应性注射法、弥撒树脂粉末法等方法实现。

图7是树脂转移模塑成形工艺的示意图。

6）树脂膜熔浸成型（RFI）工艺

RFI成型工艺原理示意图如图10.1.8所示。

稠状树脂或固态片状树脂被置于预成型件下面，受热后粘度迅速降低，在真空压力的作用下，树脂沿厚度方向由下向上浸渍预成型件，待完全填充后，升高温度使树脂固化。

RFI成型工艺方法被认为是目前行之有效的低成本、高质量制造技术。

（3）复合材料结构件的机械加工

成型脱模的复合材料结构件,因为工艺与装配的原因需要在零件上开口或进行边缘切割与修磨,因此对其进行切割加工是不可避免的。

成型复合材料结构切割加工时，所有的切割边缘都应完整光滑，以避免边缘分层而引发结构提前破坏。

为防止总体变形，必要时应将零件固定在型架上进行切割。

切割与修磨过程中，应及时清除切屑粉尘，以防止零件划伤，降低污染，所有切割、修磨暴露的表面都必须用相应树脂或漆料、密封剂等封口。

复合材料构件的切割加工有砂轮片切割、超声波切割、高压水切割、激光切割等方法，每种方法均有其优缺点，应根据设计要求、现有条件限制和成本要求，选择合适的加工方法。

4、复合材料结构的质量控制

制造过程的质量控制可分为工序的质量管理和成品的质量管理，前者是复合材料结构制造质量高低的关键。

工序的质量管理包括厂房等环境管理、人员及作业管理和成形过程管理等环节。

复合材料厂房分一般工作场地和超净工作间，它们各有相应的环境指标要求。

一般工作场地是辅助工序、固化和机械加工工序的实现场所，超净工作间是预浸料制备、下料、铺层、胶接等操作场所。

一般工作场地与超净工作间相通之处应有过渡间，整个生产过程在同一厂房内连续进行。

人员素质、设备状态与管理水准是高质量生产的三要素。

人员培训、技术档案、检测制度和工艺质量流程卡（工序质量控制）构成了质量科学管理方法的主要内容。

复合材料成型是质量控制过程中的重要环节，是确保制件质量满足设计要求，达到规定目标的关键。

成型工艺过程是由每道工序组成的，因此，工序操作管理是成型工艺质量保证的基础。

对于常规零件和构件其作业流程大致为：

下料、模具准备、铺贴、打袋、固化、脱模、切割修整、制件完成。

除了工序质量管理和成品质量管理外，采用先进的生产工艺，增加生产的自动化程度，是质量控制的又一项重要措施。

例如，采用TRM成形工艺、电子束固化技术、自动下料技术、自动铺丝束带技术等。

5、复合材料结构设计的一般要求与设计步骤

（1）复合材料结构设计的一般要求

复合材料导弹结构的设计要求与金属结构的基本相同。

鉴于复合材料自身的特点，进行复合材料结构设计时，还应考虑以下几项要求。

①复合材料结构按许用应变设计结构时，采用使用载荷设计、设计载荷校核的原则。

不论采用何种方法设计，要注意复合材料在性能、失效模式、耐久性、制造工艺、质量控制等方面与金属材料有较大差异，应保证结构在使用载荷下有足够的强度和刚度，在设计载荷下，剩余强度系数应大于1。

②在确定复合材料结构设计许用值时，必须考虑环境对材料性能的影响。

环境因素包括温度、湿度、紫外线辐射、冰雹和外来物的冲击、雷电、风沙、腐蚀介质等，其中最主要的因素是温度、湿度以及在生产和使用中可能出现的最大不可见冲击损伤。

③复合材料结构的安全水平，不能低于同类金属结构。

④复合材料结构中，应特别注意防止与金属零件接触时的电偶腐蚀。

⑤由于复合材料的导电性能远不如金属材料高