复合材料铺层设计

复合材料铺层设计

复合材料制件最基本的单元是铺层。铺层是复合材料制件中的一层单向带或织物形成的复合材料单向层。由两层或多层同种或不同种材料铺层层合压制而成的复合材料板材称为层合板。复合材料层压结构件的基本单元正是这种按各种不同铺层设计要素组成的层合板。

本章主要介绍由高性能连续纤维与树脂基体材料构成的层合结构和夹层结构设计的基本原理和方法，也介绍复合材料结构在导弹结构中的应用。

一、层合板及其表示方法

(1) 铺层及其方向的表示

铺层是层合板的基本结构单元，其厚度很薄，通常约为0.1～0.3mm。铺层中增强纤维的方向或织物径向纤维方向为材料的主方向（1向：即纵向）；垂直于增强纤维方向或织物的纬向纤维方向为材料的另一个主方向（2向：即横向）。1—2坐标系为材料的主坐标系，又称正轴坐标系， x-y坐标系为设计参考坐标系，如图10.1.1所示。

铺层是有方向性的。铺层的方向用纤维的铺向角（铺层角）θ表示。所谓铺向角（铺层角）就是铺层的纵向与层合板参考坐标X轴之间的夹角，由X轴到纤维纵向逆时针旋转为正。参考坐标系X-Y与材料主方向重合则为正轴坐标系。X-Y 方向与材料主方向不重合则称偏轴坐标系，如图10.1.1（b）所示。铺层的正轴应力与偏轴应力也在图10.1.1中标明。

（2）层合板的表示方法

为了满足设计、制造和力学性能分析的需要，必须简明地表示出层合板中各铺层的方向和层合顺序，故对层合板规定了明确的表示方法，如表10.1.1所示。

二、单层复合材料的力学性能

单层的力学性能是复合材料的基本力学性能，即材料工程常数。由于单层很薄，一般仅考虑单层的面内力学性能，故假设为平面应力状态。单层在材料主轴坐标系中通常是正交各向异性材料，在其主方向上某一点处的正应变ε1、ε2只与该

点处的正应力σ1、σ2有关，而与剪应力τ12无关；同时，该点处剪应变γ12也仅与剪应力τ12有关，而与正应力无关。

材料工程常数共9个：纵向和横向弹性模量Ε1和Ε2、主泊松比ν12、纵横剪切弹性模量G12，共四个弹性常数；还有纵向拉伸和压缩强度X1、X2，横向拉伸与压缩强度Y1、Y2，纵横剪切强度S共五个强度参数。这9个工程常数是通过单向层合板的单轴试验确定的。通常情况下，单层力学性能有明显的方向性，与增强纤维的方向密切相关，即Ε1>>Ε2，X>>Y；而且拉伸与压缩强度不相等，即X1≠X2，Y1≠Y2；纵横剪切性能与拉伸、压缩性能无关，即 S 与 X 、Y 无关。

由于单层复合材料是复合材料的基础，故往往用它的性能来说明复合材料的性能。但应当指出：单层的性能不能替代实际使用的层合复合材料的性能。一般说，实际使用的层合复合材料性能要低于单向复合材料的纵向性能。复合材料的性能与材料中含有的纤维数量有很大的关系，所以在规定性能数据时，一般还应给定材料所含的纤维量，通常用纤维所占的体积百分比V来表示。V称为纤维体积

分数或纤维体积含量，其值通常控制在60%左右。

三、复合材料结构的制造与成形工艺

（1）制造与成形工艺的分类、特点与适用范围

树脂基复合材料结构成形工艺方法多种多样，各有所长。工艺方法的分类见图10.1.2,各种工艺方法的特点与适用范围见表10.1.3。

图10.1.2中，属于改进的 RTM 方法有：真空铺助RTM(VRTM)、差压RTM （DP–RTM）、热膨胀RTM（TERTM）、自动化RTM（ARTM）、连续化RTM（CRTM）等。

