1、導彈總體結構設計導彈總體結構設計第四章第四章 復合材料結構設計復合材料結構設計 4.1.1 4.1.1 層合板及其表示方法層合板及其表示方法鋪層及其方向的表示 （a）正軸坐標系和應力 （b）偏軸坐標系和應力4.1.1 4.1.1 層合板及其表示方法層合板及其表示方法（2）層合板的表示方法4.1.2 4.1.2 單層復合材料的力學性能單層復合材料的力學性能 單層的力學性能是復合材料的基本力學性能，即材料工程 常數。 材料工程常數共9個：縱向和橫向彈性模量E1和E2 、主泊松比n12、縱橫剪切彈性模量G12四個彈性常數；還有縱向拉伸和壓縮強度Xt、Xc，橫向拉伸與壓縮強度Yt、Yc，縱橫剪切強度S

2、共五個強度參數。這9個工程常數是通過單向層合板的單軸試驗確定的。 單層的性能不能替代實際使用的層合復合材料的性能。 4.1.3 4.1.3 復合材料結構的制造與成形工藝復合材料結構的制造與成形工藝（1）制造與成形工藝的分類、特點與適用范圍樹脂基復合材料結構成形工藝方法分類示圖樹脂基復合材料結構成形工藝方法分類示圖4.1.3 4.1.3 復合材料結構的制造與成形工藝復合材料結構的制造與成形工藝（1）制造與成形工藝的分類、特點與適用范圍復合復合 材料材料構件構件成形成形工藝工藝方法方法的特的特點與點與適用適用范圍范圍 4.1.3 4.1.3 復合材料結構的制造與成形工藝復合材料結構的制造與成形工藝

3、（2）常用的工藝成形方法 熱壓罐成形 （工藝示圖如右圖）4.1.3 4.1.3 復合材料結構的制造與成形工藝復合材料結構的制造與成形工藝（2）常用的工藝成形方法 真空袋成形法（工藝示圖如下圖）4.1.3 4.1.3 復合材料結構的制造與成形工藝復合材料結構的制造與成形工藝（2）常用的工藝成形方法 軟模成形法（工藝示圖如下圖）4.1.3 4.1.3 復合材料結構的制造與成形工藝復合材料結構的制造與成形工藝（2）常用的工藝成形方法 纏繞成形法（工藝示圖如下圖）4.1.3 4.1.3 復合材料結構的制造與成形工藝復合材料結構的制造與成形工藝（2）常用的工藝成形方法 樹脂轉移模塑成形法（RTM）（工藝

4、示圖如下圖）4.1.3 4.1.3 復合材料結構的制造與成形工藝復合材料結構的制造與成形工藝（2）常用的工藝成形方法 樹脂熔模浸成形法（RFI）（工藝示圖如下圖）4.1.3 4.1.3 復合材料結構的制造與成形工藝復合材料結構的制造與成形工藝（2）復合材料結構件的機械加工 成形復合材料結構切割加工時，所有的切割邊緣都應完整光滑，以避免邊緣分層而引發結構提前破壞。為防止總體變形，必要時應將零件固定在型架上進行切割。切割與修磨過程中，應及時清除切屑粉塵，以防止零件劃傷，降低污染，所有切割、修磨暴露的表面都必須用相應樹脂或漆料、密封劑等封口。復合材料構件的切割加工有砂輪片切割、超聲波切割、高壓水切割

5、、激光切割等方法，每種方法均有其優缺點，應根據設計要求、現有條件限制和成本要求，選擇合適的加工方法。 4.1.4 4.1.4 復合材料結構的質量控制復合材料結構的質量控制（2）復合材料結構件的機械加工 制造過程的質量控制可分為工序的質量管理和成品的質量管理，前者是復合材料結構制造質量高低的關鍵。 復合材料成形是質量控制過程中的重要環節，是確保制件質量滿足設計要求，達到規定目標的關鍵。成形工藝過程是由每道工序組成的，因此，工序操作管理是成形工藝質量保證的基礎。對于常規零件和構件其作業流程大致為：4.1.5 4.1.5 復合材料結構設計的一般要求和設計步驟復合材料結構設計的一般要求和設計步驟（1）

