复合材料铺层设计准则的一些理解
复合材料铺层设计方法
复合材料铺层设计方法
复合材料铺层设计是复合材料结构设计的重要组成部分，其主要目标是优化材料的力学性能、物理性能和化学性能。
以下是复合材料铺层设计的主要步骤：1. 确定设计目标：首先需要明确复合材料需要满足的性能要求，如强度、刚度、耐久性等。
2. 选择合适的材料：根据设计目标和实际应用需求，选择合适的基体材料和增强材料。
3. 确定铺层方案：根据不同的设计需求和材料的特性，确定合适的铺层方案。
铺层方案应考虑层数、角度、顺序等因素，以优化材料性能。
4. 建立模型并分析：使用数值分析方法，如有限元分析，建立复合材料模型，并分析其在各种载荷下的响应。
这一步可以辅助设计优化和验证设计方案。
5. 优化设计：根据分析结果，优化铺层设计。
这可能包括改变铺层角度、增加或减少铺层数量等。
6. 实验验证：在生产前，需要对设计的复合材料进行实验验证，以确保其性能满足设计要求。
7. 生产与制造：根据最终确定的铺层设计方案进行复合材料的生产和制造。
8. 测试与评估：在生产完成后，对复合材料进行测试和评估，以确保其性能满
足设计要求。
9. 反馈与改进：根据测试和评估结果，对设计进行反馈和改进，以持续提升材料性能。
总的来说，复合材料铺层设计是一个迭代的过程，需要结合理论分析和实验验证进行持续的优化和改进。
复合材料铺层设计准则的一些理解
复合 材 料 有 多 种 结 构 形 式 ， 其 中以 层 合板 （ 主结 构 的 蒙 皮 ， 大 易出 现加 工过 程 中的富 胶 现 象 以及 应 力集 中和 疲劳 问题 。
等） 最 为 常 见。 针对 层 合板 的 结 构 形 式 ， 参考… 中给 出 了一 些设 计 准 对 称性 和均 衡 性 这一 准 则进 行详 细 理 论 说明 。
垫
Ｑ ：
工 业 技 术
Ｓｃｉ ｅｎ ｃｅ ａ ｎｄ Ｔｅｃ ｈｎ ｏ ｌ ｏ ｇｙ ｌ ｎ ｎｏ ｖａ ｔ ｉ ｏｎ Ｈｅ ｒ ａ ｌ ｄ
复合 材 料铺 层设 计 准则 的 一 些理 解
张洁 （ 上海飞机设计研究院 上海
２ ０ １ ２ １ ０ ）
摘 要 ： 该文介绍了 复 合 材料飞机结构铺层设计的一些常用 设计准则， 特别针对最重要的对称性和均衡 性设计准则， ￣ ｔ － ５ － ￣典层合板理论进行 了 分析， 同时对其它一些准则也作 了 一定的解释。 关键 词： 复合材料 飞 机 结构 铺层设计准则 层舍板理论 中图分类号 ： Ｖ ２ ６ １ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ４ — ０ ９ ８ Ｘ （ ２ ０ １ ３ ） Ｏ ５ （ ｂ ） 一 ０ ０ ５ ７ — ０ ２
２ ｓ ｉ ｎ ｃ ｏ ｓ ０ Ｉ
Ｃ Ｏ Ｓ ０ 一ｓ ｍ ． ０ Ｊ
是 为了最 大化 挤压 强度 （ 考虑 打 孔 时 对铺 层 的破 坏 ） 。 （ ４ ） 尽 量将 不 同的 铺 层 角度 均 匀分 布在 整个 铺层 厚度 中， 避 免
相 同角 度 铺 层连 续 铺 设 。 这个 准则 是 为了避免 出现 应 力集 中和 内 部
一
（ ８ ） 当铺 层 有 厚度 变化 时 ， 注意应当逐层 （ 相邻 层 间 隔过 渡 ）
复材铺层
1前言复合材料因其高比强度、高比刚度、良好的抗疲劳性和材料铺层可设计性等优异特性，广泛应用于航天航空领域。
在使用中，复合材料往往要同复合材料或金属材料连接起来。
机械连接是最常见的连接方法。
螺栓连接因传递载荷大在承力结构中得到广泛应用，但连接处往往是结构的薄弱环节，承载时最先破坏。
因此，对螺栓连接的失效模式及连接强度进行研究很有意义。
纤维复合材料机械连接强度及破坏模式与接头的几何参数、纤维种类及铺层方向等多种因素有关，很多专家和学者对此进行了广泛的实验研究和理论分析[1~8]，得出了很多指导性的结论。
