《无人机复合材料结构设计与制造技术》第3章 无人机复合材料结构设计

无人机

复合材料结构设计与制造

（3·无人机复合材料结构设计）设计的定义和内涵所谓设计，便是一个创造性的综合信息处理过程，通过多种元素如线条、符号、数字、色彩等方式的组合把产品的形状以平面或立体的形式展现出来。它是将人的某种目的或需要转换为一个具体的物理或工具的过程；是把一种计划、规划设想、问题解决的方法，通过具体的操作，以理想的形式表达出来的过程。（1）设计是创造性的思维过程。（2）设计是全面、综合的辨证过程（抓主要矛盾）。（3）设计具有不唯一性及反复性的特征。（4）设计与科学实验紧密相关，两者相互促进、相互影响和相互印证。（5）设计具有继承性。无人机结构设计的定义无人机结构设计是指设计人员根据预定设计目标要求和约束条件，充分利用分析系统、设备、工艺等条件，应用与无人机结构相关科学技术知识，通过分析、综合和创造思维将结构设计要求转化为一组能完整描述无人机结构的参数（文档、图纸和软件）的活动过程。无人机结构设计是一门应用科学，其内容涉及无人机的空气动力学、飞行动力学、结构动力学、气动弹性力学、材料力学、航空发动机、自动控制技术、计算机技术、自控软硬件以及制造工艺等多种学科和专业技术领域。完美的无人机结构设计离不开科学性和创造性，其设计过程是一个不断追求完美的过程无人机结构设计的约束条件无人机结构设计的约束条件是指在进行结构设计之前，结构设计人员应该知道的外部条件，包括：1）结构的几何形状协调2）结构的外载荷3）结构的使用条件

（1）环境条件。（2）起降场所条件。（3）维修条件。4）结构的生产条件无人机结构设计的基本要求1）空气动力学要求2）强度、刚度和重量要求3）结构动力学要求4）最短传力路线要求5）耐损性要求6）使用维护要求7）工艺要求无人机结构设计的基本内容无人机结构设计是根据结构设计的原始条件，结合结构设计的基本要求，提出合理的设计方案，经过具体细节设计、分析、计算或试验等，绘制出结构图纸，在需要时还需写出相应的技术文件，以使生产单位能根据这些图纸和技术文件进行生产。（1）结构打样设计。（2）零构件设计。（3）装配图设计。

零构件图与装配图是生产图纸，需提供给生产单位生产使用。随着计算机和数字化技术的发展，原来手绘的二维图纸已被数字化的电子图所代替，三维电子图已成为设计图纸主体。无人机结构设计的重要性无人机任何一个的结构件的设计与制造均涉及设计、材料、制造及质量控制等多个环节，只有当这些环节密切配合形成一个有机整体或一个技术体系时，才能最大限度地发挥结构材料的本质优势。无人机复合材料结构设计的定义无人机复合材料结构设计分为两个互相关联的层次：（1）材料设计。由于目前无人机大多复合材料结构都采用薄壁的层压结构，所以材料设计通常是纤维增强的层合板设计，也就是铺层设计。（2）结构设计。无人机复合材料结构设计目标与通用的（金属材料）结构设计目标基本相同，但复合材料在性能、失效摸式、耐久性和损伤容限机理，以及制造工艺、质量控制等方面与金属材料有显著差异。对此，结构设计要求必须做出补充和完善。无人机复合材料结构设计必须从材料设计开始，而且材料设计是结构设计的主要内容，这两者是同时进行的，这是复合材料结构设计不同于通用的（金属材料）结构设计的特点之一。复合材料力学的定义（1）常规材料（如金属）存在的力学问题，在复合材料中依然存在。（2）复合材料中还有许多常规材料（如金属）中不存在的力学问题，如层间应力（层间正应力和剪应力耦合会引起复杂的断裂和脱层现象）、边界效应以及纤维脱胶、纤维断裂、基体开裂等问题。（3）复合材料的材料设计和结构设计是同时进行的，因而在复合材料的材料设计、加工工艺过程（如材料铺层、成型工艺）和结构设计过程中都存在力学问题。合材料力学的类型（1）细观力学细观力学把纤维和基体看作是基本元件，把纤维和基体分别看成是各向同性的均匀材料，根据纤维的集合形状和布置形式、纤维和基体的力学性能、纤维和基体间的相互作用等条件来分析复合材料的宏观力学性能。（2）宏观力学

