复合材料铺层设计.docx
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复合材料铺层设计
复合材料铺属谡计
复金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戎织杨形成的复合材料单向层。
由两层或多层同种或不同种材抖铺层层合庄制而成的复合材料板材称为层合板。
复合材料层庄结构件的基本单元正是这种按各种不同铺层役计要素纽成的层今核。
本章主要介绍由壽性能连续纤维与树脂基体材料构成的层仝结构和夾层结构设计的基本原理和方比，也介绍复合材抖结构在导弹结构中的应用。
一＞层合核及其表示方法
⑴轴层及其方向的表示
铺层是层合板的基本结构单元，其厚度很萍，通帝约为0」〜0.3mmo铺层中增强纤维的方向或织杨彳至向纤维方向为材抖的主方向（1向：
即纵向丿；垂直于增强纤维方向或织场的纬向纤维方向为材抖的另一个主方向（2向：
印橫向丿。
1—2坐标糸为材料的主坐标糸，又称正轴坐标糸’x・y坐标糸为设计参考坐标糸，如图10.1.1所示。
3正轴坐标系和应力
图10.1.1层材料正轴与偏轴坐标系和应力
铺层是有方向性的。
铺层的方向用纤维的揣向角（铺屋角丿e表示。
所谓铺向角
（铺尾角）就是铺层的纵向与层合板参考坐标X铀之间的爽角，由X铀到纤维纵向送肘针淡转为正。
参考坐标糸X-Y与材抖主方向重合则为正轴坐标糸。
X-Y方向与材料主方向不重合则称偏轴坐标糸，如图10.1.1（bj所示。
铺层的正抽应力与偏軸应力也在图10.1.1中标朗。
（2）$合核的表示方法
为了满足役计.制凌和力学性能分析的需要，必须简朗地表示出层合板中各铺层的方向和层合顺序，故对层合板规定了朗确的表示方法，如表10」」所示。
层合板卿
窗示
表示法
说明
V层合板
S
90
[45/90/-45/0]
铺层方向用铺向角表示>按由下向上的顺序写出>領向角间用吟分开，全部舖层用
对称层
合饭
偶数层
^E|
[0叫
只写出对称中面下的一半^层，右括彫卜加写下标“宀表示对称
奇数层
0w
0
45
[45/0/西]$
在对称中面的^层上方加顶标““表莎
具有连续重复铺层的层合槻
[45/0J
连续重复层的层数用下翩字示出
具有连续正负铺层的展合板
~«-
0
[0/90/+45]
连续正负铺层用“曰或W表示，上面的符号表示前一个铺层下面的符号表示后一tmi
由多个孑层合檢构戚的层合板
r~^~i
~43-
~^r
-43~
[45/-45]2或[±45]2
在层合板内y•多次重复的多向卡醍组合叫孑层含板。
孑层合板的重融用下廳字示出
纟只物铺层层合板
050
44S
[（±45/（0,90）]
织物用醐号“（严以髓绻F维方向表示，径向纤维£前，纬向纤维£后
制杂纤维层合板
r^~i
45K
~WC~
[90c/45k/06]
纤猶酮奥用英文字母下标出:
c表示碳纤维，K表示談纤维,G表示画纤维>B蒜瓣僥
夹^板
~45~
0
0
45
H5/0/C5]s
面板诵层的表示同前，C饰夹芯■其下磁揺示夹芯區度,单位为毫米
2.单层复合材料的力学性能
单层的力学性能是复合材抖的基本力学性能，即材抖工程常数。
由于单层很薄，
一般仅考虑单层的面力学性能，故假设为平面应力状态。
单层点材料主軸坐标糸常是正交各向异性材料，A其主方向上芷一点处的正应支$只与该点处的
正应力6i,62有关，而与剪应力“2无关；同肘，该点处剪应支丫口也仗与零应力Ta有关，而与正应力无关。
材抖工程常数共9个：
纵向和橫向暉性模<•入和入2、主湎松比们2、纵横审切弹性棋受02,共四个弹性帚数；还有纵向拉伸和压缩務度X】、X2,横向拉伸与公编僅盛£、丫2,以横育切径废S共五个强度参数。
这9个工程當藪是通过单向层合板的单軸试验确定的。
通常恃况下，单层力学性能有刚显的方向性，与增强纤维的方向酒切相关，即入|>>入2,X>>Y;而且拉伸与压缩强度不相等，即X］工X2，丫|龙丫2；纵橫剪切性能与拉伸、庄缩性能无关，印S与X,Y无关。
由于单层复合材料是复合材抖的基础，故往往用它的性能来说朗复合材料的性能。
但应生指出：
单层的性能不能特代实际使用的屋金复金材料的性能。
一般说，卖际使用的层合复金材料性能要低于单向复合材抖的纵向性能。
复合材抖的性能与材料中含有的纤维数量有很丸的关糸，所以在规走性能教据肘，一般还应给岌材料所令的纤维受，通常用纤维所占的体积百分比V来在示。