普遍认为连接强度随W/D和E/D的增大而增大，但当W/D 和E/D增大到某一临界值后，其破坏模式由拉伸破坏或剪切破坏转变为挤压破坏时，再增加W/D和E/D对连接强度的提高没有明显作用。
现有的研究大多针对纤维复合材料，而对织物复合材料研究的较少。
织物复合材料与纤维铺层复合材料结构及性能不同，连接设计的最佳参数也不相同。
Bülent[9]研究了玻璃织物和铝箔混杂铺层复合材料销钉连接挤压强度；刘建超[10]等人实验研究了碳纤维织物复合材料销钉连接接头几何参数对连接性能的影响；Buket[11]等人对销钉连接玻璃纤维织物／环氧层合板的破坏强度进行了研究。
本工作针对玻璃纤维织物复合材料螺栓连接结构，研究了W/D及E/D对螺栓连接强度的影响，并分析了螺栓连接的破坏模式，找出使连接强度最佳的W／D和E/D临界值，为织物复合材料的结构设计及后续研究奠定了一定基础。
2实验2.1原材料实验采用原材料为增强材料，2×2斜纹高强玻璃纤维布，面密度230g／m2，厚度0.22mm，南京玻纤院生产；树脂基体，环氧树脂体系。
2.2试样制备复合材料层合板制作采用织物预浸布模压成型。
玻璃布通过多功能浸胶机预浸胶，制作成预浸玻璃布，裁剪后在压制平板上铺设，铺设时各层织物经／纬向严格排布，铺设到要求厚度后，在热压机上热压成型。
复合材料铺层
复合材料铺层复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的新材料，具有优异的综合性能。
而复合材料铺层则是指将不同种类的材料按照一定的顺序和规则进行堆叠组合，以满足特定的工程需求。
在实际工程应用中，复合材料铺层技术被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑领域等，其优异的性能使其成为众多领域的热门选择。
首先，复合材料铺层的设计需要考虑到材料的性能和应用环境。
不同的工程应用对复合材料的性能要求各不相同，因此在进行铺层设计时需要充分考虑到材料的强度、刚度、耐热性、耐腐蚀性等特性。
同时，应用环境的温度、湿度、压力等因素也需要被纳入考虑范围，以确保复合材料在实际工程中能够稳定可靠地发挥作用。
其次，复合材料铺层的工艺技术也是至关重要的。
在进行铺层过程中，需要严格控制材料的堆叠顺序、层数、厚度等参数，以确保复合材料的性能和稳定性。
同时，还需要注意铺层过程中的气泡、裂纹、层间粘接等质量问题，通过合理的工艺技术和设备手段来保证铺层质量。
此外，复合材料铺层的质量检测也是不可或缺的环节。
通过对铺层后的复合材料进行非破坏性检测、力学性能测试、热性能测试等手段，可以全面了解复合材料的质量状况，及时发现并解决潜在的质量问题，以确保复合材料在工程应用中能够发挥预期的效果。
总的来说，复合材料铺层是一项复杂而又重要的工程技术，其设计、工艺和质量检测都需要高度重视。
只有通过科学合理的设计、精湛的工艺技术和严格的质量管理，才能够制备出性能优异、稳定可靠的复合材料铺层制品，为各个领域的工程应用提供有力支撑。
在实际工程中，我们需要充分认识到复合材料铺层的重要性，加强对其设计、工艺和质量检测等方面的研究和探索，不断提高复合材料铺层技术水平，为我国工程技术的发展做出更大的贡献。
同时，也需要加强对复合材料铺层技术人才的培养和引进，为我国复合材料行业的发展注入新的活力和动力。
复合材料铺层设计
复合材料铺属谡计复金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戎织杨形成的复合材料单向层。
由两层或多层同种或不同种材抖铺层层合庄制而成的复合材料板材称为层合板。
复合材料层庄结构件的基本单元正是这种按各种不同铺层役计要素纽成的层今核。
本章主要介绍由壽性能连续纤维与树脂基体材料构成的层仝结构和夾层结构设计的基本原理和方比，也介绍复合材抖结构在导弹结构中的应用。