（2）常用的成形工艺方法

1）热压罐成形

预浸料热压罐成形法是目前广泛应用的先进复合材料结构成形工艺方法。基本工艺过程是，将预浸料（预先浸渍树脂的单层）按设计要求铺叠在模具上形成构件叠层毛胚，并与其他工艺铺料一起构成真空袋组合系统，如图10.1.3(a)所示，用罐体内部均匀温度场和空气压力对复合材料预浸料叠层毛坯施加温度与压力，如图10.1.3(b)所示，以达到固化的目的。

2）真空袋成形法

真空袋成形工作原理如图10.1.4所示。其主要设备是烘箱、成形模具以及真空系统。

3）软模成形法

软模成形是利用膨胀橡胶在一定温度下可控膨胀量所产生的压力对预浸料叠层毛坯加压固化的工艺方法，图10.1.5是飞机活动翼面成形示意图。

4）缠绕法成形

纤维缠绕法如图10.1.6所示,方法要点是连续纤维纱束浸渍树脂后,在张力控制下按预定路径精确地缠绕在转动的模芯上,按一定的规范固化,固化后脱模。

5) 树脂转移模塑成形法（RTM）

这是一种可不采用预浸料，并在很大程度上不采用热压罐的成形方法。RTM的

成形工艺首先用编织、缝纫或胶粘等方法将增强纤维或织物按结构设计要求制成预成形件，将其置于四周严格密封的模具中，尔后注入树脂。树脂在模腔内流动并浸渍预成形件，随着树脂固化，制成复合材料结构。树脂的引入可以通过树脂

注射法、树脂反应性注射法、弥撒树脂粉末法等方法实现。图10.1.7是树脂转移模塑成形工艺的示意图。

6）树脂膜熔浸成形（RFI）工艺

RFI成形工艺原理示意图如图10.1.8所示。稠状树脂或固态片状树脂被置于预成形件下面，受热后粘度迅速降低，在真空压力的作用下，树脂沿厚度方向由下向上浸渍预成形件，待完全充填后，升高温度使树脂固化。RFI成形工艺方法被认为是目前行之有效的低成本、高质量制造技术。

（3）复合材料结构件的机械加工

成形脱模的复合材料结构件,因为工艺与装配的原因需要在零件上开口或进行边缘切割与修磨,因此对其进行切割加工是不可避免的。成形复合材料结构切割加

工时，所有的切割边缘都应完整光滑，以避免边缘分层而引发结构提前破坏。为防止总体变形，必要时应将零件固定在型架上进行切割。切割与修磨过程中，应及时清除切屑粉尘，以防止零件划伤，降低污染，所有切割、修磨暴露的表面都必须用相应树脂或漆料、密封剂等封口。复合材料构件的切割加工有砂轮片切割、超声波切割、高压水切割、激光切割等方法，每种方法均有其优缺点，应根据设计要求、现有条件限制和成本要求，选择合适的加工方法。

四、复合材料结构的质量控制

制造过程的质量控制可分为工序的质量管理和成品的质量管理，前者是复合材料结构制造质量高低的关键。

工序的质量管理包括厂房等环境管理、人员及作业管理和成形过程管理等环节。复合材料厂房分一般工作场地和超净工作间，它们各有相应的环境指标要求。一般工作场地是辅助工序、固化和机械加工工序的实现场所，超净工作间是预浸料制备、下料、铺层、胶接等操作场所。一般工作场地与超净工作间相通之处应有过渡间，整个生产过程在同一厂房内连续进行。人员素质、设备状态与管理水准是高质量生产的三要素。人员培训、技术档案、检测制度和工艺质量流程卡（工序质量控制）构成了质量科学管理方法的主要内容。

复合材料成形是质量控制过程中的重要环节，是确保制件质量满足设计要求，达到规定目标的关键。成形工艺过程是由每道工序组成的，因此，工序操作管理是成形工艺质量保证的基础。对于常规零件和构件其作业流程大致为：

除了工序质量管理和成品质量管理外，采用先进的生产工艺，增加生产的自动化程度，是质量控制的又一项重要措施。例如，采用TRM成形工艺、电子束固化技术、自动下料技术、自动铺丝束带技术等。