6、一般要求 按許用應變設計結構時，采用使用載荷設計、設計載荷校核 的原則； 在確定設計許用值時，必須考慮環境對材料性能的影響； 復合材料結構的安全水平，不能低于同類金屬結構； 注意防止與金屬零件接觸時的電偶腐蝕。 必須進行防雷擊、防靜電和電磁兼容設計與試驗驗證。 盡量設計成整體件，并采用共固化或二次固化、二次膠接技 術，以利減重和提高產品質量，但應注意共固化引起的結構 畸變和膠接質量問題。4.1.5 4.1.5 復合材料結構設計的一般要求和設計步驟復合材料結構設計的一般要求和設計步驟（2）設計步驟 選材時就必須同時考慮材料的機械性能、使用環境和工藝性 等因素。 初步設計階段應對結構的可維護性、可

7、修理性和維修的費用 進行考慮與評估。 首先應明確設計，之后進行設計選材和層合板設計，然后進 行結構設計。 設計選材和層合板設計包括組分材料的選用、鋪層性能的確 定以及層合板設計；結構設計則包含結構形式的確定、結構 元件設計、結構細節設計和連接設計等內容。 4.2.1 4.2.1 復合材料結構設計的選材復合材料結構設計的選材（1）選材的原則 根據結構最高工作溫度及其采用的工藝方法選擇樹脂基體體系，根據性能要求和成本指標選擇增強纖維。 重點考慮反映缺陷/損傷和環境因素影響的性能。 重點考慮與固化成形工藝有關的參數。 4.2.1 4.2.1 復合材料結構設計的選材復合材料結構設計的選材（2）纖維性能

8、及其選擇 選擇纖維時，首先要確定纖維的類別，其次要確定纖維的 品種規格。對纖維類別的選擇，應按比強度、比剛度、延 伸率、熱穩定性、性能價格比等指標，結合結構的使用要 求綜合考慮。 已在飛行器結構中應用的增強纖維有碳纖維、凱芙拉 （Kevlar）、玻璃纖維（S玻璃、E玻璃）和硼纖維等。 4.2.1 4.2.1 復合材料結構設計的選材復合材料結構設計的選材（2）樹脂性能及其選擇 樹脂基體是復合材料的另一組分材料，它對纖維起著支撐、 保護并傳遞載荷的作用。 樹脂的選擇應滿足結構的使用溫度范圍和基體的力學性能要 求，樹脂的吸濕、耐環境、阻燃性等物理、化學性能符合結 構的使用要求，所選樹脂還應滿足工藝性

9、能良好，毒性低， 價格合理等原則。 4.2.2 4.2.2 設計許用值的定義與確定原則設計許用值的定義與確定原則 金屬材料設計許用值以應力表示，稱設計許用應力 ；復合材料結構的設計許用值選擇應變，稱設計許用應變。 確定設計許用值的一般原則： 結構的拉伸設計許用值主要取決于含孔試樣的許用值，結 構的壓縮設計許用值主要取決于含沖擊損傷試樣的許用值。 薄蒙皮或薄面板蜂窩夾層結構設計許用值的確定，還需根 據設計要求考慮屈曲的影響。 4.2.3 4.2.3 設計許用值的確定方法設計許用值的確定方法 復合材料力學性能的數值基準可分為基準、基準和典型值。復合材料的強度數據一般采用基準值，而彈性常數均采用典型

10、值。 拉伸設計許用應變的確定； 壓縮設計許用應變的確定； 剪切設計許用應變的確定。 4.3.1 4.3.1 層合板設計的一般原則層合板設計的一般原則（1）均衡對稱鋪設原則 結構一般均設計成均衡對稱層合板形式，以避免拉-剪、拉-彎耦合而引起固化后的翹曲變形。 （2）鋪層定向原則 在滿足受力的情況下，鋪層方向數應盡量少，以簡化設計和施工的工作量。 （3）鋪層取向按承載選取原則 鋪層的纖維軸向應與內力的拉壓方向一致，以最大限度利用纖維軸向的高性能。 4.3.1 4.3.1 層合板設計的一般原則層合板設計的一般原則（4）鋪設順序原則（5）鋪層最小比例原則（6）沖擊載荷區設計原則 對于承受面內集中力沖擊

