飛機復(fù)合材料設(shè)計

目錄TOC\o"1-5"\h\z復(fù)合材料 2\o"CurrentDocument"復(fù)合材料特點 2\o"CurrentDocument"1.1復(fù)合材料的應(yīng)用 2\o"CurrentDocument"1.2設(shè)計規(guī)范的演變 2\o"CurrentDocument"復(fù)合材料適航驗證試驗程序 3\o"CurrentDocument"碳纖維樹脂基復(fù)合材料優(yōu)點 3\o"CurrentDocument"碳纖維樹脂基復(fù)合材料缺點： 4\o"CurrentDocument"材料種類 4\o"CurrentDocument"2.1樹脂基體 4\o"CurrentDocument"熱塑性復(fù)合材料 4熱固性復(fù)合材料 5\o"CurrentDocument"樹脂材料性能對比 5\o"CurrentDocument"2.2增強纖維 6\o"CurrentDocument"碳纖維 6玻璃纖維 7芳綸纖維 7\o"CurrentDocument"材料性能對比 72.3預(yù)浸料 72.4芯材 8\o"CurrentDocument"蜂窩芯 8\o"CurrentDocument"泡沫芯 8\o"CurrentDocument"2.5膠粘劑 9\o"CurrentDocument"復(fù)合材料試驗驗證步驟 9\o"CurrentDocument"復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計 9\o"CurrentDocument"4.1復(fù)合材料設(shè)計基本要求 9\o"CurrentDocument"4.2設(shè)計選材 9\o"CurrentDocument"4.2.1設(shè)計選材需求 9\o"CurrentDocument"4.2.2夾層結(jié)構(gòu)的選材 10\o"CurrentDocument"4.3層壓板設(shè)計 10\o"CurrentDocument"鋪層方向和比例 10\o"CurrentDocument"鋪層設(shè)計 10\o"CurrentDocument"丟層要求 10\o"CurrentDocument"拼接 11\o"CurrentDocument"開口設(shè)計要求 11\o"CurrentDocument"4.4夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計 11\o"CurrentDocument"制造方法 11\o"CurrentDocument"面板設(shè)計準(zhǔn)則 11芯材 12\o"CurrentDocument"4.5細節(jié)設(shè)計 12\o"CurrentDocument"4.6復(fù)合材料設(shè)計優(yōu)化 12\o"CurrentDocument"復(fù)合材料連接 13\o"CurrentDocument"4.7.1膠接結(jié)構(gòu) 13\o"CurrentDocument"垂尾復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計 14\o"CurrentDocument"復(fù)合材料檢測 14\o"CurrentDocument"復(fù)合材料制造 14\o"CurrentDocument"5.1復(fù)合材料的成型方法和特點 14\o"CurrentDocument"成型工藝過程 155.2.1熱壓罐工藝 16\o"CurrentDocument"5.2.2RTM工藝 165.2.3機加工藝 16制造缺陷 16復(fù)合材料復(fù)合材料特點復(fù)合材料主要由基體和增強材料組成。非金屬基體包括樹脂、陶瓷等，增強材料包括碳纖維、芳綸、玻璃纖維等。應(yīng)用最多的是樹脂基碳纖維復(fù)合材料，其次是芳綸纖維。