《復合材料結(jié)構(gòu)設計》

導彈總體結(jié)構(gòu)設計第四章復合材料結(jié)構(gòu)設計2021/10/10星期日1第四章

復合材料結(jié)構(gòu)設計§4.1

概述§4.2設計選材與設計許用值確定

§4.3層合板與層合件設計§4.4夾層結(jié)構(gòu)設計

§4.5結(jié)構(gòu)連接設計§4.6復合材料彈/箭結(jié)構(gòu)

2021/10/10星期日24.1.1層合板及其表示方法鋪層及其方向的表示

§4.1概述

（a）正軸坐標系和應力（b）偏軸坐標系和應力2021/10/10星期日34.1.1層合板及其表示方法（2）層合板的表示方法

§4.1概述2021/10/10星期日44.1.2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(shù)?！锊牧瞎こ坛?shù)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(shù)；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共五個強度參數(shù)。這9個工程常數(shù)是通過單向?qū)雍习宓膯屋S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概述2021/10/10星期日54.1.3復合材料結(jié)構(gòu)的制造與成形工藝（1）制造與成形工藝的分類、特點與適用范圍

§4.1概述樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)成形工藝方法分類示圖2021/10/10星期日64.1.3復合材料結(jié)構(gòu)的制造與成形工藝（1）制造與成形工藝的分類、特點與適用范圍

§4.1概述復合材料構(gòu)件成形工藝方法的特點與適用范圍

2021/10/10星期日74.1.3復合材料結(jié)構(gòu)的制造與成形工藝（2）常用的工藝成形方法

◆熱壓罐成形（工藝示圖如右圖）

§4.1概述2021/10/10星期日84.1.3復合材料結(jié)構(gòu)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概述2021/10/10星期日94.1.3復合材料結(jié)構(gòu)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概述2021/10/10星期日104.1.3復合材料結(jié)構(gòu)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概述2021/10/10星期日114.1.3復合材料結(jié)構(gòu)的制造與成形工藝（2）常用的工藝成形方法◆樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形法（RTM）（工藝示圖如下圖）

§4.1概述2021/10/10星期日124.1.3復合材料結(jié)構(gòu)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概述2021/10/10星期日134.1.3復合材料結(jié)構(gòu)的制造與成形工藝（2）復合材料結(jié)構(gòu)件的機械加工成形復合材料結(jié)構(gòu)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(fā)結(jié)構(gòu)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(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，應根據(jù)設計要求、現(xiàn)有條件限制和成本要求，選擇合適的加工方法。

§4.1概述2021/10/10星期日144.1.4復合材料結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制（2）復合材料結(jié)構(gòu)件的機械加工

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，前者是復合材料結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量高低的關鍵。

復合材料成形是質(zhì)量控制過程中的重要環(huán)節(jié)，是確保制件質(zhì)量滿足設計要求，達到規(guī)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(zhì)量保證的基礎。對于常規(guī)零件和構(gòu)件其作業(yè)流程大致為：

§4.1概述2021/10/10星期日154.1.5復合材料結(jié)構(gòu)設計的一般要求和設計步驟（1）一般要求★按許用應變設計結(jié)構(gòu)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(huán)境對材料性能的影響；★復合材料結(jié)構(gòu)的安全水平，不能低于同類金屬結(jié)構(gòu)；★注意防止與金屬零件接觸時的電偶腐蝕?！锉仨氝M行防雷擊、防靜電和電磁兼容設計與試驗驗證?！锉M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(chǎn)品質(zhì)量，但應注意共固化引起的結(jié)構(gòu)畸變和膠接質(zhì)量問題。

§4.1概述2021/10/10星期日164.1.5復合材料結(jié)構(gòu)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(huán)境和工藝性等因素?！锍醪皆O計階段應對結(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?！锸紫葢鞔_設計，之后進行設計選材和層合板設計，然后進行結(jié)構(gòu)設計?！镌O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(jié)構(gòu)設計則包含結(jié)構(gòu)形式的確定、結(jié)構(gòu)元件設計、結(jié)構(gòu)細節(jié)設計和連接設計等內(nèi)容。

§4.1概述2021/10/10星期日174.2.1復合材料結(jié)構(gòu)設計的選材（1）選材的原則★根據(jù)結(jié)構(gòu)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(jù)性能要求和成本指標選擇增強纖維?！镏攸c考慮反映缺陷/損傷和環(huán)境因素影響的性能?！镏攸c考慮與固化成形工藝有關的參數(shù)。