11、部位的層合板，要進行局部加強。（7）連接區設計原則（8）變厚度設計原則 在結構變厚度區域，鋪層數遞增或遞減應形成臺階逐漸變化，因為厚度的突變會引起應力集中。 （9）開口區鋪層原則 4.3.2 4.3.2 層合板的性能剪裁與強度估算層合板的性能剪裁與強度估算 （1）單層板的剛度（2）層合板剛度特性剪裁原理（3）單層板的強度（4）層合板的強度估算 4.3.3 4.3.3 層合板設計方法層合板設計方法 4.3.4 4.3.4 變厚度層合板設計變厚度層合板設計 變厚度層合板設計要點是在厚度變化（剛度變化）的部位，應有鋪層遞減（或遞增）的過渡區，避免厚度突變。 厚度變化過渡區，通常采用斜坡式連續過渡，如

12、右圖。 當采用臺階式厚度變化過渡時，建議階梯寬度與階高之比大于4，如下圖。 4.3.5 4.3.5 加筋板設計加筋板設計 （1）一般原則 在設計載荷下，應變水平不得超過設計許用應變； 穩定性要求； 加筋條與蒙皮的剛度、泊松比要匹配； 筋條與蒙皮結合處、加筋條端部等細節部位設計應避免應 力集中。 4.3.5 4.3.5 加筋板設計加筋板設計 （1）一般原則 設計要點： 合理分配蒙皮和加筋條承載比例； 選擇合適的加筋條剖面形狀，且剖面的彎曲剛度足夠，滿足 穩定性要求； 蒙皮與加筋條剛度要匹配（包括泊松比匹配）； 調節加筋條間距，滿足加筋板總體穩定性要求； 工藝可行。 4.3.5 4.3.5 加筋板

13、設計加筋板設計 （2）加筋條剖面形狀選擇 加筋條剖面形狀分為開剖面的L形、T形（含球頭T形）、J形、I形、p形等，閉剖面的帽形、泡形、形等。如下圖。 4.3.5 4.3.5 加筋板設計加筋板設計 （3）加筋板細節設計 細節設計的重點是使傳力路線連續合理，剛度、泊松比匹配，減少偏心和減少應力集中等。 加筋條與蒙皮結合處剛度協調設計考慮； 加筋條端頭設計； 形加筋條內部結合面鋪層設計； 形加筋條內空腔填充設計； 角形加筋條與蒙皮結合處設計； 加筋板蒙皮止裂層設計； 加筋板成形工藝質量保證措施； 加筋板抗沖擊設計考慮。 4.3.5 4.3.5 加筋板設計加筋板設計 （4）加筋板設計建議 蒙皮與加筋條

14、的載荷分配應保持合適的比例； 蒙皮的鋪層彈與翼盒段結構形式關系。（5）加筋條鋪層建議（6）細節設計參照本節（7）采用三維編織和縫紉可增加構件厚度方向的強度以 及層間強度與韌性，對避免分層現象也很有效 4.3.6 4.3.6 層合件工藝性設計考慮層合件工藝性設計考慮（1）層合件工藝性設計考慮要點 工藝對鋪層設計的建議已列入層合板和加筋板設計原則和細 節設計中； 在設備和工藝條件許可情況下，應盡可能采用整體化設計， 以減少組裝工作量； 層合件圓角半徑和脫模斜度應符合相關工藝手冊規定； 配合精度應滿足裝配或組裝要求，并制定可行的補償措施； 為保證零構件可檢性，設計時應留有無損檢測的通道。 4.3.6

15、 4.3.6 層合件工藝性設計考慮層合件工藝性設計考慮（2）層合件尺寸公差 層合件尺寸公差選用原則 厚度公差 層方向公差 夾層結構通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子膠接而成。具有質量輕、彎曲剛度與強度大、抗失穩能力強、耐疲勞、吸音和隔熱等優點。 4.4.1 4.4.1 夾層結構的破夾層結構的破 壞模式與設計壞模式與設計 準則準則 （1）夾層結構破壞模式4.4.1 4.4.1 夾層結構的破壞模式與設計準則夾層結構的破壞模式與設計準則 （2）夾層結構設計準則 在設計載荷下，面板的面內應力應小于材料強度，或在設計載荷下，面板應變小于設計許用應變； 芯子應有足夠的厚度（高度）及剛度 ； 芯子應有足夠的