玻璃纖維因其強度、剛度較差，難以用在受力結(jié)構(gòu)上，但因為價格便宜，民機上有較多應(yīng)用。復(fù)合材料的韌性和對環(huán)境的耐受能力主要取決于樹脂。韌性：表示材料在塑性變形和破裂過程中吸收能量的能力，韌性越好，則發(fā)生脆性斷裂的可能性越小。1.1復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料首次應(yīng)用于空客A310-300（1985年）的垂尾上，后來應(yīng)用到了擾流板、方向舵、起落架艙門、整流罩等部位。A340（2001年）首次將復(fù)合材料用在機身上，后氣密壓力框；A380（2005年）將中央翼盒用復(fù)合材料，將后壓力框后部機身用復(fù)合材料，上層客艙底板、龍骨梁。A400M（2009年）第一架使用全碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的機翼飛機。波音787（2009年）第一家引入全復(fù)材機體結(jié)構(gòu)，整個機身結(jié)構(gòu)用了碳纖維增強樹脂復(fù)合材料?？湛秃髞淼腁350XWB也是全復(fù)材機身。1.2設(shè)計規(guī)范的演變FAA針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)合格審定中的新問題，于1978年頒布咨詢通告AC-20-107A“復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)”制定了一個可接受但不是唯一的驗證方法，適用于FAR23、25、27和29涉及的所有航空器的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，成為制定滿足適航要求的復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析和試驗方法的依據(jù)。針對各類飛機復(fù)合材料20多年的使用經(jīng)驗和教訓(xùn)，F(xiàn)AA于2003年提出FAAAC20-107B草案。更明確的領(lǐng)域包括：損傷容限（沖擊狀況、分散系數(shù)、疲勞載荷譜、試驗驗證等）；環(huán)境條件和試驗驗證；結(jié)構(gòu)膠接（弱膠接問題）；維修、檢查和修理；可燃性和耐撞性；鑒定新材料和新工藝；與A版內(nèi)容對比新增內(nèi)容有：適用對象；附加考慮；附錄3關(guān)于復(fù)合材料和工藝的變更；具體更新內(nèi)容有：材料規(guī)范、工藝規(guī)范、質(zhì)量控制；結(jié)構(gòu)保護；設(shè)計值、結(jié)構(gòu)細節(jié)；靜力試驗；損傷容限評定；持續(xù)適航；耐撞損性；閃電防護；增補內(nèi)容有：顫振和其他氣動彈性不穩(wěn)定驗證；在結(jié)構(gòu)適航性方面，F(xiàn)AA使用咨詢通告規(guī)定，申請人使用MIL-HDBK-17（MilitaryHandbook17，軍用手冊）中規(guī)定的材料性能作為型號符合性審定過程中的材料依據(jù)，并且使用美國材料與試驗學(xué)會（AmericanSocietyfortestingandmaterial，ASTM）的試驗標(biāo)準(zhǔn)作為型號審定過程中獲取材料性能依據(jù)的試驗方法。復(fù)合材料適航驗證試驗程序支撐疲勞和損傷容限并符合適航當(dāng)局適航規(guī)范文件中定義的適航驗證試驗程序如下：a、 CFRP結(jié)構(gòu)部件是由合格的材料和合格的生產(chǎn)過程制備而成，在該部件中人為地引入最大允許制造缺陷（孔隙率、分層等）和最大允許（不可見）沖擊損傷；b、 在該部件上施加動態(tài)載荷，模擬一個完整的設(shè)計目標(biāo)壽命（疲勞階段）。