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。
三、复合材料结构的制遂与成形工艺
flj创进与成形工艺的分真、将点与速用田
树脂基复合材料结构成形工艺方法多种多样，各有所长。
工艺方去的分类见图
10.1.2,各种工艺方法的特点与适用国见表10.1.3o
图10.1.2中，厲于及.进的RTM方比有：
真•空铺助RTMfVRTM）、差庄RTM
CDP-RTM八热膨胀RTM（TERTMJ、勺动化RTM（ARTM八连续化RTM
CCRTM）等。
（2）常用的成形工艺方決
U热压宰成形
预没抖热庄踐成形法是目常广泛应用的丸进复合材抖结构成形工艺方去。
基本工艺过程是，将预谡料（预丸没请树脂的单层丿按设计要求铺蛊农栈具上形成构件奁层毛加，并与其他工艺铺料一起构成真咗皱纽合糸统，如图10」.3（a）所示，用罐体部均匀温度场和诠气民力对复合材料预没料会层毛坯施加温度与庄力，如图
10.1.3（b）所示，以达列固化的目的。
2）女龙敛成形法
真空篆成形工作嫄理如图10.1.4所示。
其主要设备是烘俞.成形栈具以及真空糸
统。
贞空袋部件
3）轶栈成形法
软栈成形是利用膨胀橡胶在一定温度下可控膨胀量所尹生的庄力对预没料总层
毛坯加庄固化的工艺方法，图10.1.5是飞机活动翼面成形示奏图。
4）傩晚法成形
纤维缠统去如图10.1.6所示，方法要点是连续纤维纱束浚渍树脂后,ZL力控制下按
预定路径粕确地缠统柱转动的栈芯上•按一岌的规固化，固化后脱模O
5）树&林移核扇成形法CRTMJ
这是一种可不采用预没料，并在很丸程度上不采用热压霾的成形方去。
RTM的成形工艺首先用编织、绫纫或胶粘等方出将增强纤维或织物按结构设计要求制成预成形件，将其置于四周严格矗封的校具中，余后注入树脂。
树脂柱栈腔流动并没请预成形件，随着树脂固化，制成复合材蚪结构。
树脂的引入可以通过树脂注射法、树脂反应性注射法、硃撒树脂粉未比等方比卖现。
图10.1.7是树脂转移栈塑成形工艺的示盘图。
6）树肃朕堀沒成形CRFU工艺
RFI成形工艺原狸示盘图如图10.1.8所示。
稠状树脂戎固态片状树脂彼置于预成形件下面，受热后粘度迅速舉低，在真空庄力的作用下，树脂沿厚度方向由下向上没请预成形件，待兜全充填后，升需温度使树脂固化。
RFI成形工艺方岀彼认为是目甫行之有赦的低成本.需质量制凌枝术。
（3）复合材料结构件的机械加工
成形脱栈的复今材料结构件•因为工艺与装配的原因需要在零件上开D或进行边.缘切割与修磨•因此对其进行切创加工是不可境免的。
成形复今材料结构切割加工肘，所有的切刮边缘都应兜整光滑，以躍免边缘分层而引发结构提前破坏。
为防止总、体变形，处要对应将零件固主雀型架上进行切制。
切创与修康过程中，应及肘请除切眉粉尘，以防止零件划伤，吟低污染，所有切制、修虜暴療的在面都必须用相应树脂或漆抖、宏封剂等封D。
复合材料构件的切刮加工有抄轮片切割.超声沐切创、壽庄水切割.激光切刘等方法，毎种方出均有其优缺点，应根据设计要求.现有条件限制和成本要求，选择今适的加工方坎。
四、复合材料结构的履受控制
制进过程的质量控制可分为工序的质量管理和成為的质量•管理,甫者是复合材料结构制凌质量需低的关純。
工厚的质走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，起净工作间是预没料制备•下料•铺层.腔接等操作场所。
一般工作场地与起净工作间相通之处应有过渋间，整个生庐过程在同一厂房连续进行。
人员素质、役备状态与•管理水准是盘质董生*的三要素。
人员培训、枝术档令、检测制度和工艺质量流程卡（工序质量控制丿构成了质量科学管理方比的主要家。
预裁］
廉助材料丿
复金材料成形是质量控制过程中的重要环节，是确保制件施量满足设计要求’达刊规岌目标的关純。
成形工艺过程是由每道工理组成的，因此，工序祿作管理是成形工艺质量保证的基础。
对于帝规零件和构件其作业流程大玫为：
裁辱f铺盞f封装+预压实f固化f机械加工亠检测f装配亠成品
除了工序质量管理和成品质量管理外.采用先进的生尹工艺P增加生尹的自动化程度，是质量技制的又一项重要橹丸。
例如，采用TRM成形工艺、电孑束固化枝术.勺动下抖枝术.勺动铺丝束帶枝术等。
五・复合材料结构设计的一般要求与设计步線
HJ复合材坍结构说计的一般要求
S.