§4.2設計選材與設計許用值確定

2021/10/10星期日184.2.1復合材料結(jié)構(gòu)設計的選材（2）纖維性能及其選擇★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(guī)格。對纖維類別的選擇，應按比強度、比剛度、延伸率、熱穩(wěn)定性、性能價格比等指標，結(jié)合結(jié)構(gòu)的使用要求綜合考慮?！镆言陲w行器結(jié)構(gòu)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設計選材與設計許用值確定

2021/10/10星期日194.2.1復合材料結(jié)構(gòu)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?！飿渲倪x擇應滿足結(jié)構(gòu)的使用溫度范圍和基體的力學性能要求，樹脂的吸濕、耐環(huán)境、阻燃性等物理、化學性能符合結(jié)構(gòu)的使用要求，所選樹脂還應滿足工藝性能良好，毒性低，價格合理等原則。

§4.2設計選材與設計許用值確定

2021/10/10星期日204.2.2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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的拉伸設計許用值主要取決于含孔試樣的許用值，結(jié)構(gòu)的壓縮設計許用值主要取決于含沖擊損傷試樣的許用值?！锉∶善せ虮∶姘宸涓C夾層結(jié)構(gòu)設計許用值的確定，還需根據(jù)設計要求考慮屈曲的影響。

§4.2設計選材與設計許用值確定

2021/10/10星期日214.2.3設計許用值的確定方法

復合材料力學性能的數(shù)值基準可分為Α基準、Β基準和典型值。復合材料的強度數(shù)據(jù)一般采用Β基準值，而彈性常數(shù)均采用典型值。

★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。

§4.2設計選材與設計許用值確定

2021/10/10星期日224.3.1層合板設計的一般原則（1）均衡對稱鋪設原則結(jié)構(gòu)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(shù)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(nèi)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層合板與層合件設計

2021/10/10星期日234.3.1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(qū)設計原則對于承受面內(nèi)集中力沖擊部位的層合板，要進行局部加強。（7）連接區(qū)設計原則（8）變厚度設計原則

在結(jié)構(gòu)變厚度區(qū)域，鋪層數(shù)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(qū)鋪層原則

§4.3層合板與層合件設計

2021/10/10星期日244.3.2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層合板與層合件設計

2021/10/10星期日254.3.3層合板設計方法

§4.3層合板與層合件設計

2021/10/10星期日261.什么是傳統(tǒng)機械按鍵設計？傳統(tǒng)的機械按鍵設計是需要手動按壓按鍵觸動PCBA上的開關按鍵來實現(xiàn)功能的一種設計方式。傳統(tǒng)機械按鍵設計要點：1.合理的選擇按鍵的類型，盡量選擇平頭類的按鍵，以防按鍵下陷。2.開關按鍵和塑膠按鍵設計間隙建議留0.05~0.1mm，以防按鍵死鍵。3.要考慮成型工藝，合理計算累積公差，以防按鍵手感不良。傳統(tǒng)機械按鍵結(jié)構(gòu)層圖：按鍵開關鍵PCBA2021/10/10星期日274.3.4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(qū)，避免厚度突變?！艉穸茸兓^渡區(qū)，通常采用斜坡式連續(xù)過渡，如右圖。◆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層合板與層合件設計

2021/10/10星期日284.3.5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(wěn)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(jié)合處、加筋條端部等細節(jié)部位設計應避免應力集中。

§4.3層合板與層合件設計

2021/10/10星期日294.3.5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(wěn)定性要求；◆蒙皮與加筋條剛度要匹配（包括泊松比匹配）；◆調(diào)節(jié)加筋條間距，滿足加筋板總體穩(wěn)定性要求；◆工藝可行。

§4.3層合板與層合件設計

2021/10/10星期日304.3.5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、Ⅱ形等。如下圖。

§4.3層合板與層合件設計

2021/10/10星期日314.3.5加筋板設計

（3）加筋板細節(jié)設計

細節(jié)設計的重點是使傳力路線連續(xù)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(jié)合處剛度協(xié)調(diào)設計考慮；◆加筋條端頭設計；◆形加筋條內(nèi)部結(jié)合面鋪層設計；◆形加筋條內(nèi)空腔填充設計；◆角形加筋條與蒙皮結(jié)合處設計；◆加筋板蒙皮止裂層設計；◆加筋板成形工藝質(zhì)量保證措施；◆加筋板抗沖擊設計考慮。

