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)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(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，通常約為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纖維方向?yàn)椴?/p>

2、料的另一個(gè)主方向（2向：即橫向）。12坐標(biāo)系為材料的主坐標(biāo)系，又稱正軸坐標(biāo)系，x-y坐標(biāo)系為設(shè)計(jì)參考坐鋪層是有方向性的。鋪層的方向用纖維的鋪向角（鋪層角）e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。XY方向與材料主方向不重合則稱偏軸坐標(biāo)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(biāo)明。(2) 層合板的表示方法為了滿足設(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10.1.1所示。二、單

3、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)變務(wù)、E2只與該點(diǎn)處的正應(yīng)力町、o2有關(guān)，而與剪應(yīng)力T12無(wú)關(guān)；同時(shí)，該點(diǎn)處剪應(yīng)變Y12也僅與剪應(yīng)力t12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E1和E2、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X1、X2，橫向拉伸與壓縮強(qiáng)度Y】、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

4、，單層力學(xué)性能有明顯的方向性，與增強(qiáng)纖維的方向密切相關(guān)，即E1>>E2，xy；而且拉伸與壓縮強(qiáng)度不相等，即X1X2,y1#y2；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稱為纖維體積分?jǐn)?shù)或纖維體積含量，其值通?？刂圃?0%左右。三、復(fù)合材料結(jié)

5、構(gòu)的制造與成形工藝(1)制造與成形工藝的分類、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)。工藝方法的分類見(jiàn)圖10.1.2,各種工藝方法的特點(diǎn)與適用范圍見(jiàn)表10.1.3。-蕊壓礪城形A啞矣我曲片力皺咸比就杈成笊軾用虜註-匪進(jìn)曲RT就Aif碎脂異移成形Scrinn也(議悴屁葩)S10-1E樹(shù)脂基復(fù)含材料結(jié)構(gòu)咸形工藝方法分類示圖圖10.1.2中，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。表io1.3復(fù)合材料構(gòu)件成形工藝方法的特點(diǎn)弓適用范毘方袪笛稱特.點(diǎn)適用范圍拔

6、壓耀提拱均勻的高盒度、高壓力場(chǎng)；劃件貢星高:.旦設(shè)備昂貫庶肓秋大尺寸亙翹茴藪皮壁換高性構(gòu)件亙空袋成形真空壓廿如一IMFa郵溫匱阪設(shè)備簡(jiǎn)軋投資澳易操作1.5此下滾件和握壓力裟成形同直空袋成乖JES§Etro.2oo.3MFa低壓成刑換、倔件軟模成形喑A曙膠膨脹或橡棒充氣加壓J爭(zhēng)衣模具岡蝮屈夠尢并能加熱共固化整體成形件梗區(qū)成形壓般口壓、複勵(lì)譙;尺寸有限耀且設(shè)計(jì)難，制件強(qiáng)度苒尺寸精確葉片等孫更売件纖維在鴛麗并連續(xù)纏繞毎複員上：再經(jīng)固比成璀筒玉m纖溺匚伽30Crin寬)在線屈漬后曰動(dòng)卡鏈梗具上并也噺、壓實(shí)再經(jīng)固化成那凸彳觀畫雪件扌煖生產(chǎn)纖維自動(dòng)棗軸絲束或窄帶SOOm寬)在線融后自動(dòng)卡施槿眞上

7、，并詡斷"壓實(shí)，再經(jīng)屈此惑形凹凸領(lǐng)型幘悴屋主戸拉擠成形纖總粧線題后臣瓏過(guò)模員怏連固化成電；炷鎳快速、肓皴生產(chǎn)型林規(guī)則廠條預(yù)成形件丿班卅方注)樹(shù)能正面內(nèi)壓力下注射到預(yù)成形件向后再固北或刑-要喇g凰罹匣岡1岐足嘔，并-竽§妄護(hù)耐脂硫向和注射入口與冒匚】:制件重愎性塀足才縉度矗Z呵性高復(fù)雜高性直訥件衲脂腱熔化后沿厚度方冋匾刪豌件”再固化成略爵用單面傅旦;訓(xùn)牛Z向性石重復(fù)性好，尺寸箱復(fù)條高性肓豳件僧品固化詆溫HQ-U以下h低壓£真空里力?固伽脂萍系京合楙4的成形工藝u目前構(gòu)件性能與昔通砲樹(shù)脂構(gòu)件相當(dāng)小扌僵生產(chǎn)的構(gòu)枠電子來(lái)固利用電刊儺器產(chǎn)主的高能電子衷弓1發(fā)詢脂固化；空學(xué)性

8、畐同化時(shí)間短、熱應(yīng)力減少環(huán)境污染:需昔由樹(shù)脂正在走討賣用化(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10.1.3(a)所示,用罐體內(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10.1.3(b)所示，以達(dá)到固化的目的。用E瀚訥益涓flf也中忡R：Ai沸右黑典薊乙鳩的咗腐祚唆嗖屋!川從一沖H盟山）耕止織團(tuán)頤裝置S101-3熱壓搟法咸型工藝示圖2）真空袋成形法真空袋成形工作原理如圖10.

9、1.4所示。其主要設(shè)備是烘箱、成形模具以及真空系統(tǒng)。圏m12算空袋成形原理圖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10.1.5是飛機(jī)活動(dòng)翼面成形示意圖。4）纏繞法成形傳熱疊層毛坯四牛椽膠模芯鋼槐10.1.5軟槿法翼面成形工藝示囹纖維纏繞法如圖10.1.6所示，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)

10、構(gòu)設(shè)計(jì)要求制成預(yù)成形件，將其置于四周嚴(yán)格密封的模具中，爾后注入樹(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10.1.7是樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑成形工藝的示意圖。預(yù)慮形件窖封材料、通氣閥樹(shù)聘圉ID.1.7RT陽(yáng)工藝示圖6）樹(shù)脂膜熔浸成形（RFI）工藝成形工藝原理示意圖如圖10.1.8所示。稠狀樹(shù)脂或固態(tài)片狀樹(shù)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(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。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)。卷預(yù)頂部加

11、壓板成堆件崖空畏7k/醫(yī)體鮒脂衢膜工裝戢塊基砒板邊緣密封010.1.8RFIT示囹（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，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)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(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

12、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)量咼低的關(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場(chǎng)地和超凈工作間，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)

13、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：預(yù)酬一、模具難備W裁劈+鋪疊f封裝+預(yù)壓實(shí)f固觀f機(jī)械加工+檢測(cè)f裝配+成品除了工序質(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

14、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