一＞层合核及其表示方法⑴轴层及其方向的表示铺层是层合板的基本结构单元，其厚度很萍，通帝约为0」〜0.3mmo铺层中增强纤维的方向或织杨彳至向纤维方向为材抖的主方向（1向：即纵向丿；垂直于增强纤维方向或织场的纬向纤维方向为材抖的另一个主方向（2向：印橫向丿。
1—2 坐标糸为材料的主坐标糸，又称正轴坐标糸’x・y坐标糸为设计参考坐标糸，如图10.1.1所示。
12图10.1.1 层材料正轴与偏轴坐标系和应力铺层是有方向性的。
铺层的方向用纤维的揣向角(铺屋角丿e表示。
所谓铺向角(铺尾角)就是铺层的纵向与层合板参考坐标X铀之间的爽角，由X铀到纤维纵向送肘针淡转为正。
参考坐标糸X-Y与材抖主方向重合则为正轴坐标糸。
X-Y 方向与材料主方向不重合则称偏轴坐标糸，如图10.1.1 (bj所示。
铺层的正抽应力与偏軸应力也在图10.1.1中标朗。
(2) $合核的表示方法为了满足役计.制凌和力学性能分析的需要，必须简朗地表示出层合板中各铺层的方向和层合顺序，故对层合板规定了朗确的表示方法，如表10」」所示。
二.单层复合材料的力学性能单层的力学性能是复合材抖的基本力学性能，即材抖工程常数。
由于单层很薄，一般仅考虑单层的面力学性能，故假设为平面应力状态。
单层点材料主軸坐标糸常是正交各向异性材料，A其主方向上芷一点处的正应支$只与该点处的正应力6i, 62有关，而与剪应力“2无关；同肘，该点处剪应支丫口也仗与零应力T a有关，而与正应力无关。
材抖工程常数共9个：纵向和橫向暉性模<•入和入2、主湎松比们2、纵横审切弹性棋受02,共四个弹性帚数；还有纵向拉伸和压缩務度X】、X2 ,横向拉伸与公编僅盛£、丫2,以横育切径废S共五个强度参数。
复合材料铺层一般原则
复合材料铺层一般原则一．层合板设计的一般原则（1）均衡对称铺设原则除了特殊需要外，结构一般均设计成均衡对称层合板形式，以避免拉-剪、拉-弯耦合而引起固化后的翘曲变形。
如果设计需要采用非对称或非均衡铺层，应考虑工艺变形限制。
将非对称和非均衡铺层靠近中面，可减小层合板工艺变形。
（2）铺层定向原则在满足受力的情况下，铺层方向数应尽量少，以简化设计和施工的工作量。
一般多选择0°、90°和±45°等4种铺层方向。
如果需要设计成准各向同性层合板，可采用或层合板。
对于采用缠绕成形工艺制造的结构，铺层角（缠绕角）不受上述角度的限制，但一般采用缠绕角。
（3）铺层取向按承载选取原则铺层的纤维轴向应与内力的拉压方向一致，以最大限度利用纤维轴向的高性能。
具体地说，如果承受单轴向拉伸或压缩载荷，纤维铺设方向一致；如果承受双轴向拉伸或压缩载荷，纤维方向按受载方向0°、90°正交铺设；如果承受剪切载荷，纤维方向按+45°、-45°成对铺设；如果承受拉伸（或压缩）和剪切的复合载荷情况，则纤维方向应按0°、90°、+45°、-45°多向铺设。
90°方向纤维用以改善横向强度，并调节层合板的泊松比。
（4）铺设顺序原则主要从三方面考虑：应使各定向单层尽量沿层合板厚度均匀分布，避免将同一铺层角的铺层集中放置。
如果不得不使用时，一般不超过4层，以减少两种定向层的开裂和边缘分层。
如果层合板中含有±45°层、0°层和90°层，应尽量在+45°层和-45°层之间用0°层或90°层隔开，在0°层和90°层之间用+45°层或-45°层隔开，并应避免将90°层成组铺放，以降低层间应力。
对于暴露在外的层合板，在表面铺设织物或±45°层，将具有较好的使用维护性，也可以改善层合板和压缩和抗冲击性能。
复合材料结构铺层细节设计探讨
复合材料结构铺层细节设计探讨文章简单介绍了复合材料铺层设计中对铺层顺序的细节设计时应注意的事项。
重点对铺层角的均衡性、同一铺层方向的数量、铺层的对称性、铺层角的分布和偏差、铺层过渡区作了介绍。
标签：复合材料；铺层设计；结构1 概述先进复合材料具有重量轻、比强度高、比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、尺寸稳定性好以及便于大面积整体成形等优点，在同等结构情况下比金属结构节省重量可高达40%，大大提高了燃油效率，改善了飛机整体性能。
