第5講-典型構件設計

1、復合材料復合材料 典型結(jié)構件設計典型結(jié)構件設計 張紀奎張紀奎 繼教樓繼教樓205205 提綱提綱 v壁板設計壁板設計 v結(jié)構連接設計結(jié)構連接設計 v創(chuàng)新結(jié)構設計創(chuàng)新結(jié)構設計 壁板設計 Q按結(jié)構形式可分為單向加筋板、格柵壁板、多腹 板結(jié)構壁板等 Q目前翼面壁板使用較多，這主要由于 1、應變應力水平高，更容易發(fā)揮復合材料性能上的 優(yōu)勢，減重效果明顯； 2、外形簡單，一般為單曲度，制造相對容易； 3、結(jié)構簡潔，開口較少，需經(jīng)常檢查維護部位不多， 形成維護損傷的可能性也較少。 單向加筋壁板 Q 只有縱向加筋只有縱向加筋 格柵壁板 縱、橫向筋縱、橫向筋 條與蒙皮一條與蒙皮一 起，一次固起，一次固 化成形

2、，結(jié)化成形，結(jié) 構的整體性構的整體性 好，重量輕好，重量輕 ，壁板外表，壁板外表 面光整，但面光整，但 制造復雜。制造復雜。 加筋條的截面形狀 開剖面加強筋工藝性明顯優(yōu)于閉剖面加筋強筋；開剖面加強筋工藝性明顯優(yōu)于閉剖面加筋強筋； 閉剖面加強筋的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲穩(wěn)定性能大大優(yōu)于開剖閉剖面加強筋的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲穩(wěn)定性能大大優(yōu)于開剖 面加強筋。面加強筋。 加筋條的截面形狀 Q從蒙皮與加強筋結(jié)合考慮，L形（角形）加 強筋易發(fā)生分層，應認真設計。T形和II形剖 面推薦選擇。 加筋板的破壞形式 加筋壁板的結(jié)構設計 Q除應遵循結(jié)構設計的一般要求外，還需滿足應 變要求和穩(wěn)定性要求。即在設計載荷下，構件 的應變不

3、得超過規(guī)定的設計許用值。 Q對于重要構件，在極限載荷下不允許屈曲。 Q只有次要構件采用在限制載荷下不得屈曲，在 極限載荷下允許屈曲的要求， Q而允許在限制載荷下進入屈曲，只限于薄板（ 厚度1mm左右）。 蒙皮主要由 45層構 成，根部16 層，翼尖10 層，中間部 位14層，壁 板周邊16 34層，主要 為提高連接 強度。 L-1011L-1011復合材料垂尾壁板鋪層的實例復合材料垂尾壁板鋪層的實例 結(jié)構連接設計 Q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。 Q膠接連接是借助膠粘劑將零件連接成不可拆 卸整體的連接方法，它適用于傳遞載荷較小的 部位。 Q機械連接借助于緊固件，把

4、兩個以上零件連 接成一個整體的連接方法，它適用于傳遞較載 荷較高或可靠性高的部位。 機械連接和膠接對比 膠接連接設計 Q選擇合理的接頭形 式。接頭形式的選 擇應盡量使作用載 荷主要使膠層受剪 應力；避免使其受 到法向應力，以防 止發(fā)生劈裂和剝離 破壞。 膠接連接設計 Q盡可能減少應力集中，單搭接接頭在板件邊緣 制斜面或倒角單搭接接頭在連接處布置橫向構 件可改善接頭的受力狀態(tài)，降低剝離應力 膠接連接設計 Q待膠接表面的纖維方向最好與載荷方向一致( 或成45度角)；不能與載荷方向垂直，以免過 早發(fā)生膠接處層間剝離破壞兩個相貼合待膠 接件表面泊松比應盡量匹配。 Q承受動載荷時，應選用低模量韌性膠粘劑

5、，高 溫工作時，要注意熱膨脹系數(shù)匹配 Q工藝盡可能簡單，以降低制造成本 螺栓連接設計 螺栓連接設計 螺栓連接設計 螺栓連接設計 復合材料機械連接強度及破壞模式與接頭的幾復合材料機械連接強度及破壞模式與接頭的幾 何參數(shù)、纖維種類及鋪層方向等多種因素有關。何參數(shù)、纖維種類及鋪層方向等多種因素有關。 應設計為與擠壓破壞有關的破壞形式應設計為與擠壓破壞有關的破壞形式 機械連接設計的原則 Q推薦使用高鎖螺栓以及專門為復合材料設計 的虎克鉚釘、高鎖環(huán)槽鉚釘?shù)染o固件。緊固 件材料應使用釷合金或不銹鋼，并采用涂以 密封膠的濕裝配，以防止電偶腐蝕。對結(jié)構 整體油箱區(qū)的緊固件應采用密封措施，如涂 密封膠或加塑料帽