复合材抖导弹结构的役计要求与全厲结构的基本相同。
荃于复合材料勺身的特
$、,进行复合材料结构设计肘，还应考虑以下儿项要求。
1复合材料结构按许用应变设计结构肘，采用使用栽持设计、设计我希狡核的原则。
不论采用何种方法设计，要注意复合材抖在性能、失数棋式、耐久性、制凌工艺、质量控制等方面与金属材坍有较大差异，应保证结构在使用栽満下有足够的强度和创度，在设计栽,荷下，剩余强度糸数应丸于1。
2在确定复合材料结构设计许用值肘，必须考虑环境对材料性能的影响。
环境因素包括温度.谡度、紫外线輛射、冰电和外来场的冲击、番电、风沙、庸蚀介质等，其中最主要的因素是温度、谡度以及在生庐和使用中可能出现的最大不可见冲去胺伤。
3复合材抖结构的安全水平，不能.低于同类全厲结构。
@复合材料结构中，应特别注盘防止与全厲疼件接紘肘的电偈庸蚀。
5由于复金材料的导电性能运不如全厲材料壽，对复合材料飞行器结构必、须进行防谢击、疗挣电和电该兼家役计与式验醱证。
导弹的头部以及翼面结构的尖端和前缘等部位易受番击，应进行盼番出役计与验证。
对复合材料弹翼匀电子设备舱必须进行防挣电起火和防电该屛抜的防护设计和验证试捡。
6应尽量将复合材抖结构设计成整体件，并采用共固化或二次固化.二次胶接枝术，以利减重和提高兴洗质量，但应注盘共固化引起的结构崎变和胶接质量问題。
除了以上的要求外，复合材料飞行赛结构设计在骼强度役计、耐久性设计和结构工艺性等方面还有一些不同于全厲结构的特缘要求，设计肘均应考虑。
（2）复合材料姑构设计的步專
综合设计思想在复金材料结构设计中的体现非常：
fe岀。
一般情况下，金厲结构役计是根据手册提供的性能数据，选挣所禽材坍的牌号和规格，然后进行具体的结构设计。
而复合材料结构役计选材肘就必须同肘考虑妨料的机械性能、使用环境和工艺性（如树脂体糸的固化温度.固化肘间和工艺方法丿等因素。
因为复合材抖是结构设计与材抖设计同肘进行，材料与结构一次成形，所以在设计肘既要对组成构件各部分的层合板参数进行设计，还要选择构件的构凌形式和几何尺寸。
在初步设计阶段就应对结构的可维护性、可修理性和维修的冬用进行考虑与评估。
复合材抖结构设计，首先应明确设计条件，之后进行役计选材和层合扱役计，然后进行结构设计。
淮.整个设计过程中，应視不同阶段进行相应式验S包括芷些工艺加脸。
其中材料渕样.元件、组金件和部件四个层次积木式方比的捡证试殓，在保证复金材抖结构满足结构设计要求方面占有重要地伐。
设计条件包括对结构的性能要求.我希情况、环境条件和工艺条件等四个方面。
栽持情况是指所设计结构承受的栽，荷性质，如挣我椅或动我椅。
动
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