第04章-复合材料结构设计基础

复合材料结构设计基础张纪奎[e-mail]继教楼205提纲结构设计过程材料与工艺选择层合板设计结构设计复合材料结构设计过程结构设计目标：创建满足特定要求的结构，同时具有令人满意的特定品质。典型的设计要求配合、形状和功能作用的载荷耐腐蚀、耐油液等环境要求热膨胀系数匹配频率配置希望结构具备的品质最小重量最低成本维护修理简单装配过程中的互换性结构设计分析流程关于考试时间：6月7日18：00~20：00地点：主M301考试形式：开卷注意事项：带上计算器复合材料结构设计的内容材料与铺层设计结构设计与工艺选择复合材料结构设计的内容材料选择工艺选择铺层设计结构设计材料选择-纤维增强纤维是复合材料的承载主体，增强纤维品种及其体积含量一旦选定，由纤维控制的复合材料的力学性能就基本确定。已在飞行器结构中应用的纤维有碳纤维、凯芙拉（Kevlar）、玻璃纤维（S玻璃、E玻璃）和硼纤维等。对纤维类别的选择，应按比强度、比刚度、延伸率、热稳定性、性能价格比等指标，结合结构的使用要求综合考虑。材料选择-纤维碳纤维由于性能好，纤维类型和规格多，成本适中，在飞行器结构中应用最广。凯芙拉（Kevlar）性能虽然尚佳，但在湿热环境下性能明显下降，一般不用于主承力结构中玻璃纤维由于刚度低，通常只用于整流罩、雷达罩、舱内装饰结构等一些次要结构中。硼纤维因其直径太粗且刚硬，成形和加工比较困难，且价格十分昂贵，故应用不多。常用纤维的性能材料选择-树脂树脂基体是复合材料的另一组分材料，它对纤维起着支撑、保护并传递载荷的作用。基体性能对复合材料的横向力学性能、压缩和剪切性能、耐老化性能、耐湿/热性能、介电性能、阻燃性能、耐腐蚀性能等有决定性的影响复合材料成形工艺性能，如流变性能、粘性和铺覆性、凝胶时间、预浸料贮存稳定性、成形温度、压力、时间等是由树脂基体直接支配的常用树脂性能比较材料选择-选材原则按机体结构分类（主承力结构还是次承力结构）、受载情况和工作环境条件，选择具有良好耐使用环境性（耐湿热、耐冲击、耐介质等）的复合材料品种类型。所选复合材料的性能应与结构设计性能要求相匹配。B-2选材分析材料选择-选材原则按机体结构成形工艺选择与工艺相对应的树脂体系。即所选复合材料的成型工艺与结构成形工艺方法相匹配。所选材料应满足结构特殊性能要求。如民机内装饰材料应满足阻燃、烟雾、毒性等要求。个别结构部位应满足电磁屏蔽、搭接电阻、防静电等电磁性能要求。材料选择-选材原则应具有与不同材料良好的匹配性。所选各材料体系及其固化工艺之间应匹配协调。应避免或减少碳纤维复合材料与铝合金之间出现电偶腐蚀。增加钛合金用量减少铝合金用量说明了这一点。材料选择-选材原则应选择经适航认证的，有使用经验的成熟的材料，尽量压缩材料品种，保证供货渠道稳定可靠。设备改造费用和环境保护要求的投资费用少材料选择-主要考虑的材料性能材料的长期使用温度（一般由树脂基复合材料湿态玻璃化转变温度减去30℃确定）反映缺陷/损伤和环境因素影响的性能，主要有：冲击后压缩强度（CAI），室温、干态下开孔拉伸强度，湿/热条件下0°（纵向）压缩强度等。与固化成形工艺有关的参数材料选择-选材试验矩阵试验内容试验件数量评价重点低温干态室温干态高温湿态单层0拉伸66纤维控制性能0压缩66纤维/基体相互作用45拉伸66纤维/基体相互作用层合板（[45/0/-45/90]ns）开孔压缩66应力集中开孔拉伸66应力集中螺栓-挤压66挤压冲击后压缩3损伤容限材料的分散性材料的分散性A基准-99%试验结果大于该值B基准-90%试验结果大于该值单传力途径结构或主结构用A基准值多传力途径结构或次结构用B基准值刚度或弹性常数用典型值或平均值工艺选择-工艺方法复合材料成型工艺方法纤维预浸成型预浸料热压罐成型其他在线浸渍缠绕成型其他预成形体树脂转移成型树脂面内流动RTM其他树脂厚度方向流动RFI其他工艺选择结构外形构造及尺寸大小满足材料性能和结构质量要求生产批量大小，供货时间长短工艺设备及技术水平经济成本层合板设计又称铺层设计，最能体现复合材料应用单层与方向相关特性，是复合材料结构设计特有的内容。