进入21世纪后，复合材料结构因为其以上优点越来越多的被用于航空航天飞行器上。
波音公司的B787飞机复合材料用量超过机体结构重量的50%，空客公司的A350XWB飞机复合材料用量占机体结构重量的比例已达到53%。
我国正在研制的C919飞机也大量使用了复合材料，中航通飞公司在研的领航150轻型公务机机体结构全部采用复合材料。
复合材料结构的大量应用，要求我们提高对复合材料结构设计的认识，避免出现一些低级设计错误。
2 铺放顺序的细节设计合理设计纤维铺层角度，可优化局部部件的力学性能及其它性能。
目前航空领域最常用的铺设角度为0°、45°、90°、135°。
如果铺层角度铺放的不合理，会造成飞机研制重量和成本的增加，复合材料的优势也体现不出来。
这里重点介绍一下层压板的铺贴：2.1 铺层角的均衡性。
为了减少复合材料部件固化过程中产生的残余应力以及翘曲变形，层压板的铺层在承载方向应该是均衡的。
例如对于一个+α°角的铺层，应存在一个-α°的铺层与之对应。
表1 铺层角的均衡性2.2 同一铺层方向的数量要求。
为了抵制泊松效应，层压板中同方向的铺层数推荐值在8%～%67之间，如果由于特殊需要，层压板的铺层全部为45°/135°，这将是例外情况。
但上面出现的情况应该符合应力准则以及相应的生产制造规范。
2.3 铺层的对称性。
复合材料结构设计设计要求和原则
复合材料结构设计设计要求和原则1.强度和刚度要求：设计复合材料结构时，需要保证所选材料的强度和刚度满足设计要求。
根据实际使用条件和工作负荷，选择适当的复合材料，如碳纤维、玻璃纤维、金属基等，以满足结构的强度和刚度要求。
2.轻量化要求：复合材料结构的一个重要设计要求是实现轻量化。
由于复合材料具有较高的比强度和比刚度，可以在结构设计中使用更少的材料来实现相同的功能，从而减轻结构的自重。
轻量化不仅可以降低能耗和生产成本，还可以提高结构的性能和可靠性。
3.热膨胀匹配要求：由于不同材料的热膨胀系数不同，在复合材料结构设计中需要考虑材料之间的热膨胀匹配问题。
选择具有相似热膨胀系数的材料，或者通过采取合适的复合材料设计和工艺方法来改善热膨胀匹配性能，以减小结构在温度变化下的应力和应变。
4.基体和增强相的设计要求：在复合材料结构设计中，基体和增强相起着不同的作用，需要根据设计要求对其进行合理的选择和设计。
基体通常选择具有良好耐热性、耐蚀性和耐磨性的材料，而增强相则选择具有高强度和高刚度的材料。
同时，需要考虑基体和增强相之间的黏结力和界面效应，以确保复合材料结构的性能和可靠性。
5.界面设计要求：复合材料结构中的界面设计尤为重要。
界面质量直接影响到材料的性能和可靠性。
在界面设计中，需要考虑界面黏结强度、界面渗透性和界面应力分布等因素。
通过合理的设计和加工工艺，可以改善材料的界面性能，提高结构的性能和可靠性。
6.设计可加工性要求：复合材料结构设计不仅要考虑结构的性能和可靠性，还要考虑可加工性。
选择适合的复合材料和合适的加工工艺，能够提高结构的加工效率，降低生产成本。
同时，还需要考虑结构的易检修性和可再加工性，以提高结构的可维护性和可重复使用性。
7.安全性和环境友好性要求：在复合材料结构设计中，需要考虑结构的安全性和环境友好性。
通过合理的设计和材料选择，可以减少结构的潜在安全风险和环境污染。
设计中还需要考虑结构的耐久性、抗老化性和维修性，以确保结构的长期安全可靠运行。
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复合材料铺层设计准则的一些理解
摘要：该文介绍了复合材料飞机结构铺层设计的一些常用设计准则，特别针对最重要的对称性和均衡性设计准则，基于经典层合板理论进行了分析，同时对其它一些准则也作了一定的解释。
关键词：复合材料飞机结构铺层设计准则层合板理论
