復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)

1、復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)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)?。由兩層或多層同種或不同種材料鋪層層合壓制而成的復(fù) 合材料板材稱(chēng)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(jì)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(shù)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(jì)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、層合板及其表示方法（1）鋪層及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，通常名勺為0,10.3mm 。鋪層中增強(qiáng)纖維的方向或織物徑向纖維方向?yàn)椴牧系闹鞣较颍?向：即縱向）；垂直于增強(qiáng)纖維方向或織物的緯向

2、纖維方向?yàn)椴牧系牧硪粋€(gè)主方向（2向：即橫向）。1 -2坐標(biāo)系為材料的主坐標(biāo)系，又稱(chēng)正軸坐標(biāo)系，x-y 坐標(biāo)系為設(shè)計(jì)參考坐標(biāo)系，如圖鋪層是有方向性的。鋪層的方向用纖維的鋪向角（鋪層角）9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(biāo) X軸之間的夾角，由X軸到纖維縱向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正。參考坐標(biāo)系 X-Y 與材料主方向重合則為正軸坐標(biāo)系。X-Y 方向與材料主方向不重合則稱(chēng)偏軸坐標(biāo)系，如圖（2）層合板的表示方法為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)、制造和力學(xué)性能分析的需要，必須簡(jiǎn)明地表示出層合板中各鋪層 的方向和層合順序，故對(duì)層合板規(guī)定了明確的表示方法，如表二、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)

3、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內(nèi)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(biāo) 系中通常是正交各向異性材料，在其主方向上某一點(diǎn)處的 正應(yīng)變1、慳只與該 點(diǎn)處的正應(yīng)力 m、(T2有關(guān)，而與剪應(yīng)力 P2無(wú)關(guān)；同時(shí)，該點(diǎn)處 剪應(yīng)變 # 也僅與剪應(yīng)力 m2有關(guān)，而與正應(yīng)力無(wú)關(guān)。材料工程常數(shù)共9個(gè)：縱向和橫向彈性模量 E和 &、主泊松比 V12、縱橫 剪切彈性模量 G12 ,共四個(gè)彈性常數(shù)；還有 縱向拉伸和壓縮強(qiáng)度 Xi、X2 ,橫 向拉伸與壓縮強(qiáng)度Yi、Y2,縱橫剪切強(qiáng)度S共五個(gè)強(qiáng)度參數(shù)。這9個(gè)工程常數(shù) 是通過(guò)單向?qū)雍习宓膯屋S試驗(yàn)確定的。通常情況下，單層力學(xué)性能有明顯的

4、方向 性，與增強(qiáng)纖維的方向密切相關(guān)，即Ei E, XY ;而且拉伸與壓縮強(qiáng)度不相等，即XiWX2,Yi *丫2；縱橫剪切性能與拉伸、壓縮性能無(wú)關(guān)，即S與X、 Y無(wú)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(lái)說(shuō)明復(fù)合材料的性 能。但應(yīng)當(dāng)指出：?jiǎn)螌拥男阅懿荒芴娲鷮?shí)際使用的層合復(fù)合材料的性能。一般說(shuō)，實(shí)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(shí)，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(lái)表示。V稱(chēng)為纖維體積 分?jǐn)?shù)或纖維體積含量，其值通?？刂圃?60%左右。三、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造與成形

5、工藝(i)制造與成形工藝的分類(lèi)、特點(diǎn)與適用范圍樹(shù)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(zhǎng)。工藝方法的分類(lèi)見(jiàn)圖 i0.i.2,各種工藝方法的特點(diǎn)與適用范圍見(jiàn)表圖,屬于改進(jìn)的 RTM 方法有：真空鋪助RTM(VRTM)、差壓RTM (DP - RTM )、 熱膨脹 RTM (TERTM)、自動(dòng)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(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成形工藝方法。基本工藝過(guò)程是，將預(yù)浸料（預(yù)先浸漬樹(shù)脂的單層）按設(shè)計(jì)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)成真空袋組合系統(tǒng)，如圖，用罐

6、體內(nèi)部均勻溫度場(chǎng)和空氣壓力對(duì)復(fù)合材料預(yù)浸料疊層毛坯施加溫度與壓力，如圖，以達(dá)到周化的目的。2）真空袋成形法真空袋成形工作原理如圖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(duì)預(yù)浸料疊層 毛坯加壓固化的工藝方法，圖4）纏繞法成形纖維纏繞法如圖，方法要點(diǎn)是連續(xù)纖維紗束浸漬樹(shù)脂后，在張力控制下按預(yù)定路徑精確地纏繞在轉(zhuǎn)動(dòng)的模芯上，按一定的規(guī)范固化，固化后脫模。5）樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑成形法（RTM ）這是一種可不采用預(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(qiáng)纖維或織物按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求制成 預(yù)成形件，將其置于四周?chē)?yán)格密封的模具中，爾后

7、注入樹(shù)脂。樹(shù)脂在模腔內(nèi)流動(dòng) 并浸漬預(yù)成形件，隨著樹(shù)脂固化，制成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。樹(shù)脂的引入可以通過(guò) 樹(shù)脂 注射法、樹(shù)脂反應(yīng)性注射法、彌撒樹(shù)脂粉末法 等方法實(shí)現(xiàn)。圖6）樹(shù)脂膜熔浸成形（RFI）工藝RFI成形工藝原理示意圖如圖，受熱后粘度迅速降低，在真空壓力的作用下，樹(shù) 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(shù)脂固化。RFI成形工藝方法被認(rèn)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(jī)械加工成形脫模的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，因?yàn)楣に嚺c裝配的原因需要在零件上開(kāi)口或進(jìn)行邊緣切割與修磨，因此對(duì)其進(jìn)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(shí)，所有的切割邊緣都應(yīng)完整光滑，

