1、WORD10/10復(fù)合材料鋪層設(shè)計復(fù)合材料制件最基本的單元是鋪層。鋪層是復(fù)合材料制件中的一層單向帶或織物形成的復(fù)合材料單向?qū)印Ｓ蓛蓪踊蚨鄬油N或不同種材料鋪層層合壓制而成的復(fù)合材料板材稱為層合板。復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)件的基本單元正是這種按各種不同鋪層設(shè)計要素組成的層合板。本章主要介紹由高性能連續(xù)纖維與樹脂基體材料構(gòu)成的層合結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理和方法，也介紹復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。一、層合板與其表示方法(1) 鋪層與其方向的表示鋪層是層合板的基本結(jié)構(gòu)單元，其厚度很薄，通常約為0.10.3mm。鋪層中增強纖維的方向或織物徑向纖維方向為材料的主方向（1向：即縱向）；垂直于增強纖維方向或織

2、物的緯向纖維方向為材料的另一個主方向（2向：即橫向）。12坐標系為材料的主坐標系，又稱正軸坐標系， x-y坐標系為設(shè)計參考坐標系，如圖10.1.1所示。鋪層是有方向性的。鋪層的方向用纖維的鋪向角（鋪層角）表示。所謂鋪向角（鋪層角）就是鋪層的縱向與層合板參考坐標X軸之間的夾角，由X軸到纖維縱向逆時針旋轉(zhuǎn)為正。參考坐標系X-Y與材料主方向重合則為正軸坐標系。X-Y方向與材料主方向不重合則稱偏軸坐標系，如圖10.1.1（b）所示。鋪層的正軸應(yīng)力與偏軸應(yīng)力也在圖10.1.1中標明。（2）層合板的表示方法為了滿足設(shè)計、制造和力學(xué)性能分析的需要，必須簡明地表示出層合板中各鋪層的方向和層合順序，故對層合板規(guī)

3、定了明確的表示方法，如表10.1.1所示。二、單層復(fù)合材料的力學(xué)性能單層的力學(xué)性能是復(fù)合材料的基本力學(xué)性能，即材料工程常數(shù)。由于單層很薄，一般僅考慮單層的面力學(xué)性能，故假設(shè)為平面應(yīng)力狀態(tài)。單層在材料主軸坐標系常是正交各向異性材料，在其主方向上某一點處的正應(yīng)變1、2只與該點處的正應(yīng)力1、2有關(guān)，而與剪應(yīng)力12無關(guān)；同時，該點處剪應(yīng)變12也僅與剪應(yīng)力12有關(guān)，而與正應(yīng)力無關(guān)。材料工程常數(shù)共9個：縱向和橫向彈性模量1和2、主泊松比12、縱橫剪切彈性模量 G12，共四個彈性常數(shù)；還有縱向拉伸和壓縮強度X1、X2，橫向拉伸與壓縮強度Y1、Y2，縱橫剪切強度S共五個強度參數(shù)。這9個工程常數(shù)是通過單向?qū)雍习?/p>

4、的單軸試驗確定的。通常情況下，單層力學(xué)性能有明顯的方向性，與增強纖維的方向密切相關(guān)，即12，XY；而且拉伸與壓縮強度不相等，即X1X2，Y1Y2；縱橫剪切性能與拉伸、壓縮性能無關(guān)，即 S 與 X 、Y 無關(guān)。由于單層復(fù)合材料是復(fù)合材料的基礎(chǔ)，故往往用它的性能來說明復(fù)合材料的性能。但應(yīng)當指出：單層的性能不能替代實際使用的層合復(fù)合材料的性能。一般說，實際使用的層合復(fù)合材料性能要低于單向復(fù)合材料的縱向性能。復(fù)合材料的性能與材料中含有的纖維數(shù)量有很大的關(guān)系，所以在規(guī)定性能數(shù)據(jù)時，一般還應(yīng)給定材料所含的纖維量，通常用纖維所占的體積百分比V來表示。V稱為纖維體積分數(shù)或纖維體積含量，其值通常控制在60%左右

5、。三、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造與成形工藝（1）制造與成形工藝的分類、特點與適用圍樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成形工藝方法多種多樣，各有所長。工藝方法的分類見圖10.1.2,各種工藝方法的特點與適用圍見表10.1.3。圖10.1.2中，屬于改進的 RTM 方法有：真空鋪助RTM(VRTM)、差壓RTM（DPRTM）、熱膨脹RTM（TERTM）、自動化RTM（ARTM）、連續(xù)化RTM（CRTM）等。（2）常用的成形工藝方法 1）熱壓罐成形預(yù)浸料熱壓罐成形法是目前廣泛應(yīng)用的先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成形工藝方法。基本工藝過程是，將預(yù)浸料（預(yù)先浸漬樹脂的單層）按設(shè)計要求鋪疊在模具上形成構(gòu)件疊層毛胚，并與其他工藝鋪料一起構(gòu)成真空