§4.3層合板與層合件設計

2021/10/10星期日324.3.5加筋板設計

（4）加筋板設計建議◆蒙皮與加筋條的載荷分配應保持合適的比例；◆蒙皮的鋪層彈與翼盒段結(jié)構(gòu)形式關系。（5）加筋條鋪層建議（6）細節(jié)設計參照本節(jié)（7）采用三維編織和縫紉可增加構(gòu)件厚度方向的強度以及層間強度與韌性，對避免分層現(xiàn)象也很有效

§4.3層合板與層合件設計

2021/10/10星期日334.3.6

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(jié)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(guī)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(gòu)件可檢性，設計時應留有無損檢測的通道。

§4.3層合板與層合件設計

2021/10/10星期日344.3.6

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

§4.3層合板與層合件設計

2021/10/10星期日35

夾層結(jié)構(gòu)通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子膠接而成。具有質(zhì)量輕、彎曲剛度與強度大、抗失穩(wěn)能力強、耐疲勞、吸音和隔熱等優(yōu)點。

§4.4夾層結(jié)構(gòu)設計

2021/10/10星期日364.4.1夾層結(jié)構(gòu)的破壞模式與設計

準則

§4.4夾層結(jié)構(gòu)設計

（1）夾層結(jié)構(gòu)破壞模式2021/10/10星期日374.4.1夾層結(jié)構(gòu)的破壞模式與設計準則

§4.4夾層結(jié)構(gòu)設計

（2）夾層結(jié)構(gòu)設計準則◆在設計載荷下，面板的面內(nèi)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(jié)構(gòu)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(huán)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(jié)構(gòu)，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。2021/10/10星期日384.4.2夾層結(jié)構(gòu)及其選材

§4.4夾層結(jié)構(gòu)設計

（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(huán)氧復合材料等2021/10/10星期日394.4.2夾層結(jié)構(gòu)及其選材

§4.4夾層結(jié)構(gòu)設計

（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(gòu)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(jié)構(gòu)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。2021/10/10星期日404.4.3夾層結(jié)構(gòu)設計

§4.4夾層結(jié)構(gòu)設計

結(jié)構(gòu)設計的步驟：第一步：根據(jù)外載大小，初步確定夾層結(jié)構(gòu)形式及尺寸。第二步：根據(jù)初定結(jié)構(gòu)，用有限元法（或工程設計計算方法）確定內(nèi)力及支反力。第三步：根據(jù)第二步的分析結(jié)果，按強度準則修改芯子密度及面板厚度。第四步：根據(jù)修改后的結(jié)構(gòu)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(wěn)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(jié)果。2021/10/10星期日414.4.4夾層結(jié)構(gòu)細節(jié)

§4.4夾層結(jié)構(gòu)設計

（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）。2021/10/10星期日424.4.4夾層結(jié)構(gòu)細節(jié)

§4.4夾層結(jié)構(gòu)設計

（2）芯子增強設計

夾層結(jié)構(gòu)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。2021/10/10星期日434.4.4夾層結(jié)構(gòu)細節(jié)

§4.4夾層結(jié)構(gòu)設計

（3）防潮密封設計蜂窩夾層結(jié)構(gòu)防潮設計措施有以下兩點：◆復合材料面板表面涂密封劑，如H101～H103封孔劑，W06-2Ⅱ

底漆和Wof-1Ⅱ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。2021/10/10星期日444.4.4夾層結(jié)構(gòu)細節(jié)

§4.4夾層結(jié)構(gòu)設計

（4）受側(cè)壓夾層板邊緣支持的設計建議夾層板受側(cè)壓作用，邊緣支持設計應避免發(fā)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(jié)構(gòu)膠接連接，結(jié)合面承受剪切載荷，如圖b所示為滿意設計。2021/10/10星期日45

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膠接連接設計

§4.5結(jié)構(gòu)連接設計

膠接連接設計的基本原則：

◆選擇合理連接形式?！舯M可能減小應力集中。◆力求避免連接端部層合板發(fā)生層間剝離破壞?！舫惺軇虞d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(shù)盡量與被膠接件相近?！艄に嚤M可能簡單，降低制造成本。2021/10/10星期日464.5.2夾層結(jié)構(gòu)連接設計

§4.5結(jié)構(gòu)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）2021/10/10星期日474.5.3機械連接設計

§4.5結(jié)構(gòu)連接設計

機械連接典型破模式及其預防措施：2021/10/10星期日484.6.1導彈復合材料