c、施加靜態(tài)載荷，部件不能失效；d、 對部件施加可見損傷和更大的沖擊損傷；e、 在該部件上繼續(xù)施加動態(tài)載荷，或模擬另一個設(shè)計服役目標(biāo)；f、 最后進行部件剩余強度試驗，要求部件具有承受限制載荷的能力。碳纖維樹脂基復(fù)合材料優(yōu)點a、 比強度、比剛度高。結(jié)構(gòu)能否減重的主要性能；b、 可設(shè)計性強。根據(jù)使用要求設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)效率；c、良好的抗疲勞性能好，特別是抗拉疲勞性能，纖維是多路傳力路線結(jié)構(gòu)，裂紋不易擴展。d、 抗腐蝕性能好，腐蝕疲勞性能明顯優(yōu)于金屬；e、 便于大面積整體成型和制造形狀復(fù)雜零件，可大幅度降低零件數(shù)量和連接件數(shù)量；f、 具有良好的尺寸穩(wěn)定性，碳纖維的熱膨脹系數(shù)幾乎為零或負(fù)數(shù)；g、 可進行電磁特性剪裁，有隱身功能。碳纖維樹脂基復(fù)合材料缺點：a、 層間強度低。容易產(chǎn)生分層破壞，降低承載能力；b、 沖擊韌性差。碳纖維復(fù)合材料比較脆，抗沖擊載荷能力差，容易出現(xiàn)損傷和分層；c、 成本較高。目前碳纖維和芳綸纖維的成本比較高。材料種類2.1樹脂基體樹脂基體分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂。熱固性復(fù)合材料中常用和性能優(yōu)良的是環(huán)氧樹脂和雙馬來酰亞胺樹脂。常用的熱塑性樹脂有聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚砜（PS）等。熱塑性復(fù)合材料熱塑性復(fù)合材料破壞應(yīng)變高、斷裂能高、固化過程可逆。優(yōu)點為：固化時間短、邊角廢料可重新使用，可進行成型后再處理，貯存壽命無限，不需冷藏。還具有下列優(yōu)點：a、 改善了環(huán)境耐受能力，耐溫、耐潮；b、 便于整體成型和再加工，提高了材料利用率；c、 增強了韌性，損傷容限能力好；d、 缺點是原材料成本高，工藝性比較難e、 缺點是需要高溫和加壓處理、粘性極差。碳纖維增強PPS的力學(xué)性能低于響應(yīng)PEEK的力學(xué)性能（PPS拉伸強度75-85MPa，PEEK拉伸強度90-100MPa）。熱固性復(fù)合材料熱固性樹脂破壞應(yīng)變低、斷裂能低、固化過程不可逆；優(yōu)點是固化溫度比較低，與纖維浸潤濕性好，可構(gòu)造復(fù)雜形狀，可用液態(tài)樹脂制造。缺點是固化時間長，貯存壽命有限（需要冷藏）。飛機承力結(jié)構(gòu)上一般選用的是熱固性環(huán)氧樹脂，熱塑性用的比較少。125攝氏度和180攝氏度這兩種環(huán)氧樹脂體系已經(jīng)經(jīng)過鑒定的。環(huán)氧樹脂的黏度范圍大，適用于不同的制造工藝和固化過程，適用于熱壓罐成型、真空袋成型、樹脂傳遞模塑成型和拉擠成型，固化溫度從室溫至180°C。主要缺點是吸濕性強，尤其是在高溫下，水分使玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低。酚醛樹脂具有優(yōu)異的絕緣性能、耐濕性和良好的電性能。一般用于內(nèi)飾，要求使用材料低煙、低毒、阻燃性好等。聚酰亞胺樹脂（PI）包括熱固性和熱塑性兩類，熱固性聚酰亞胺具有優(yōu)異的熱氧化穩(wěn)定性和良好的綜合力學(xué)性能，耐溫較高，可達到300-400C，用于高超聲速飛機和發(fā)動機上。已進入商品化的有PMR-15和PMR-II等。但其成型工藝較環(huán)氧樹脂差，其固化需要很高的固化溫度，通常超過290C。雙馬來酰亞胺樹脂（BMI）具有良好的耐高溫、耐輻射、耐濕熱、吸濕率低等特性。