设计内容设计原则设计方法层合板设计内容铺层角铺层比例铺层顺序层合板设计的一般原则均衡对称原则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，应尽可能将非对称和非均衡铺层靠近中面，可减小层合板工艺变形。层合板设计的一般原则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。如需要设计成准各向同性层合板，可采用[0/45/90/-45]S或[60/0/-60]S层合板。层合板设计的一般原则对采用缠绕工艺制造的结构，铺层角不受上述π/4角度的限制，但一般采用±α缠绕角。层合板设计的一般原则铺层取向按承载选取原则层合板设计的一般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若承受单轴向拉伸或压缩载荷，纤维铺设方向与载荷一致；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；若承受剪切载荷，纤维按+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°多向铺设层合板设计的一般原则铺层顺序原则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。层合板设计的一般原则铺层顺序原则如果层合板中含有±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。层合板设计的一般原则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。另外，铺设顺序对层合板稳定性承载能力影响很大，这一因素也应考虑。层合板设计的一般原则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。另外，铺设顺序对层合板稳定性承载能力影响很大，这一因素也应考虑。层合板设计的一般原则铺层最小比例原则为使复合材料的基体沿各个方向均不受载，对于由方向为0°、90°、±45°铺层组成的层合板，其任一方向的最小铺层比例应≥6%~10%层合板设计的一般原则冲击载荷区设计原则局部加强配置一定数量的±45°层层合板设计的一般原则连接区设计原则应使与钉载方向成±45°的铺层比例≥40%，与钉载方向一致的铺层比例大于25%，以保证连接区有足够的剪切强度和挤压强度，同时也有利于扩散载荷和减少孔的应力集中。层合板设计的一般原则变厚度设计原则在结构变厚度区域，铺层数递增或递减应形成台阶逐渐变化，因为厚度的突变会引起应力集中。要求每个台阶宽度相近且≥60°，台阶高度不超过宽度的1/10。然后在表面铺设连续覆盖层，以防止台阶外发生剥离破坏。层合板设计的一般原则开口区铺层原则在结构开口区应使相邻铺层的夹角≤60°，以减少层间应力。开口形状应尽可能采用圆孔，因为圆孔边应力集中较小。若必须采用矩形孔，则拐角处要采用半径较大的圆角。开口时，切断的纤维应尽可能少层合板设计方法等代设计法准网络设计法排序设计法毯式曲线法气动剪裁设计优化设计法特殊设计等代设计法在载荷和使用环境基本不变的情况下，稍微考虑一些复合材料的特点，采用相同形状(或适当改变形状)的复合材料构件代替其他材料，并用原来的设计方法进行设计。一般采用等刚度设计后，再作强度校核。减重效果可达10%~15%。准网络设计法不考虑机体的刚度和强度，仅考虑纤维的刚度和强度，按应力方向和大小确定铺层比例和总数的设计方法。