復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)說(shuō)明書

/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0.1～0.3mm。鋪層中增強(qiáng)纖維的方向或織物徑向纖維方向?yàn)椴牧系闹鞣较颉?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10.1.1所示。鋪層是有方向性的。鋪層的方向用纖維的鋪向角〔鋪層角θ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?！?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?chǔ)?、ε2只與該點(diǎn)處的正應(yīng)力σ1、σ2有關(guān),而與剪應(yīng)力τ12無(wú)關(guān)；同時(shí),該點(diǎn)處剪應(yīng)變?chǔ)?2也僅與剪應(yīng)力τ12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Ε1和Ε2、主泊松比ν12、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Y1、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)性能有明顯的方向性,與增強(qiáng)纖維的方向密切相關(guān),即

Ε1>>Ε2,X>>Y；而且拉伸與壓縮強(qiáng)度不相等,即X1≠X2,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)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。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?！?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?；竟に囘^(guò)程是,將預(yù)浸料〔預(yù)先浸漬樹脂的單層按設(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。2真空袋成形法

真空袋成形工作原理如圖10.1.4所示。其主要設(shè)備是烘箱、成形模具以及真空系統(tǒng)。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

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,將其置于四周嚴(yán)格密封的模具中,爾后注入樹脂。樹脂在模腔內(nèi)流動(dòng)并浸漬預(yù)成形件,隨著樹脂固化,制成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。樹脂的引入可以通過(guò)樹脂注射法、樹脂反應(yīng)性注射法、彌撒樹脂粉末法等方法實(shí)現(xiàn)。圖10.1.7是樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形工藝的示意圖。6樹脂膜熔浸成形〔RFI工藝

RFI成形工藝原理示意圖如圖10.1.8所示。稠狀樹脂或固態(tài)片狀樹脂被置于預(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)?！?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)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：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。①?gòu)?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。

②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。

③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)。

④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。

⑤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)。

⑥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?！?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〔如樹脂體系的固化溫度、固化時(shí)間和工藝方法等因素。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