6、袋組合系統(tǒng)，如圖10.1.3(a)所示，用罐體部均勻溫度場和空氣壓力對復(fù)合材料預(yù)浸料疊層毛坯施加溫度與壓力，如圖10.1.3(b)所示，以達到固化的目的。2）真空袋成形法真空袋成形工作原理如圖10.1.4所示。其主要設(shè)備是烘箱、成形模具以與真空系統(tǒng)。3）軟模成形法軟模成形是利用膨脹橡膠在一定溫度下可控膨脹量所產(chǎn)生的壓力對預(yù)浸料疊層毛坯加壓固化的工藝方法，圖10.1.5是飛機活動翼面成形示意圖。4）纏繞法成形纖維纏繞法如圖10.1.6所示,方法要點是連續(xù)纖維紗束浸漬樹脂后,在力控制下按預(yù)定路徑精確地纏繞在轉(zhuǎn)動的模芯上,按一定的規(guī)固化,固化后脫模。5) 樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形法（RTM）這是一種可不采用

7、預(yù)浸料，并在很大程度上不采用熱壓罐的成形方法。RTM的成形工藝首先用編織、縫紉或膠粘等方法將增強纖維或織物按結(jié)構(gòu)設(shè)計要求制成預(yù)成形件，將其置于四周嚴格密封的模具中，爾后注入樹脂。樹脂在模腔流動并浸漬預(yù)成形件，隨著樹脂固化，制成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。樹脂的引入可以通過樹脂注射法、樹脂反應(yīng)性注射法、彌撒樹脂粉末法等方法實現(xiàn)。圖10.1.7是樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形工藝的示意圖。6）樹脂膜熔浸成形（RFI）工藝RFI成形工藝原理示意圖如圖10.1.8所示。稠狀樹脂或固態(tài)片狀樹脂被置于預(yù)成形件下面，受熱后粘度迅速降低，在真空壓力的作用下，樹脂沿厚度方向由下向上浸漬預(yù)成形件，待完全充填后，升高溫度使樹脂固化。RFI成形

8、工藝方法被認為是目前行之有效的低成本、高質(zhì)量制造技術(shù)。（3）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的機械加工成形脫模的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件,因為工藝與裝配的原因需要在零件上開口或進行邊緣切割與修磨,因此對其進行切割加工是不可避免的。成形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)切割加工時，所有的切割邊緣都應(yīng)完整光滑，以避免邊緣分層而引發(fā)結(jié)構(gòu)提前破壞。為防止總體變形，必要時應(yīng)將零件固定在型架上進行切割。切割與修磨過程中，應(yīng)與時清除切屑粉塵，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(yīng)樹脂或漆料、密封劑等封口。復(fù)合材料構(gòu)件的切割加工有砂輪片切割、超聲波切割、高壓水切割、激光切割等方法，每種方法均有其優(yōu)缺點，應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求、現(xiàn)有條件限制和成

9、本要求，選擇合適的加工方法。四、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制 制造過程的質(zhì)量控制可分為工序的質(zhì)量管理和成品的質(zhì)量管理，前者是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量高低的關(guān)鍵。 工序的質(zhì)量管理包括廠房等環(huán)境管理、人員與作業(yè)管理和成形過程管理等環(huán)節(jié)。復(fù)合材料廠房分一般工作場地和超凈工作間，它們各有相應(yīng)的環(huán)境指標要求。一般工作場地是輔助工序、固化和機械加工工序的實現(xiàn)場所，超凈工作間是預(yù)浸料制備、下料、鋪層、膠接等操作場所。一般工作場地與超凈工作間相通之處應(yīng)有過渡間，整個生產(chǎn)過程在同一廠房連續(xù)進行。人員素質(zhì)、設(shè)備狀態(tài)與管理水準是高質(zhì)量生產(chǎn)的三要素。人員培訓(xùn)、技術(shù)檔案、檢測制度和工藝質(zhì)量流程卡（工序質(zhì)量控制）構(gòu)成了質(zhì)量科學(xué)管理