與環(huán)氧樹脂相比，主要優(yōu)點是較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，可高達260C-320C，而高溫環(huán)氧樹脂通常低于260C。還具有較高的伸長率2%-3%，環(huán)氧樹脂伸長率1%-2%。成型工藝和環(huán)氧樹脂類似，適用于熱壓罐、注射模塑法、樹脂傳遞模塑等，成本一般比環(huán)氧樹脂高。主要用于耐高溫零部件。預(yù)浸料一般現(xiàn)在用的最多的是熱固性樹脂。樹脂材料性能對比與環(huán)氧樹脂相比，熱塑性樹脂表現(xiàn)出優(yōu)異的熱濕強度性能（PEEK室溫最大吸濕率在0.5%，增韌環(huán)氧樹脂在1-5%）。熱塑性樹脂材料的面內(nèi)剪切強度和斷裂韌性比環(huán)氧樹脂優(yōu)異。拉伸模量相近，2.2增強纖維飛機用增強材料的基本形式是絲束（連續(xù)纖維束）及織物。絲束是增強材料的最基本形式，用于制備單向帶。織物可分為無緯布、平紋布、緞紋布。主承力復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中處于支配地位的纖維材料是碳纖維，一般按照強度性能分為低模、中模、高模。芳綸纖維容易吸濕，僅限于特殊用途。玻璃纖維能提供較高強度，成本低，但是模量相當(dāng)于碳纖維的1/3到1/4，密度比較高，減重優(yōu)勢不明顯，很少的民機結(jié)構(gòu)采用玻璃纖維。碳纖維代號：高強碳纖維（HT）,最常用的拉伸模量240GPa，拉伸強度3600MPa。HM：高模量；HT:高強；HST:高失效應(yīng)變；IM：中模量；LM：低模量；碳纖維絲束包括1K（1束1000根單絲），3K、6K、12K、24K。日本東麗公司（Torayca）碳纖維分兩個系列，T系列和M。T系列表示的是拉伸強度，M系列表示的是模量。牌號：T300、T800、T1000。T300拉伸強度3530MPa；拉伸模量：235GPa；密度1.76g/cm*3；T800拉伸強度5590MPa；拉伸模量：294GPa；密度1.8g/cm*3；AMMS3103；復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)：advancedMaterialsandmechanicalsciense。普通碳纖維，比強度1.74，比剛度130。一般民用產(chǎn)品和一般航空結(jié)構(gòu)。中強碳纖維（如T300、T500）,比強度1.8-2.7，比剛度130-170。用于民機結(jié)構(gòu)、軍機一般結(jié)構(gòu)。高強高韌碳纖維（如T800、T1000）,比強度3.1-3.9，比剛度160-170。用于航空、航天主要受力結(jié)構(gòu)。高模碳纖，比強度0.95-1.35，比剛度210-330。維用于重量控制很嚴(yán)、剛度要求很高的結(jié)構(gòu)，如航天飛機機械臂。玻璃纖維高強玻璃纖維（如S玻璃纖維），比強度1.04,比剛度32?1,斷裂應(yīng)變3.25%,用于透波類結(jié)構(gòu)（雷達罩）和耐沖擊類結(jié)構(gòu)。用作碳纖維和金屬接觸處的電絕緣層。芳綸纖維芳綸纖維是一種有機合成纖維，具有高強度、高模量、耐熱性能好、阻尼性能好；化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好。主要缺點是吸濕性強、壓縮強度低，和樹脂結(jié)合界面性能略差。芳綸纖維首先由美國杜邦（Dupont）化學(xué)公司研發(fā)，Kevlar-149比kevlar49大大改善了吸濕性能。Kevlar-49（凱夫拉，美國杜邦驗證的芳綸纖維），比強度1.9,比剛度85-120,用于透波類結(jié)構(gòu)，機械加工性能差，民機內(nèi)部結(jié)構(gòu)（容易吸濕）。材料性能對比芳綸纖維與玻璃纖維和碳纖維相比：密度最小、拉伸極限應(yīng)變最大，芳綸纖維密度為1.44g/cm*3，比玻璃纖維低大約40%，比常用碳纖維大約低20%。