复合材料铺层一般原则

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1、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

2、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哆向铺设。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

3、，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。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。5)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%。(6) 冲击载荷区设计原则对于承受面内集中力冲击部位的层合板，要进行局部加强。应有足够多的纤 维铺设在层合板的冲击载荷方向，以承受局部冲

4、击载荷。还要配置一定数量与载 荷方向成45的铺层以便将集中载荷扩散。另外，还需采取局部增强措施，以 确保足够的强度。对于使用中容易受到面外冲击的结构，其表面几层纤维应均布 于各个方向，相邻层的夹角尽可能小，以减小基体受载的层间分层。对于仍不能 满足抗冲击要求的部位，应局部采用混杂复合材料，如芳纶或玻璃纤维与碳纤维 混杂。(7) 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。(8) 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

5、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。(9) 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。另外在开口时，切断的纤维应尽可能少。二层合结构和夹层结构设计的基本原理和方法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

6、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。1、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0.10.3mm。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）。 12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）e表示。所谓铺向角 （铺层角）就是铺层的纵向

7、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。2、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

8、主方向上某一点处的正应变1、E2只 与该点处的正应力。1、。2有关，而与剪应力t12无关；同时，该点处剪应变y12 也仅与剪应力T12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E1和E2、主泊松比V12、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E1E2, XY；而且拉伸与压缩强度不圉示说瞬09945/50/-5/0稱层方冏用镐向角需示拣由下向上的顺 序写出协网角

9、间用r分幵,全部诵层用严 fiLtW5合板偶数1 一09090Q0/901貝蓝出对称中鹿币药一半*审层.右打羽 加写下标査示对称数4500(45/0/901在对亦中両的层上加10顶标表示复诵层的层45/0J连 俺复堪的窿数用下礎字禾出具育谟续正C4590010/90/45逹纓正负汁层用“土载“广襄元上面 的箝寻衷示前 f 構 县下面湘輾示 后一H綾由务于子屋 合板构翩45445?【佝在卷合鞭內一T劉丈董期的多那鵰姐合 叫子层合橈.子层含檢的重复药用下破 芋示出*45(45X(050)织物用聲号（+ （严囚礎卿维方向表 示，径卿维在前蒔册瑚莊后4JK 哄叫心皿刑鲫羹用英好母T标出：c衰示碳 歼缝

10、，K表车談歼錐* G酚輙荻34耳045/0/Cjl面按诵层耘示同前” E代表翼芯，苴 下僚字養示襄芯團度朋忖为毫*. 1 , . / : ；10. 1.1层含的頁示法相等，即X1HX2, Y1HY2；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

11、为纤维体 积分数或纤维体积含量，其值通常控制在60%左右。3、复合材料结构的制造与成型工艺（1）制造与成型工艺的分类、特点与适用范围树脂基复合材料结构成型工艺方法多种多样，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。I鞋匝阳监磁 1空雀空皑 一评枚预应拔J一+力按理匯一纤懂协住城宜忡件艇尋一软仗圾祷J嶽扑说鬼|处接就唸曜在战潘塔戸怔口和幢皴仏1掘傅或彩_坷肪匪冋汎右|_ （科骑胖樓喊舊注人承溟何改朮的RTM沁M悔戚航十如干Jz引汕；- IS10 1 2树脂呈夏合封料绪梅翊工W方法分类示图图10.1.2中，属于改进的RTM方法有：真空铺助RTM（VR

12、TM）、差压RTM（DP-RTM）、热膨胀 RTM（TERTM）、自动化 RTM（ARTM）、连续化 RTM （CRTM）特住适用范围热压耀成形热压耀蛙供均湎勸昌度、赢压力场：制件虏量高； 但设善鼎隸棘臥大尺寸豐殛确 氏SS板屬性能构（半夏空压力（应時习温度嫌说益简亀 發少*1 g以不密标鮭 窝件压力嬪威形同眞空揍勰，医力铤力0- 2D 0 *f碗野t板姑件软複成形禧血胶翩悅呃陳瞰充社加压！?*復具刚厦足 够犬，井能加建共馴谨悯滋件压勵0压，視具即咚；尺寸谊悶，複貝谡计难，响洋 强虞爲尺寸箍腐叶片等忖!淹忤歼堆霍艇湊艸I的统楫JUz:再鏈EI化擁筒玉板轲自动t葫瞪纤标C 750 300帧朮）缺

13、豔漬后自跚敝穂M上， 莽脑、压卖，再经画化成理禺鯉幘件惬 生产殉t自前上銭詡后自动f羅櫃凹凸1夏型峦郛刖 量生产拉挤成理歼应钱慈殆直接遇过程JI快谨酬1施膨；连念 快環、腐效生产型林捉剛畫C RTM方注）树脂在面內压力卜证斛劉図威充件内后陶化成欣豪 謝宦査稈宽冈蟆足赅 井合谨安損寸恵环向和庄射人 口与冒口脚If状疫性好用寸赫庵毎三向核能鬲复杂高蛙删件n脂瞩喀也后相犀度才问晨i却碗件再固化氏理. 吐用单面員;制件z同性能毎 量复性田 尺寸藉 度同复杂鬲性甬辟勾件阐圍同化O 低压（梵空压力 固化树脂毎乎資 合材14的硯刑工三目詡讲性d海遇环筑楓詣构 件相当Nltfi生产茁构件电孑更固利用电子加更需

14、严生盒能田孑東弓股林牴固化：帘 陆罩征 力学瞬总気 固化时阖短. m” 趾环境i亏跖喬彗用树務正花返讶富弔化|（2）常用的成型工艺方法1）热压罐成型预浸料热压罐成型法是目前广泛应用的先进复合材料结构成型工艺方法。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。：#的菠落柚7ZZZ(V Wit 童空囹13樂压罐法肉型工W證2) 真空袋成型法真空袋成型工作原理如图10.1.4所示。其主要设备是烘箱、成型模具以及真 空系统。/空模貝S1O 1.4真空袋成形原谟图3）软模成型法软模成型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。传热隹层毛坯四个橡胶模芯钢模囹!a5软模法翼面成形丄艺示图4）缠绕法型