10、方法的主要容。 復(fù)合材料成形是質(zhì)量控制過程中的重要環(huán)節(jié)，是確保制件質(zhì)量滿足設(shè)計要求，達到規(guī)定目標的關(guān)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(zhì)量保證的基礎(chǔ)。對于常規(guī)零件和構(gòu)件其作業(yè)流程大致為：除了工序質(zhì)量管理和成品質(zhì)量管理外，采用先進的生產(chǎn)工藝，增加生產(chǎn)的自動化程度，是質(zhì)量控制的又一項重要措施。例如，采用TRM成形工藝、電子束固化技術(shù)、自動下料技術(shù)、自動鋪絲束帶技術(shù)等。五、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般要求與設(shè)計步驟（1）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般要求復(fù)合材料導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求與金屬結(jié)構(gòu)的基本一樣。鑒于復(fù)合材料自身的特點，進行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還應(yīng)考慮以下幾項要求。 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

11、按許用應(yīng)變設(shè)計結(jié)構(gòu)時，采用使用載荷設(shè)計、設(shè)計載荷校核的原則。不論采用何種方法設(shè)計，要注意復(fù)合材料在性能、失效模式、耐久性、制造工藝、質(zhì)量控制等方面與金屬材料有較大差異，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)在使用載荷下有足夠的強度和剛度，在設(shè)計載荷下，剩余強度系數(shù)應(yīng)大于1。 在確定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計許用值時，必須考慮環(huán)境對材料性能的影響。環(huán)境因素包括溫度、濕度、紫外線輻射、冰雹和外來物的沖擊、雷電、風沙、腐蝕介質(zhì)等，其中最主要的因素是溫度、濕度以與在生產(chǎn)和使用中可能出現(xiàn)的最大不可見沖擊損傷。 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全水平，不能低于同類金屬結(jié)構(gòu)。 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，應(yīng)特別注意防止與金屬零件接觸時的電偶腐蝕。 由于復(fù)合材料的導(dǎo)電性能遠

12、不如金屬材料高，對復(fù)合材料飛行器結(jié)構(gòu)必須進行防雷擊、防靜電和電磁兼容設(shè)計與試驗驗證。導(dǎo)彈的頭部以與翼面結(jié)構(gòu)的尖端和前緣等部位易受雷擊，應(yīng)進行防雷擊設(shè)計與驗證。對復(fù)合材料彈翼與電子設(shè)備艙必須進行防靜電起火和防電磁屏蔽的防護設(shè)計和驗證試驗。 應(yīng)盡量將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計成整體件，并采用共固化或二次固化、二次膠接技術(shù)，以利減重和提高產(chǎn)品質(zhì)量，但應(yīng)注意共固化引起的結(jié)構(gòu)畸變和膠接質(zhì)量問題。除了以上的要求外，復(fù)合材料飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計在靜強度設(shè)計、耐久性設(shè)計和結(jié)構(gòu)工藝性等方面還有一些不同于金屬結(jié)構(gòu)的特殊要求，設(shè)計時均應(yīng)考慮。（2）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的步驟綜合設(shè)計思想在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中的體現(xiàn)非常突出。一般情況下，金

13、屬結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)手冊提供的性能數(shù)據(jù)，選擇所需材料的牌號和規(guī)格，然后進行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計選材時就必須同時考慮材料的機械性能、使用環(huán)境和工藝性（如樹脂體系的固化溫度、固化時間和工藝方法）等因素。因為復(fù)合材料是結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料設(shè)計同時進行，材料與結(jié)構(gòu)一次成形，所以在設(shè)計時既要對組成構(gòu)件各部分的層合板參數(shù)進行設(shè)計，還要選擇構(gòu)件的構(gòu)造形式和幾何尺寸。在初步設(shè)計階段就應(yīng)對結(jié)構(gòu)的可維護性、可修理性和維修的費用進行考慮與評估。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先應(yīng)明確設(shè)計條件，之后進行設(shè)計選材和層合板設(shè)計，然后進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。在整個設(shè)計過程中，應(yīng)視不同階段進行相應(yīng)試驗，包括某些工藝試驗。其中材料試樣、元件、組合件和部件四個層次積木式方法的驗證試驗，在保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求方面占有重要地位。設(shè)計條件包括對結(jié)構(gòu)的性能要求、載荷情況、環(huán)境條件和工藝條件等四個方面。載荷情況是指所設(shè)計結(jié)構(gòu)承受的載荷性質(zhì)，如靜載荷或動載荷。動載荷分為沖擊載荷和交變載荷。沖擊是碰撞引起的載荷，它對復(fù)合材料極易造成損傷，尤其是低能量沖擊造成的損傷不易覺察，潛在威脅大，因此對這類載荷作用部位的結(jié)構(gòu)，設(shè)計時要特別注意。交變載荷作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)具有需要的疲勞強度和壽命。環(huán)境條件是指結(jié)構(gòu)使用區(qū)域的大氣、氣象與其他物理