芳綸纖維增強復(fù)合材料可用于對減重要求迫切的飛機部件，具有優(yōu)異的吸能防彈和結(jié)構(gòu)承載等性能，可用于防彈裝甲和結(jié)構(gòu)部件。2.3預(yù)浸料在某型號關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)過程中曾經(jīng)暴露出了碳纖維斷裂延伸率與樹脂韌性不匹配、預(yù)浸料樹脂含量設(shè)置不能滿足工藝要求、材料規(guī)范規(guī)定的工藝施工期不能適應(yīng)大型零件制造需求等問題。預(yù)浸料按物理狀態(tài)分為單向帶和織物兩種，。預(yù)浸料的原材料包括增強體和基體，增強體主要是碳纖維、玻璃纖維、芳綸及其織物，其他纖維用的比較少。樹脂基體主要是環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、酚醛樹脂等。按固化溫度不同分成低溫固化（V80攝氏度）、中溫固化（120°C）、高溫固化（180C）。預(yù)浸料用碳纖維含標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維、中模量碳纖維以及高模量碳纖維等，其他包括玻璃纖維和芳綸纖維等。芯材夾層結(jié)構(gòu)的芯子主要用于分隔、支撐、穩(wěn)定面板。主要承受夾層殼體和板件結(jié)構(gòu)中大部分的面外載荷和橫向剪切載荷。通常包括蜂窩、泡沫等。蜂窩材料包括芳綸紙蜂窩和鋁蜂窩。泡沫包括聚甲基丙烯酸胺（PMI）泡沫和聚氯乙烯（PVC）泡沫。蜂窩芯芳綸紙蜂窩采用芳綸纖維制成，又分為間位芳綸紙蜂窩（Nomex紙蜂窩）和對位芳綸紙蜂窩（Kevlar紙蜂窩）。Nomex紙蜂窩是用Nomex紙制成，通常是將初始的紙蜂窩浸漬到酚醛樹脂中制成。力學(xué)性能好，密度低，長期穩(wěn)定性好，用到高性能宇航部件。Kevlar紙蜂窩是以對位芳綸紙制成，對位芳綸的分子鏈排列成直線狀，分子排列規(guī)整、有序、為剛性結(jié)構(gòu)，因此在比強度、比模量、耐濕熱等方面有優(yōu)勢，但分子剛性大、不易產(chǎn)生變形、蜂窩成型加工困難，回彈力大。泡沫芯聚氯乙烯（PVC）泡沫，閉孔聚氯乙烯泡沫是高性能夾層結(jié)構(gòu)中廣泛使用的芯材。有交聯(lián)和非交聯(lián)兩種。非交聯(lián)泡沫常常稱為“線性的”，比較韌、也比較柔軟，易于熱成型為曲面形狀。交聯(lián)的PVC泡沫比較硬，但比較脆，可制成比較剛性的板材。聚甲基丙烯酸按（PMI）泡沫是一種各向同性的輕質(zhì)材料，與芳綸蜂窩芯材相比，具有易于不同型面機械加工、便于成型復(fù)雜型面、耐水性優(yōu)良等特點。PMI泡沫易于與高溫固化預(yù)浸料共同使用。在同等密度條件下，PMI泡沫的力學(xué)性能劣于芳綸蜂窩。2.5膠粘劑飛機結(jié)構(gòu)常用膠粘劑是環(huán)氧樹脂，可在120°C和175°C下固化。有膜狀和糊狀兩種形式。復(fù)合材料試驗驗證步驟復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件按照積木式驗證步驟，逐級進行試驗進行研究。從下往上：首先是試樣和元件級別的驗證，對材料、結(jié)構(gòu)形式（取其中一段，比如：工字型界面、L型截面、連接區(qū)等）進行初步驗證。接下來是對典型結(jié)構(gòu)件（加筋壁板一段、機翼一部分大梁和翼肋的組合）進行驗證；再下來就是組合件（裝配完成的試驗件）；最后是完整的真實部件試驗。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1復(fù)合材料設(shè)計基本要求針對結(jié)構(gòu)特別是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的典型設(shè)計要求可概括為：a、配合、形狀和功能。