6、套等。 機械連接設計的原則 Q碳纖維復合材料呈脆性，多釘連接時脆性 使各釘孔的承載嚴重不均。加之孔引起的應 力集中比金屬結(jié)構嚴重。故如有可能，盡量 采用不多于兩排的多釘連接；并建議選用比 鋁結(jié)構更大的端距；構件的鋪層中45度層一 般不少于40，90度層至少占10比較合理 ，也可以在連接區(qū)采用碳纖一玻纖混雜構成 剛度較小的軟化帶，它對連接強度有所改善 。 機械連接設計的原則 Q接頭形式與金屬結(jié)構類似，雙剪較單剪接 頭好，斜削和階梯形接頭可改善多釘連接 時釘載分配的不均勻性 一、一、“纖維取向纖維取向”設計設計 新的復合材料結(jié)構方案 “纖維取向”設計的目標是力求最大限度地利 用纖維復合材料的方向性

7、，以及保持結(jié)構中傳 力路徑的連續(xù)性。 在結(jié)構設計時，為保持纖維及其承載路徑的連 續(xù)性，應盡量避免纖維中斷。 解決載荷參與問題的設解決載荷參與問題的設 計措施是布置相應的傳計措施是布置相應的傳 力元件將軸向力轉(zhuǎn)化為力元件將軸向力轉(zhuǎn)化為 剪切力或是將分散的軸剪切力或是將分散的軸 向力聚集為集中的軸向向力聚集為集中的軸向 力，反之亦可。因此，力，反之亦可。因此， 結(jié)構中將要出現(xiàn)一個傳結(jié)構中將要出現(xiàn)一個傳 力參與區(qū)。由于力學特力參與區(qū)。由于力學特 性的差異，復合材料結(jié)性的差異，復合材料結(jié) 構的傳力參與區(qū)比金屬構的傳力參與區(qū)比金屬 結(jié)構的要大。一種創(chuàng)新結(jié)構的要大。一種創(chuàng)新 的設計構想是將一個層的設計構想

8、是將一個層 合板的全部或部分纖維合板的全部或部分纖維 聚集成為一個或幾個承聚集成為一個或幾個承 力接頭以集中傳力。力接頭以集中傳力。 “纖維取向纖維取向纖維取向纖維取向纖維取向纖維取向”設計設計設計設計設計設計 Q采用網(wǎng)格結(jié)構，在網(wǎng)格交叉處不同方向的纖維可 以相互交疊而不必斷開，從而保持了纖維的連續(xù) 和平直。對于圓柱和圓錐形殼體來講，采用網(wǎng)格 結(jié)構更是一種高效率結(jié)構，因其能進一步增大殼 體的承載能力和提高結(jié)構的使用效率。 整體化整體化”設計設計 Q“整體化”設計的目標是力求充分利用復合 材料的加工特點和不斷創(chuàng)新的工藝方法，提 高復合材料結(jié)構的整體化程度 Q纖維纏繞成形是一種先進的工藝方法，能充

9、 分發(fā)揮連續(xù)作業(yè)的特點，也可以充分利用纖 維的承載能力?；鸺龤んw大都采用這種成形 工藝，隨著纏繞技術的不斷發(fā)展，已逐步擴 大到某些機體結(jié)構。 整體化設計 整體化整體化”設計設計 Q采用全高度蜂窩夾層結(jié)構進行設計 Q采用預成形織物和RTM工藝制造整體件。 Q翼身融合整體件研制與設計，可以充分利用復 合材料的優(yōu)點，改善結(jié)構的受力特性，顯著地 降低結(jié)構重量。 其他新型結(jié)構方案設計 Q中空臺階網(wǎng)格結(jié)構。這 項設計包括蒙皮和預制 好的中空臺階網(wǎng)格，網(wǎng) 格安裝在蒙皮上。整體 結(jié)構可制成一個整體件 而不需額外的緊固件， 從而可在保證足夠的強 度和剛度條件下減輕結(jié) 構重量。 三、其他新型結(jié)構方案設計三、其他新

10、型結(jié)構方案設計三、其他新型結(jié)構方案設計三、其他新型結(jié)構方案設計三、其他新型結(jié)構方案設計三、其他新型結(jié)構方案設計 整體預應力加筋壁板。受土木工程中預應力鋼筋混凝土結(jié)整體預應力加筋壁板。受土木工程中預應力鋼筋混凝土結(jié) 構的啟迪，在某些復合材料結(jié)構中也可采用預應力結(jié)構。構的啟迪，在某些復合材料結(jié)構中也可采用預應力結(jié)構。 可以在整體加筋壁板可以在整體加筋壁板 的筋條處嵌入加有預的筋條處嵌入加有預 拉力的高拉伸強度纖拉力的高拉伸強度纖 維束，從而進一步提維束，從而進一步提 高結(jié)構的承載能力。高結(jié)構的承載能力。 l連續(xù)碳纖維網(wǎng)架穿插，連續(xù)碳纖維網(wǎng)架穿插， 三維編織，有效避免三維編織，有效避免 分層問題分層問題 l該結(jié)構節(jié)點由纖維交該結(jié)構節(jié)點