五、复合材料结构设计的一般要求与设计步骤

（1）复合材料结构设计的一般要求

复合材料导弹结构的设计要求与金属结构的基本相同。鉴于复合材料自身的特点，进行复合材料结构设计时，还应考虑以下几项要求。

①复合材料结构按许用应变设计结构时，采用使用载荷设计、设计载荷校核的

原则。不论采用何种方法设计，要注意复合材料在性能、失效模式、耐久性、制造工艺、质量控制等方面与金属材料有较大差异，应保证结构在使用载荷下有足够的强度和刚度，在设计载荷下，剩余强度系数应大于1。

②在确定复合材料结构设计许用值时，必须考虑环境对材料性能的影响。环境

因素包括温度、湿度、紫外线辐射、冰雹和外来物的冲击、雷电、风沙、腐蚀介质等，其中最主要的因素是温度、湿度以及在生产和使用中可能出现的最大不可见冲击损伤。

③复合材料结构的安全水平，不能低于同类金属结构。

④复合材料结构中，应特别注意防止与金属零件接触时的电偶腐蚀。

⑤由于复合材料的导电性能远不如金属材料高，对复合材料飞行器结构必须进

行防雷击、防静电和电磁兼容设计与试验验证。导弹的头部以及翼面结构的尖端和前缘等部位易受雷击，应进行防雷击设计与验证。对复合材料弹翼与电子设备舱必须进行防静电起火和防电磁屏蔽的防护设计和验证试验。

⑥应尽量将复合材料结构设计成整体件，并采用共固化或二次固化、二次胶接

技术，以利减重和提高产品质量，但应注意共固化引起的结构畸变和胶接质量问题。

除了以上的要求外，复合材料飞行器结构设计在静强度设计、耐久性设计和结构工艺性等方面还有一些不同于金属结构的特殊要求，设计时均应考虑。

（2）复合材料结构设计的步骤

综合设计思想在复合材料结构设计中的体现非常突出。一般情况下，金属结构设计是根据手册提供的性能数据，选择所需材料的牌号和规格，然后进行具体的结构设计。而复合材料结构设计选材时就必须同时考虑材料的机械性能、使用环境和工艺性（如树脂体系的固化温度、固化时间和工艺方法）等因素。因为复合材料是结构设计与材料设计同时进行，材料与结构一次成形，所以在设计时既要对组成构件各部分的层合板参数进行设计，还要选择构件的构造形式和几何尺寸。在初步设计阶段就应对结构的可维护性、可修理性和维修的费用进行考虑与评估。

复合材料结构设计，首先应明确设计条件，之后进行设计选材和层合板设计，然后进行结构设计。在整个设计过程中，应视不同阶段进行相应试验，包括某些工艺试验。其中材料试样、元件、组合件和部件四个层次积木式方法的验证试验，在保证复合材料结构满足结构设计要求方面占有重要地位。

设计条件包括对结构的性能要求、载荷情况、环境条件和工艺条件等四个方面。载荷情况是指所设计结构承受的载荷性质，如静载荷或动载荷。动载荷分为冲击载荷和交变载荷。冲击是碰撞引起的载荷，它对复合材料极易造成损伤，尤其是低能量冲击造成的损伤不易觉察，潜在威胁大，因此对这类载荷作用部位的结构，设计时要特别注意。交变载荷作用下结构应具有需要的疲劳强度和寿命。环境条件是指结构使用区域的大气、气象及其他物理化学环境。工艺条件外括了预浸料制作或预制件（二维、三维编织或缝编预制件）制作、固化成形、机械加工和装配，以及修补等几个方面的设备条件和人员素质等。

设计选材和层合板设计包括组分材料的选用、铺层性能的确定以及层合板设计。结构设计则包含结构形式的确定、结构元件设计、结构细节设计和连接设计等内容。这两项设计工作要涉及到应力、应变分析和失效判断，以确保结构满足规定的强度与刚度要求。对飞机设计最后还要进行损伤容限的评定，以保证结构满足完整性要求。