選擇合適的模具和制造工藝是使設(shè)計意圖實現(xiàn)的最大需求；b、 強度、剛度要求。靜載荷、疲勞載荷、損傷容限；c、 環(huán)境影響。設(shè)計時考慮不可避免的環(huán)境影響，提供防護體系；d、 熱膨脹系數(shù)的配置?？紤]不同膨脹系數(shù)結(jié)構(gòu)之間協(xié)調(diào)變形的影響；e、 特殊結(jié)構(gòu)要求（防靜電、防雷擊和電磁兼容）；f、 頻率配置；g、 最小重量；h、 最低成本；i、 良好可檢性、維修性、工藝性。4.2設(shè)計選材4.2.1設(shè)計選材需求a、 材料有咼的比強度和比剛度；b、 使用環(huán)境，比如工作溫度；（高溫區(qū)用聚酰亞胺）；c、 特殊性能要求，比如阻燃、煙霧、毒性（用酚醛樹脂）；d、 預(yù)浸料制造、固化成型具有好的工藝性；e、 材料成本。4.2.2夾層結(jié)構(gòu)的選材夾層結(jié)構(gòu)包括面板和夾芯，面板分為金屬面板（鋁合金、鈦合金）和復(fù)合材料面板（碳纖維、玻璃纖維）。夾芯分為蜂窩（鋁蜂窩和芳綸紙）和泡沫（PMI閉孔和低密度）。4.3層壓板設(shè)計鋪層方向和比例推薦鋪層比例：受拉和受壓、（60，30，10）；剪切（30，60，10）；多方向載荷（25，50，25）。鋪層設(shè)計a、 角度相同的鋪層應(yīng)均勻分布，最小化耦合效應(yīng)；b、 盡量采用對稱鋪層，減少固化變形；c、 若不能滿足均衡和對稱，盡量將非對稱和不均衡部分放在中面附近；d、 表面鋪層應(yīng)避免與主載荷方向一直；e、由0、90、±45度組成的結(jié)構(gòu)，每一種最少占10%；f、 可能受到?jīng)_擊部位，外表面用織物，或增加±45°鋪層，或采用碳-芳綸-玻璃組成的混雜結(jié)構(gòu)；g、 連接區(qū)保證足夠的強度，便于載荷擴散；h、 在梁、框、肋等凸緣部位，應(yīng)布置加大比例0度鋪層，提高軸向強度剛度；i、 開口區(qū)應(yīng)局部加強，并使相鄰層夾角盡可能??；j、 鋪層數(shù)遞減處形成臺階，每個臺階寬度相等，不小于2.5mm，表面鋪設(shè)連續(xù)層以防剝離；k、 同一鋪層角度疊在一起層數(shù)不多于四層，厚度小于0.8mm；l、 與鋁合金接觸表面鋪設(shè)玻璃布，避免電偶腐蝕；丟層要求a、 厚度有變化時，受力主方向斜率1/20，其他方向1/10，連接界面上（梁與壁板之間，長桁與蒙皮之間）1/40；b、 需要丟層的鋪層應(yīng)靠近中面，避免在同一位置連丟兩層，沿厚度方向均勻丟層，盡量減小不對稱和不平衡；c、 至少最外兩層是連續(xù)的；d、 縱向件與丟層邊界保持最小5mm的平面距離。拼接a、 拼接線平行于纖維方向時：優(yōu)選對接形式，對接間隙大于0,小于2.5mm。允許在21mm交錯距離下有1mm搭接；b、 對于自動鋪帶，應(yīng)有21±4mm的交錯間隔，當(dāng)在同一位置出現(xiàn)對接時，兩處對接間至少應(yīng)有4個鋪層；c、 拼接線垂直纖維方向：不允許用對接形式，搭接不是首選的，如必須，采用12-25mm搭接；d、 與相鄰鋪層的對接接頭應(yīng)保持在一個方向最小2000mm距離，在另一個方向最少300mm的距離；e、 裝配中對厚度敏感的區(qū)域，應(yīng)避免采用搭接形式。開口設(shè)計要求a、 增加開口部位土45°鋪層比例和；b、 盡量開成圓孔且少切斷纖維，便于加工且應(yīng)力集中??；c、 開口部位一般應(yīng)進行補強設(shè)計，對于直徑小于30mm，孔徑/板寬小于0.2的孔，可不予加強；d、 開口應(yīng)盡量避免切斷長桁、筋條或腹板立柱等；e、 補強區(qū)域鋪層應(yīng)與母板協(xié)調(diào)，并要求厚度變化有一個過渡區(qū)，保持剛度均勻過渡；4.4夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計由兩層面板與一層厚度大重量輕的芯材粘接而成。