宏观力学是从材料是均匀的假定出发，只从复合材料平均表观性能检验组分材料的作用来研究复合材料的宏观力学性能。宏观力学把复合材料的单层材料看成均匀的各向异性材料，不考虑纤维和基体的具体区别，用其平均性能来表示单层材料的刚度、强度特性，可以较容易地分析单层和叠层材料的各种力学性质，所得结果较符合实际。宏观力学的基础是预知单层材料的宏观力学性能，如弹性常数、强度等。复合材料损伤的类型（1）基体开裂。（2）界面脱粘。（3）分层（层间开裂）。（4）纤维断裂。由这四类损伤的不同组合而形成综合损伤，随着损伤区域和尺寸的增大，宏观裂纹扩展，最后达到材料的断裂破坏。复合材料的破坏过程是由原始缺陷，微小损伤，随荷载增大损伤，裂纹扩展，直至宏观裂纹扩展到断裂的复杂过程。复合材料损伤的来源（1）1）制造阶段（1）空隙、富胶、贫胶。（2）外来物夹杂。（3）不正确的纤维取向和铺层顺序。（4）结构件机械加工和装配过程中产生的缺陷（5）划伤、有缺陷孔和过紧连接。2）使用阶段（1）划伤、擦伤、边缘损伤。（2）外来物冲击引起的分层、脱胶、凹痕和穿透性损。复合材料损伤的来源（2）3）环境损伤（1）雷电冲击引起的表面烧蚀和分层（2）冰冻/熔化引起的湿膨胀。（3）热冲击造成的分层和脱胶（4）夹芯结构水分浸入引起的分层等。4）冲击损伤冲击损伤不可避免，包括常用工具坠落冲击，冰雹冲击，跑道碎石或轮胎冲击，飞鸟撞击，维护和修理工具设备碰撞等。冲击后压缩可能的破坏模式有：（1）总体失稳和局部屈曲耦合。（2）冲击背面局部屈曲。（3）冲击区两表面的局部屈曲。（4）层板总体失稳。复合材料破坏的特点（1）不同纤维分布对缺陷的敏感性不同。（2）两种破坏模式：整体损伤模式和裂纹扩展模式。（3）层合板的多重开裂复合材料断裂从细观上有几种形式，如纤维和基体整体断裂；纤维拉断后由于与基体界面结合较弱，纤维断头从基体内拔出，纤维不断，主裂纹跨过纤维在基体内传播，形成“桥联”的断裂形式等。复合材料的疲劳特性

尽管复合材料初始缺陷损伤尺寸比金属材料大，例如纤维断开、基体开裂、纤维与基体脱胶、层间局部脱离等，但疲劳寿命比金属长，同时复合材料疲劳损伤是积累的，有明显的征兆，金属材料损伤积累是隐蔽的，破坏有突发性。金属材料在交变荷载作用下往往出现一条疲劳主裂纹，它控制最后的疲劳破坏。而复合材料往往在高应力区出现较大范围的损伤，疲劳破坏很少由单一的裂纹控制。无人机复合材料结构设计特点1）材料性能的可设计性2）设计/制造的一体化3）材料的缺陷敏感性4）结构的整体性5）承载路径的连续性6）结构良好的工艺性：结构性能满足结构设计指标要求、配合精度满足装配要求，优先选用成熟的成型工艺方法，制造成本低，便于维修，合理的连接设计，结构与环境的相容性。无人机复合材料结构设计过程

综合设计思想是指在最大限度地满足无人机复合材料结构设计实质性要求前提下，按照无人机结构设计各项基本要求及复合材料的特性进行综合评估，并将综合评估的结果以权值方式融入到无人机结构设计中。积木式方法原理积木式方法（BBA）以支持技术为保障，综合考虑设计各项要求，按照试件尺寸和时间规模、环境复杂程度逐级增加、数量逐级减少，后一级利用前一级结果进行的，试验与分析相结合的低技术风险、低费用复合材料设计研制和验证/取证技术积木式方法的一般步骤1）第一步建立材料性能：对准备使用的每种复合材料拟定并实施一个适当的材料设计许用值试件试验方案。

2）第二步确定试验设计值：在第一步的基础上引入一定的尺寸效应（通常是初步构型的尺寸），其中包含元件级试验和组合件试验，主要目标是进一步稳定设计许用值，确定一般元件制造缺陷影响和工艺敏感度。