16、彈性模量和平壓強度，以及足夠的芯子與面板平拉強度； 面板應足夠厚，蜂窩芯格尺寸應合理； 應盡量避免夾層結構承受垂直于面板的平拉或平壓局部集中載荷； 膠粘劑必須具有足夠的膠接強度，同時還要考慮耐環境性能和老化性能； 碳纖維層合面板與鋁蜂窩芯子膠接面要注意防止電偶腐蝕問題； 對雷達罩等有特殊要求的夾層結構，面板、芯子和膠粘劑選擇必須考慮電性能、阻燃、毒性和煙霧等特殊設計要求。 4.4.2 4.4.2 夾層結構及其選材夾層結構及其選材 （1）面板 鋁合金 碳纖維復合材料 凱芙拉（Kevlar）纖維復合材料 玻璃布復合材料，如高彈玻璃布/環氧復合材料等 4.4.2 4.4.2 夾層結構及其選材夾層結構

17、及其選材 （2）芯子 芯子材料選擇應遵循的原則有：芯子材料密度低，有足夠的強度和剛度；膠接性能好；與面板的電性能相匹配，避免電偶腐蝕；工藝性能良好，價格低。對于某些特殊構件，要考慮芯子的電性能、導熱性能以及阻燃、防毒和防煙霧性能等。電性能、導熱性以及阻燃、防毒和防煙霧性能等。 （3）膠粘劑 夾層結構中的膠粘劑分為板芯膠、芯與骨架元件（如梁、肋）粘接膠以及芯子與芯子拼接膠三類，其中板芯膠最為重要。4.4.3 4.4.3 夾層結構設計夾層結構設計 結構設計的步驟：第一步：根據外載大小，初步確定夾層結構形式及尺寸。 第二步：根據初定結構，用有限元法（或工程設計計算方法） 確定內力及支反力。第三步：根

18、據第二步的分析結果，按強度準則修改芯子密度及 面板厚度。第四步：根據修改后的結構尺寸，再進行有限元應力分析，并 進行詳細的強度校核，檢查其強度。剛度和穩定性是 否滿足要求。重復第三至第四步，直至得到合適的設計結果。4.4.4 4.4.4 夾層結構細節夾層結構細節 （1）邊緣閉合設計 邊緣閉合有兩種基本形式：面板折成斜面閉合，（如圖a）和邊緣連接件閉合（如圖b）。4.4.4 4.4.4 夾層結構細節夾層結構細節 （2）芯子增強設計 夾層結構由于垂面載荷 作用或強度、剛度要求等原因，芯子需要增強。一般采取充填樹脂膠、局部芯子加密、加入墊塊或成形件等辦法增強芯子，如下圖所示。4.4.4 4.4.4

19、夾層結構細節夾層結構細節 （3）防潮密封設計 蜂窩夾層結構防潮設計措施有以下兩點： 復合材料面板表面涂密封劑，如H101H103封孔劑，W06-2 底漆和Wof-1面o漆； 密封所有水分可能浸入蜂窩芯格的通道，密封措施如下圖所 示。4.4.4 4.4.4 夾層結構細節夾層結構細節 （4）受側壓夾層板邊緣支持的設計建議 夾層板受側壓作用，邊緣支持設計應避免發生面板彎曲引起的平拉伸分層開裂，如圖a所示為不滿意設計。為此，應在夾層板邊緣處將蜂窩削成斜面、面板閉合與支持結構膠接連接，結合面承受剪切載荷，如圖b所示為滿意設計。 復合材料連接主要分為膠接連接、機械連接和混合連接三種類型。4.5.1 4.5.1 膠接連接設計膠接連接設計 膠接連接設計的基本原則： 選擇合理連接形式。 盡可能減小應力集中。 力求避免連接端部層合板發生層間剝離破壞。 承受動載荷時，應選低模量韌性膠粘劑；在高溫工作時，所選 膠粘劑的熱膨脹系數盡量與被膠接件相近。 工藝盡可能簡單，降低制造成本。 4.5.2 4.5.2 夾層結構連接設計夾層結構連接設計 兩大技術措施： 局部增強（如右上圖a為局部填充增強，b為鑲嵌增強件）采用專用連接（如右下圖） 4.5.3 4.5.3 機械連接設計機械連接設計 機械連接典型破模式及其預防措施：4.6.1 4.6.1 導彈復合材料結構的選擇原則導彈