第5講-典型構(gòu)件設(shè)計(jì)

復(fù)合材料

典型結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)張紀(jì)奎zjk@繼教樓205提綱壁板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壁板設(shè)計(jì)按結(jié)構(gòu)形式可分為單向加筋板、格柵壁板、多腹板結(jié)構(gòu)壁板等目前翼面壁板使用較多，這主要由于

1、應(yīng)變／應(yīng)力水平高，更容易發(fā)揮復(fù)合材料性能上的優(yōu)勢(shì)，減重效果明顯；2、外形簡(jiǎn)單，一般為單曲度，制造相對(duì)容易；3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，開(kāi)口較少，需經(jīng)常檢查維護(hù)部位不多，形成維護(hù)損傷的可能性也較少。單向加筋壁板只有縱向加筋格柵壁板縱、橫向筋條與蒙皮一起，一次固化成形，結(jié)構(gòu)的整體性好，重量輕，壁板外表面光整，但制造復(fù)雜。加筋條的截面形狀開(kāi)剖面加強(qiáng)筋工藝性明顯優(yōu)于閉剖面加筋強(qiáng)筋；閉剖面加強(qiáng)筋的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲穩(wěn)定性能大大優(yōu)于開(kāi)剖面加強(qiáng)筋。

加筋條的截面形狀從蒙皮與加強(qiáng)筋結(jié)合考慮，L形（角形）加強(qiáng)筋易發(fā)生分層，應(yīng)認(rèn)真設(shè)計(jì)。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(gòu)設(shè)計(jì)除應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般要求外，還需滿足應(yīng)變要求和穩(wěn)定性要求。即在設(shè)計(jì)載荷下，構(gòu)件的應(yīng)變不得超過(guò)規(guī)定的設(shè)計(jì)許用值。對(duì)于重要構(gòu)件，在極限載荷下不允許屈曲。只有次要構(gòu)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，而允許在限制載荷下進(jìn)入屈曲，只限于薄板（厚度1mm左右）。

蒙皮主要由±45層構(gòu)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(qiáng)度。L-1011復(fù)合材料垂尾壁板鋪層的實(shí)例結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)復(fù)合材料連接主要分為膠接連接、機(jī)械連接和混合連接三種類型。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。機(jī)械連接借助于緊固件，把兩個(gè)以上零件連接成一個(gè)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(jī)械連接和膠接對(duì)比膠接連接設(shè)計(jì)選擇合理的接頭形式。接頭形式的選擇應(yīng)盡量使作用載荷主要使膠層受剪應(yīng)力；避免使其受到法向應(yīng)力，以防止發(fā)生劈裂和剝離破壞。膠接連接設(shè)計(jì)盡可能減少應(yīng)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(gòu)件可改善接頭的受力狀態(tài)，降低剝離應(yīng)力

膠接連接設(shè)計(jì)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(guò)早發(fā)生膠接處層間剝離破壞．兩個(gè)相貼合待膠接件表面泊松比應(yīng)盡量匹配。承受動(dòng)載荷時(shí)，應(yīng)選用低模量韌性膠粘劑，高溫工作時(shí)，要注意熱膨脹系數(shù)匹配工藝盡可能簡(jiǎn)單，以降低制造成本螺栓連接設(shè)計(jì)螺栓連接設(shè)計(jì)螺栓連接設(shè)計(jì)螺栓連接設(shè)計(jì)復(fù)合材料機(jī)械連接強(qiáng)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(guān)。應(yīng)設(shè)計(jì)為與擠壓破壞有關(guān)的破壞形式機(jī)械連接設(shè)計(jì)的原則推薦使用高鎖螺栓以及專門為復(fù)合材料設(shè)計(jì)的虎克鉚釘、高鎖環(huán)槽鉚釘?shù)染o固件。緊固件材料應(yīng)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(duì)結(jié)構(gòu)整體油箱區(qū)的緊固件應(yīng)采用密封措施，如涂密封膠或加塑料帽套等。

機(jī)械連接設(shè)計(jì)的原則碳纖維復(fù)合材料呈脆性，多釘連接時(shí)．脆性使各釘孔的承載嚴(yán)重不均。加之孔引起的應(yīng)力集中比金屬結(jié)構(gòu)嚴(yán)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(gòu)更大的端距；構(gòu)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(gòu)成剛度較小的軟化帶，它對(duì)連接強(qiáng)度有所改善。

機(jī)械連接設(shè)計(jì)的原則接頭形式與金屬結(jié)構(gòu)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(shí)釘載分配的不均勻性一、“纖維取向”設(shè)計(jì)新的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)方案“纖維取向”設(shè)計(jì)的目標(biāo)是力求最大限度地利用纖維復(fù)合材料的方向性，以及保持結(jié)構(gòu)中傳力路徑的連續(xù)性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為保持纖維及其承載路徑的連續(xù)性，應(yīng)盡量避免纖維中斷。解決載荷參與問(wèn)題的設(shè)計(jì)措施是布置相應(yīng)的傳力元件將軸向力轉(zhuǎn)化為剪切力或是將分散的軸向力聚集為集中的軸向力，反之亦可。因此，結(jié)構(gòu)中將要出現(xiàn)一個(gè)傳力參與區(qū)。由于力學(xué)特性的差異，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的傳力參與區(qū)比金屬結(jié)構(gòu)的要大。一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)構(gòu)想是將一個(gè)層合板的全部或部分纖維聚集成為一個(gè)或幾個(gè)承力接頭以集中傳力?！袄w維取向”設(shè)計(jì)采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)格交叉處不同方向的纖維可以相互交疊而不必?cái)嚅_(kāi)，從而保持了纖維的連續(xù)和平直。對(duì)于圓柱和圓錐形殼體來(lái)講，采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)更是一種高效率結(jié)構(gòu)，因其能進(jìn)一步增大殼體的承載能力和提高結(jié)構(gòu)的使用效率。整體化”設(shè)計(jì)“整體化”設(shè)計(jì)的目標(biāo)是力求充分利用復(fù)合材料的加工特點(diǎn)和不斷創(chuàng)新的工藝方法，提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體化程度纖維纏繞成形是一種先進(jìn)的工藝方法，能充分發(fā)揮連續(xù)作業(yè)的特點(diǎn)，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(shù)的不斷發(fā)展，已逐步擴(kuò)大到某些機(jī)體結(jié)構(gòu)。整體化設(shè)計(jì)整體化”設(shè)計(jì)采用全高度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)采用預(yù)成形織物和RTM工藝制造整體件。翼身融合整體件研制與設(shè)計(jì)，可以充分利用復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)，改善結(jié)構(gòu)的受力特性，顯著地降低結(jié)構(gòu)重量。其他新型結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中空臺(tái)階網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)設(shè)計(jì)包括蒙皮和預(yù)制好的中空臺(tái)階網(wǎng)格，網(wǎng)格安裝在蒙皮上。整體結(jié)構(gòu)可制成一個(gè)整體件而不需額外的緊固件，從而可在保證足夠的強(qiáng)度和剛度條件下減輕結(jié)構(gòu)重量。三、其他新型結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

整體預(yù)應(yīng)力加筋壁板。受土木工程中預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的啟迪，在某些復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中也可采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)?？梢栽谡w加筋壁板的筋條處嵌入加有預(yù)拉力的高拉伸強(qiáng)度纖維束，從而進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的承載能力。連續(xù)碳纖維網(wǎng)架穿插，三維編織，有效避免分層問(wèn)題該結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)由纖維交叉而成，加以樹(shù)脂基固化纖