8、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(shí)應(yīng)將零件固定在型架上進(jìn)行切割。 切割與修磨過(guò)程中，應(yīng) 及時(shí)消除切屑粉塵，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(shù)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(diǎn)，應(yīng)根據(jù)設(shè) 計(jì)要求、現(xiàn)有條件限制和成本要求，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(guò)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、人員及作業(yè)管理和成形過(guò)程管理等環(huán)節(jié)。復(fù)合材料廠房分一般工作

9、場(chǎng)地和超凈工作問(wèn)， 它們各有相應(yīng)的環(huán)境指標(biāo)要求。一 般工作場(chǎng)地是輔助工序、固化和機(jī)械加工工序的實(shí)現(xiàn)場(chǎng)所，超凈工作間是預(yù)浸料 制備、下料、鋪層、膠接等操作場(chǎng)所。一般工作場(chǎng)地與超凈工作間相通之處應(yīng)有 過(guò)渡間，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程在同一廠房?jī)?nèi)連續(xù)進(jìn)行。 人員素質(zhì)、設(shè)備狀態(tài)與管理水準(zhǔn) 是高質(zhì)量生產(chǎn)的三要素。人員培訓(xùn)、技術(shù)檔案、檢測(cè)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)管理方法的主要內(nèi)容。復(fù)合材料成形是質(zhì)量控制過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)， 是確保制件質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，達(dá) 到規(guī)定目標(biāo)的關(guān)鍵。成形工藝過(guò)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(duì)于常規(guī)零件和構(gòu)件其作業(yè)流程大致為：除了

10、工序質(zhì)量管理和成品質(zhì)量管理外， 采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，增加生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，是質(zhì)量控制的又一項(xiàng)重要措施。例如，采用 TRM成形工藝、電子束固化技術(shù)、自動(dòng)下料技術(shù)、自動(dòng)鋪絲束帶技術(shù)等。五、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般要求與設(shè)計(jì)步驟(1)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般要求復(fù)合材料導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求與金屬結(jié)構(gòu)的基本相同。鑒于復(fù)合材料自身的特 點(diǎn)，進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮以下幾項(xiàng)要求。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)按許用應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，采用使用載荷設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)載荷校核的原則。不論采用何種方法設(shè)計(jì)，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(qiáng)度和剛度，在

11、設(shè)計(jì)載荷下， 剩余強(qiáng)度系數(shù)應(yīng)大于1。 在確定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用值時(shí)，必須考慮環(huán)境對(duì)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(lái)物的沖擊、雷電、風(fēng)沙、腐蝕介 質(zhì)等，其中最主要的因素是 溫度、濕度以及在生產(chǎn)和使用中可能出現(xiàn)的最大不可 見(jiàn)沖擊損傷。 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全水平，不能低于同類(lèi)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(shí)的電偶腐蝕。 由于復(fù)合材料的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)不如金屬材料高，對(duì)復(fù)合材料飛行器結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行防雷擊、防靜電和電磁兼容設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證。 導(dǎo)彈的頭部以及翼面結(jié)構(gòu)的尖端 和前緣等部位易受雷擊，應(yīng)進(jìn)行防雷擊設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。對(duì)復(fù)合材料彈翼與電子設(shè)備 艙必須進(jìn)行防靜電起

12、火和防電磁屏蔽的防護(hù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證試驗(yàn)。應(yīng)盡量將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(wèn) 題。除了以上的要求外，復(fù)合材料飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)、 耐久性設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)均應(yīng)考慮。(2)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟綜合設(shè)計(jì)思想在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)非常突出。一般情況下，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)手冊(cè)提供的性能數(shù)據(jù)，選擇所需材料的牌號(hào)和規(guī)格，然后進(jìn)行具體的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)。而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材時(shí)就必須同時(shí)考慮材料的機(jī)械性能、使用環(huán)境 和工藝性(如樹(shù)脂體系的固化溫度、固化時(shí)間和工

13、藝方法)等因素。因?yàn)閺?fù)合材 料是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行， 材料與結(jié)構(gòu)一次成形，所以在設(shè)計(jì)時(shí)既要對(duì) 組成構(gòu)件各部分的層合板參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，還要選擇構(gòu)件的構(gòu)造形式和幾何尺寸。 在初步設(shè)計(jì)階段就應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的可維護(hù)性、可修理性和維修的費(fèi)用進(jìn)行考慮與評(píng) 估。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先應(yīng)明確設(shè)計(jì)條件，之后進(jìn)行設(shè)計(jì)選材和層合板設(shè)計(jì)， 然 后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)視不同階段進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)，包括某些工 藝試驗(yàn)。其中材料試樣、元件、組合件和部件 四個(gè)層次積木式方法的驗(yàn)證試驗(yàn)， 在保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求方面占有重要地位。設(shè)計(jì)條件包括對(duì)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(gè)方面。 載荷情況是指所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)承受的載荷性質(zhì)，如靜載荷或動(dòng)載荷。動(dòng)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(duì)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(jué)察，潛在威脅大，因此對(duì)這類(lèi)載荷作用部位的結(jié)構(gòu)， 設(shè)計(jì)時(shí)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(qiáng)度和壽命。環(huán)境條 件是指結(jié)構(gòu)使用區(qū)域的大氣、氣象及其他物理化學(xué)環(huán)境。工藝條件外括