制造方法（1） 濕態(tài)面板+芯材+濕態(tài)面板，不需要額外增加膠膜，如需要防止水分進入，需要增加膠膜；（2） 固化面板+芯材+濕態(tài)面板，需另外增加膠膜；（3） 固化面板+芯材+固化面板，必須增加膠膜；面板設(shè)計準(zhǔn)則（1） 最小厚度：織物最少2層，或1層織物+1層單向帶，純單向帶至少應(yīng)有三層且最小厚度不低于0.4mm；（2） 至少應(yīng)有兩個纖維方向，如果使用單向帶，至少一層垂直于單向帶方向；（3） 對于單一面板無法實現(xiàn)對稱，則盡可能在整個結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)對稱；（4） 當(dāng)使用45°/135°鋪層時，盡可能滿足鋪層的均衡性；（5） 與芯材接觸的鋪層以及外表面鋪層應(yīng)連續(xù)。芯材4.5細節(jié)設(shè)計復(fù)合材料在細節(jié)設(shè)計上需要注意的包括：1、 鋪層：均衡原則；表面鋪層避免與主載荷一致；集中受力部位需要加強厚度面積大一點，便于載荷擴散；同一鋪層角集中不多于4層；2、 丟層：丟層寬度大于2.5mm；厚度變化丟層斜率，主載荷方向斜率1/20,其它方向1/10；丟層鋪層靠近中面；外部兩個層必須連續(xù)。3、 邊緣密封：增加膠膜；灌膠填充；如果是夾層結(jié)構(gòu)，且有螺栓連接的話增加玻璃纖維塊。4、防水要求：面板厚度不小于4層（在7bar或者更高的壓力下固化后就是防水的，但蒙皮必須進行預(yù)固化防止芯材塌陷）；增加膠膜來防水；5、拼接：拼接平行纖維方向優(yōu)選對接，垂直的話必須搭接。6、裝配：與鋁合金或合金鋼接觸時，表明鋪玻璃布，避免電偶腐蝕；標(biāo)準(zhǔn)件選用鈦合金和不銹鋼，并進行濕裝配，避免電偶腐蝕。鉚釘選用抽釘，采用壓鉚方式。盡量采用雙剪連接，盡可能避免單剪連接。多排緊固件盡量采用平行排列，避免交錯排列。復(fù)合材料設(shè)計優(yōu)化利用的是Hyperworks軟件對它的鋪層區(qū)域、區(qū)域鋪層厚度、鋪層順序進行了優(yōu)化。初始優(yōu)化時，先建立了四個超級層，因為一般鋪層角度都是0°、90°、±45°嗎，所以先建立了這四個角度的超級層，以它們?yōu)閮?yōu)化初始變量，第一步優(yōu)化得到鋪層形狀，它這一步，實際類似于金屬各向同性材料的拓?fù)鋬?yōu)化。比如這個零件主要受拉壓載荷，那它肯定0°、90°的這個層材料就完整，鋪層面積大一點。如果受剪切載荷的話，那肯定±45°這兩個鋪層的面積就會大。第二步，對每一次的鋪層厚度，也就是層數(shù)進行優(yōu)化，需要我們定一個選用材料的單層厚度，一般0.23mm厚。優(yōu)化出來的厚度層數(shù)是它的整數(shù)倍。第二步優(yōu)化完成后，每一個角度的鋪疊區(qū)域和厚度就確定了，最后一步對它的鋪層順序進行優(yōu)化，最終得到一個最終的優(yōu)化結(jié)果，在優(yōu)化時我們優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)構(gòu)肯定選擇重量最輕，約束一般我們選擇位移約束。實際根據(jù)受力形式，也可以大致定，簡單的受拉壓載荷的話，0°占60%，90°占10%；±45°占30%。剪切的話，±45°占60%，0°占30%；90°占10%。綜合受力的話四個鋪層角度平均分。4.7復(fù)合材料連接a、 復(fù)合材料連接區(qū)土45°層比例不低于40%,0°不低于30%,90°鋪層至少10%。b、 螺栓連接的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，配合精度不能采用干涉配合。