3）第三步静力和疲劳试验：使用全尺寸结构件进行试验。进行到设计极限载荷为止，用于验证之前的出的应力-应变曲线,与金属构件最终力学试验类似

积木式方法的裁剪1）第一步建立材料性能：一般各主要复合材料厂商已经建立起丰富完整的材料体系，材料可以直接进行采购。

2）第二步确定试验设计值：将主要元件、组合件制造完成，试验可综合考量设计、工艺和制造的耦合效应，可以较为准确的修正设计许用值。

3）第三步静力和疲劳试验：将部件试验同整机试验结合进行，对结构整体性能进行综合评估。复合材料许用值的定义和分类1）复合材料许用值的定义复合材料许用值是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复合材料力学性能表征值。复合材料性能表征取决于材料本身的物理和化学构成，而与具体应用无关。2）复合材料许用值的分类（1）材料工程常数。（2）材料许用值。（3）设计许用值。材料许用值材料许用值建立在复合材料基础构件试样试验和统计数据分析之上，主要描述或表征复合材料基础构件的性能。1）材料许用值的表征：用于评估材料的分散性、环境影响，以及用作确定设计许用值的基础，并给出用于设计分析的模量值。2）材料许用值的试验：基础构件试样的试验3）试验数据的统计分析：采用统计分析方法对复合材料的性能试验数据进行统计分析，并给出基于统计的材料许用值。设计许用值设计许用值是结构设计思想、设计要求的具体体现和设计师设计经验与教训的结晶。1）静强度设计许用值2）疲劳强度设计许用值3）损伤容限设计许用值4）针对修理的设计许用值结构静强度设计要求（1）在材料试验统计（材料许用值）的基础上制定设计许用值（2）在使用载荷下结构不产生有害的损伤或承载能力下降。（3）必须考虑温度对设计许用应力的影响。（4）应力分析可按结构使用温度划分温度区间，材料弹性常数取平均值。（5）缺陷和损伤不影响结构承载能力。（6）结构必须能够承受极限载荷至少3秒钟而不破坏。（7）强度评估应采用已经验证的单层失效准则，得到最先一层

失效承载能力。（8）通过设计载荷下的部件试验程序来验证静强度。（9）对铺层的强度计算应采用已经验证的失效准则。结构刚度设计要求（1）结构必须能够承受各种规定的使用载荷，而不产

生不能容许的残余变形。（2）应充分利用复合材料铺层的可设计性，通过合理

选取铺层角、铺层比和铺层顺序，以最小的质量

达到满意的刚度。（3）弹性常数可选取对应温度区间内的典型值。结构稳定性设计要求（1）对主承力结构总体失稳不允许在设计载荷下发

生，局部失稳也不允许在设计载荷下发生。（2）对次承力结构的总体失稳不允许在设计载荷下发

生，局部失稳不允许在使用载荷下发生。（3）局部失稳一般考虑蒙皮壁板（压剪）失稳和梁、

肋腹板剪切失稳。结构疲劳/耐久性设计要求（1）必须使灾难性疲劳破坏概率减至最小，特别在应力集中处（2）在使用寿命期内结构不允许出现开裂、分层、脱胶、变形（3）结构的经济寿命必须大于设计使用寿命。（4）结构设计时必须考虑使用中可能引起的冲击损伤。（5）应考虑由低能量冲击所引起的损伤，提高抗冲击损伤能力（6）注意损伤敏感区的防护。（7）初始质量允许有目视勉强可检的低能量冲击损伤和缺陷。（8）疲劳数据分散性大，对压缩载荷和高载荷敏感；疲劳寿命对高载荷的数目敏感；薄层合板蒙皮和蜂窝夹层板对低能量冲击损伤敏感。（9）疲劳损伤扩展是可能发生的基体开裂、分层，界面脱胶和纤维断裂等多种损伤形式的无规则扩展与它们组合积累的结果，往往是缺乏规律性的。结构损伤容限设计要求（1）冲击损伤设计要求。要考虑可能遇到的最大冲击

所引起的损伤。（2）分层和划伤设计要求。假定缺陷的类型和尺寸来

进行剩余强度分析。（3）剩余强度设计要求。应有足够的损伤容限能力，

能承受合理水平的载荷。（4）损伤扩展设计要求。在两倍使用寿命期内初始缺

陷/损伤尺寸应不增长。（5）特殊功能设计要求。要考虑特殊功能要求，如耐

腐蚀、防静电、抗雷击、透波、电磁屏蔽等胶接接头的损伤容限设计要求

如现有的制造技术无法保证每个胶接接头均能达到其设计强度，无损检测又无法检测出所有的脱胶或弱胶接缺陷时，必须采用以下方法，证实危及飞行安全的关键结构件中每一胶接接头的承载能力不低于使用载荷。（1）必须用分析、试验或同时使用这两种方法来确定承载最大载荷时，每个胶接接头允许出现的最大脱胶区域，并通过细节设计来防止产生大于这一区域的脱胶可能性。

（2）必须对每件制成品进行验证试验，试验时对每一关键胶接接头施加最大载荷。结构动力学设计要求（1）对振动比较严重的结构，必须按照频率控制设计

原则，响应控制原则以及声疲劳寿命要求进行动

力学设计。（2）复合材料结构的动特性，动响应和声疲劳性能均

与层合板中铺层的铺设方