又称应力比设计方法。适用于面内变形下的层合板设计。毯式曲线设计法毯式曲线：复合材料的工程弹性常数或强度随层合板铺层比例变化所构成的列阵图。毯式曲线设计法毯式曲线设计法:对于设计给定刚度或强度要求的层合板，利用毯式曲线确定各定向单层的比例和层数。步骤：(1)利用经典层合板理论，画出毯式曲线(2)确定铺层比例和铺层数毯式曲线设计法毯式曲线设计法毯式曲线设计法毯式曲线设计法毯式曲线设计法毯式曲线设计法气动弹性剪裁法气动弹性剪裁法则是利用复合材料的各向异性及其各种耦合效应进行铺层设计，以获得预期的结构柔度特性或产生某种希望的特定变形规律来提高设计性能和静、动气动弹性特性(如提高机翼的颤振速度；防止前掠翼的扭转扩大并提高其发散临界速度)。气动弹性剪裁法前掠机翼布局虽有其特有的优点，但当采用金属材料时，因无法克服扭转扩大的静气动弹性问题而无法采用。复合材料前掠翼则可利用气动弹性剪裁设计使之成为可能。如美国早期研制的x—29A前掠翼验证机的机翼外侧部位蒙皮的铺层就是通过气动弹性剪裁设计，利用了对称非均衡层合板的拉—剪耦合和弯—扭耦合效应。气动弹性剪裁结构设计结构设计的一般原则结构设计应考虑的工艺要求许用值与安全系数典型构件的设计复合材料设计的一般原则按限制载荷设计，按极限载荷校核安全系数=极限载荷/限制载荷限制载荷：正常使用过程中可能出现的最大载荷要求结构在该载荷下不产生残余变形极限载荷：设计中用来进行强度计算的载荷要求结构在该载荷下刚开始或接近破坏复合材料设计的一般原则复合材料的许用值分为许用值-试验测定设计值-设计师规定许用值数据分散性处理与选用A基准值(95%,99%)-主承力或单传力途径B基准值(95%,90%)-次承力或多传力途径复合材料的许用值是指许用应变，金属一般是许用应力复合材料设计的一般原则强度准则只适用于复合材料单层，未规定强度准则时，一般选用蔡-吴张量准则222112266111222666121221FFFFFFF111111,tctcaFFXXXaX222111,tctcaFFYYYaY666210,FFaSa121122/2FFF复合材料设计的一般原则当结构使用范围很宽或材料在不同温度下性能变化较大时则应力分析选取的力学性能数据应按温度区间选取弹性常数选取相应温度区间测定的平均值强度计算采用材料在相应温度区间的许用值外载荷应选取相应温度区间各工况情况的最大使用载荷复合材料设计的一般原则复合材料结构在限制载荷作用下，不允许结构有永久变形。有刚度要求的一般部位，材料弹性常数的数值可选取对应温度区间的平均值；对于刚度有严格要求的重要部位，需要选取对应温度区间的B基准值。复合材料设计的一般原则结构的可修理性和可更换性在初步设计阶段就应予以考虑安排，可修理性设计应有试验支持复合材料设计的一般原则雷电防护措施应安全可靠EADS公司的CEO路易斯.加卢瓦曾反对复合材料机身设计，认为不利于防雷击。工程人员提出了金属内部构架和复合材料蒙皮混合结构，通过金属结构网络形成“电网”，解决这一问题。许用值与安全系数许用值(Allowables)设计值(DesignValues)安全系数许用值-定义通常指在一定的载荷类型与环境条件下，主要由试样试验数据，按规定要求统计分析后确定的具有一定置信度和可靠度的材料性能表征值由层合板或单层级试验数据确定的概率基础上的材料性能值A基准值，具有95%置信度、99%存活率B基准值，具有95%置信度、90%存活率试验量取决于数理统计的（或基准值）需要许用值许用值是材料在结构设计中应用的技术基础，也用于材料验收、等同性评定和质量控制确定许用值是材料使用方的责任。材料供应商仅提供材料基本信息。许用值的测定应按适航认定的标准和程序进行，承试单位需经适航当局认证(民用)材料弹性模量：E1、E2、v12、G12平均