c、 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)裝配面采用玻璃布隔離（防止電偶腐蝕），邊界至少超過零件邊界6mm。d、復(fù)合材料加筋板。4.7.1膠接結(jié)構(gòu)膠接結(jié)構(gòu)優(yōu)點：抗疲勞性能好、無孔邊應(yīng)力集中、牢固，趨近于材料極限強度；加工性能好；質(zhì)量輕。缺點：單一的傳力路徑，對工藝方法敏感，受環(huán)境因素影響大。結(jié)構(gòu)形式：包括筋條和壁板的貼合面膠接；單搭接、雙層對接、單層對接。實現(xiàn)方式：共固化、共膠接和二次膠接。失效模式：膠層和膠接面的剪切破壞；膠層和膠接件的玻璃破壞。結(jié)構(gòu)膠膜：常用的結(jié)構(gòu)膠膜包括180°C固化和120°C固化，150g/mm,250g/mm。兩者均可用于共膠接，首選150g/mm。250g/mm用于二次膠接。二次膠接時固化溫度的選擇應(yīng)使膠層的熱應(yīng)力最小。表面膠膜：同金屬件一起用于雷電防護和改善防水密封性。不用于結(jié)構(gòu)膠接，結(jié)構(gòu)膠膜可用于表面。4.8垂尾復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計垂尾為雙梁單塊式結(jié)構(gòu)，由前后梁，上下加筋壁板，中間布置翼肋。一般加筋壁板剖面的形心越高，承拉壓的正應(yīng)力載荷形式的效率越好，同等尺寸的工字型長桁和T型長桁，顯然用工字型。主要結(jié)構(gòu)件包括加筋壁板、梁和翼肋，翼肋一般采用金屬機加。梁和加筋壁板采用復(fù)合材料，為Hexcel（和氏公司）的M21/34%/UD194/IMA12K，T800級的碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料。壁板是主要的承受氣動力彎矩和扭矩的正應(yīng)力承力構(gòu)件。單一壁板受壓和剪切時容易導(dǎo)致筋條和蒙皮失穩(wěn)。筋條對蒙皮起到支撐作用和隔波作用，當(dāng)筋條剛度足夠時，允許蒙皮局部失穩(wěn)。4.9復(fù)合材料檢測復(fù)合材料的等級由結(jié)構(gòu)重要度決定，一般分為三級（最重要、重要、最不重要）。不同重要等級復(fù)合材料的檢測項目不同，包含首件合格鑒定、無損檢測、目視檢查、隨爐件。復(fù)合材料制造5.1復(fù)合材料的成型方法和特點a、按樹脂的成型特性分為熱壓成型和液體成型。熱壓成型分為：熱壓罐、模壓、真空袋、軟膜、拉擠成型。液體成型：RTM、RFI、VARI、VARTM（真空RTM）。b、 按原材料分為干態(tài)纖維和預(yù)浸料。干態(tài)纖維（包括自動鋪絲和預(yù)成型體）主要采用液態(tài)成型。預(yù)浸料（包括單向帶、織物預(yù)浸料）主要成型方式，包括熱壓罐、熱壓機、真空袋。c、 按結(jié)構(gòu)形式：分為夾層結(jié)構(gòu)和層壓板。層壓板：分為：濕態(tài)面板+芯材+濕態(tài)面板；固化面板+芯材+濕態(tài)面板，需要另外增加膠膜；固化面板+芯材+固化面板，必須增加膠膜。成型時需要保證一定壓力和溫度。熱壓罐、真空袋、熱壓機。夾層結(jié)構(gòu)：熱壓罐和真空袋。下面給出常見的幾種：a、 真空袋成型：真空袋提供固化壓力，至于提供熱源的烘箱中。主要應(yīng)用于低壓成型的樹脂基體，便于制造夾層結(jié)構(gòu)，以免芯子壓塌。磨具費用少，壓力O.IMpa，質(zhì)量差，用在民用產(chǎn)品上。b、 模壓成型：一般在能提供溫度條件的壓機上進行，常有陰陽模，適用于尺寸小、形狀復(fù)雜的零件，成型尺寸精度高。質(zhì)量穩(wěn)定，精度高，可生產(chǎn)形狀復(fù)雜零件，模具費用大，對質(zhì)量要求高的產(chǎn)品不合適。c、 熱壓罐成型：熱壓罐能夠加壓、加熱，可用來固化成型樹脂基復(fù)合材料，要求模具簡單，適用于成型板殼類大型制件。