第5讲-典型构件设计

1、复合材料复合材料典型结构件设计典型结构件设计 张纪奎张纪奎继教楼继教楼205205提纲提纲v壁板设计壁板设计v结构连接设计结构连接设计v创新结构设计创新结构设计壁板设计Q按结构形式可分为单向加筋板、格栅壁板、多腹板结构壁板等Q目前翼面壁板使用较多，这主要由于 1、应变应力水平高，更容易发挥复合材料性能上的优势，减重效果明显； 2、外形简单，一般为单曲度，制造相对容易； 3、结构简洁，开口较少，需经常检查维护部位不多，形成维护损伤的可能性也较少。单向加筋壁板Q 只有纵向加筋只有纵向加筋格栅壁板纵、横向筋纵、横向筋条与蒙皮一条与蒙皮一起，一次固起，一次固化成形，结化成形，结构的整体性构的整体性好，

2、重量轻好，重量轻，壁板外表，壁板外表面光整，但面光整，但制造复杂。制造复杂。加筋条的截面形状开剖面加强筋工艺性明显优于闭剖面加筋强筋；开剖面加强筋工艺性明显优于闭剖面加筋强筋；闭剖面加强筋的扭转刚度和弯曲稳定性能大大优于开剖闭剖面加强筋的扭转刚度和弯曲稳定性能大大优于开剖面加强筋。面加强筋。加筋条的截面形状Q从蒙皮与加强筋结合考虑，L形（角形）加强筋易发生分层，应认真设计。T形和II形剖面推荐选择。加筋板的破坏形式加筋壁板的结构设计Q除应遵循结构设计的一般要求外，还需满足应变要求和稳定性要求。即在设计载荷下，构件的应变不得超过规定的设计许用值。Q对于重要构件，在极限载荷下不允许屈曲。Q只有次要

3、构件采用在限制载荷下不得屈曲，在极限载荷下允许屈曲的要求，Q而允许在限制载荷下进入屈曲，只限于薄板（厚度1mm左右）。蒙皮主要由45层构成，根部16层，翼尖10层，中间部位14层，壁板周边16 34层，主要为提高连接强度。L-1011L-1011复合材料垂尾壁板铺层的实例复合材料垂尾壁板铺层的实例结构连接设计Q复合材料连接主要分为胶接连接、机械连接和混合连接三种类型。Q胶接连接是借助胶粘剂将零件连接成不可拆卸整体的连接方法，它适用于传递载荷较小的部位。Q机械连接借助于紧固件，把两个以上零件连接成一个整体的连接方法，它适用于传递较载荷较高或可靠性高的部位。机械连接和胶接对比胶接连接设计Q选择合理

4、的接头形式。接头形式的选择应尽量使作用载荷主要使胶层受剪应力；避免使其受到法向应力，以防止发生劈裂和剥离破坏。胶接连接设计Q尽可能减少应力集中，单搭接接头在板件边缘制斜面或倒角单搭接接头在连接处布置横向构件可改善接头的受力状态，降低剥离应力胶接连接设计Q待胶接表面的纤维方向最好与载荷方向一致(或成45度角)；不能与载荷方向垂直，以免过早发生胶接处层间剥离破坏两个相贴合待胶接件表面泊松比应尽量匹配。Q承受动载荷时，应选用低模量韧性胶粘剂，高温工作时，要注意热膨胀系数匹配Q工艺尽可能简单，以降低制造成本螺栓连接设计螺栓连接设计螺栓连接设计螺栓连接设计复合材料机械连接强度及破坏模式与接头的几复合材料

5、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。何参数、纤维种类及铺层方向等多种因素有关。应设计为与挤压破坏有关的破坏形式应设计为与挤压破坏有关的破坏形式机械连接设计的原则Q推荐使用高锁螺栓以及专门为复合材料设计的虎克铆钉、高锁环槽铆钉等紧固件。紧固件材料应使用钍合金或不锈钢，并采用涂以密封胶的湿装配，以防止电偶腐蚀。对结构整体油箱区的紧固件应采用密封措施，如涂密封胶或加塑料帽套等。机械连接设计的原则Q碳纤维复合材料呈脆性，多钉连接时脆性使各钉孔的承载严重不均。加之孔引起的应力集中比金属结构严重。故如有可能，尽量采用不多于两排的多钉连接；并建议选用比铝结构更大的端距；