自20世纪70年代以来,现代复合材料凭借着优良的比刚度和比强度及其它的特性，如良好的疲劳性能等,在航空结构上得到了越来越多的应用,例如最新的波音B787以及空客A350XWB,在机翼和机身等主结构中大量地使用了复合材料。
复合材料有多种结构形式，其中以层合板（主结构的蒙皮，大梁，肋板，以及加强筋等）和蜂窝结构（一些次结构件的蒙皮结构等）最为常见。
针对层合板的结构形式，参考[1]中给出了一些设计准则。
本文引用了一些常用的铺层设计准则并结合自身设计经验以及一些参考文献进行了理解说明，尤其是对于最常用的对称性和均衡性准则，基于经典层合板理论进行了较详细的解释，对复合材料结构的铺层设计具有一定的参考意义。
本文介绍的复合材料铺层采用的是常用的（0°/45°/-45°/90°）四个方向的铺层。
1 层合板铺层设计准则
复合材料飞机结构铺层设计的一些常用设计准则有如下几点。
（1）层合板整体铺层须对称于中性面同时须遵循均衡性原则，即每一个+45°铺层对应一个-45°铺层。
这是为了避免出现拉弯扭耦合，防止加工过程中出现翘曲变形。
下一章将对这一准则从理论上进行较详细的解释。
（2）四个方向铺层，保证任一方向至少有10％的铺层比例（有些文献上要求至少8％）。
这个准则有多方面考虑：首先是考虑垂直于主受力方向的泊松效应以及其它载荷直接作用在基体上，其次是损伤容限的考虑，另外还要考虑到将来有可能需对螺栓连接进行修补。
（3）在螺栓连接区域，±45°铺层应至少占40％，这样做主要是为了最大化挤压强度（考虑打孔时对铺层的破坏）。
（4）尽量将不同的铺层角度均匀分布在整个铺层厚度中，避免相同角度铺层连续铺设。
这个准则是为了避免出现应力集中和内部微裂纹。
（5）表面铺层应当连续并且采用±45°铺层，这样做主要是考虑到±45°铺层有良好的损伤容限特性。
（6）相邻铺层方向应当小于60°，这样做是为了减小层间剪力，避免出现疲劳问题。
（7）对于二次固化的铺层，靠近固化位置的铺层应当避免垂直于受力方向，这是为了增强连接强度。
（8）当铺层有厚度变化时，注意应当逐层（相邻层间隔过渡）过渡，同时满足坡度角度要求（10°）。
需要特别注意：过度区域容易出现加工过程中的富胶现象以及应力集中和疲劳问题。
以上列举了一些常用铺层准则以及理解说明，下一章主要针对对称性和均衡性这一准则进行详细理论说明。
2 对称性和均衡性准则
本章将针对复合材料层合板铺层设计的对称性以及均衡性准则，运用经典层合板理论进行详细分析。
经典层合板理论
对于层合板，考虑如下假设[2]：
层合板变形前的中面法线，变形后仍垂直于中面，铺层之间没有滑移；
层合板厚度不变；
各铺层处于平面应力状态；
层合板各铺层的与其它应力相比可以忽略。
层合板的刚度方程如下所示：（方程的详细推导见参考[3]）
3 结语
本文引用了一些常用的铺层设计准则并结合自身设计经验以及一些参考文献进行了理解说明，尤其是对于最常用的对称性以及均衡性准则，基于经典层合板理论进行了较详细的解释。
对复合材料结构的铺层设计具有一定的参考意义。
同时应当指出，在真实设计中，由于各方面的限制，这些设计准则不能同时满足，这就需要根据实际结构受力以及其它约束条件来决定哪些准则应当优先满足。
另外，复合材料设计是一门交叉学科，本文仅仅列举了部分铺层准则，在真实设计中应当考虑雷击，温度，电化学腐蚀，加工，成本和重量等多方面因素。
参考文献
[1] Michael Chun-Y ung Niu. Composite Airframe Structures, Hong Kong Conmilit Press LTD. Sep., 1993.
[2] 张少实,庄茁.复合材料与粘弹性力学[M].机械工业出版社,2005.
[3] Ronald F. Gibson. Principles of Composite Material Mechanics, McGraw-Hill, Inc.1994.。