6、构件的铺层中45度层一般不少于40，90度层至少占10比较合理，也可以在连接区采用碳纤一玻纤混杂构成刚度较小的软化带，它对连接强度有所改善。机械连接设计的原则Q接头形式与金属结构类似，双剪较单剪接头好，斜削和阶梯形接头可改善多钉连接时钉载分配的不均匀性一、一、“纤维取向纤维取向”设计设计 新的复合材料结构方案 “纤维取向”设计的目标是力求最大限度地利用纤维复合材料的方向性，以及保持结构中传力路径的连续性。在结构设计时，为保持纤维及其承载路径的连续性，应尽量避免纤维中断。解决载荷参与问题的设解决载荷参与问题的设计措施是布置相应的传计措施是布置相应的传力元件将轴向力转化为力元件将轴向力转化为剪切力

7、或是将分散的轴剪切力或是将分散的轴向力聚集为集中的轴向向力聚集为集中的轴向力，反之亦可。因此，力，反之亦可。因此，结构中将要出现一个传结构中将要出现一个传力参与区。由于力学特力参与区。由于力学特性的差异，复合材料结性的差异，复合材料结构的传力参与区比金属构的传力参与区比金属结构的要大。一种创新结构的要大。一种创新的设计构想是将一个层的设计构想是将一个层合板的全部或部分纤维合板的全部或部分纤维聚集成为一个或几个承聚集成为一个或几个承力接头以集中传力。力接头以集中传力。“纤维取向纤维取向纤维取向纤维取向纤维取向纤维取向”设计设计设计设计设计设计Q采用网格结构，在网格交叉处不同方向的纤维可以相互交叠

8、而不必断开，从而保持了纤维的连续和平直。对于圆柱和圆锥形壳体来讲，采用网格结构更是一种高效率结构，因其能进一步增大壳体的承载能力和提高结构的使用效率。 整体化整体化”设计设计Q“整体化”设计的目标是力求充分利用复合材料的加工特点和不断创新的工艺方法，提高复合材料结构的整体化程度Q纤维缠绕成形是一种先进的工艺方法，能充分发挥连续作业的特点，也可以充分利用纤维的承载能力。火箭壳体大都采用这种成形工艺，随着缠绕技术的不断发展，已逐步扩大到某些机体结构。整体化设计整体化整体化”设计设计Q采用全高度蜂窝夹层结构进行设计Q采用预成形织物和RTM工艺制造整体件。Q翼身融合整体件研制与设计，可以充分利用复合材

9、料的优点，改善结构的受力特性，显著地降低结构重量。其他新型结构方案设计 Q中空台阶网格结构。这项设计包括蒙皮和预制好的中空台阶网格，网格安装在蒙皮上。整体结构可制成一个整体件而不需额外的紧固件，从而可在保证足够的强度和刚度条件下减轻结构重量。三、其他新型结构方案设计三、其他新型结构方案设计三、其他新型结构方案设计三、其他新型结构方案设计三、其他新型结构方案设计三、其他新型结构方案设计 整体预应力加筋壁板。受土木工程中预应力钢筋混凝土结整体预应力加筋壁板。受土木工程中预应力钢筋混凝土结构的启迪，在某些复合材料结构中也可采用预应力结构。构的启迪，在某些复合材料结构中也可采用预应力结构。可以在整体加筋壁板可以在整体加筋壁板的筋条处嵌入加有预的筋条处嵌入加有预拉力的高拉伸强度纤拉力的高拉伸强度纤维束，从而进一步提维束，从而进一步提高结构的承载能力。高结构的承载能力。l连续碳纤维网架穿插，连续碳纤维网架穿插，三维编织，有效避免三维编织，有效避免分层问题分层问题l该结构节点由纤维交该结构