复合材料结构设计

第三章复合材料结构设计名词概念结构选材层合板铺层设计结构元件设计细节设计开口区设计连接设计耐久性/损伤容限设计名词概念铺层：复合材料制件中的一层单向带或织布（0.1~0.3mm)层合板：由单向或多向铺层压制而成的复合材料板铺向角/铺层角：每一铺层的纤维方向与制件参考坐标x轴之间的夹角（由x轴到纤维方向逆时针旋转为正）铺层铺层组：一组具有相同铺层角的连续铺层。铺层顺序：铺贴中具有各种不同铺向角的铺层的排列次序（紧贴模具型面的铺层作为第一层）铺层编号：npmn:零件图号p:铺层代号m:铺层序号子层合板：层合板内一个多次重复的多向铺层组合对称层合板：全部铺层及其各种特性和参数相对于板的几何中面镜面对称的层合板均衡层合板：铺层的各种特性和参数相同，铺向角为+θ和-θ的铺层数相等的层合板。

如[603/-603]，[0/+452/90/-452]均衡对称层合板（工程上常用的层合板大多是均衡对称层合板）

如[602/-602]s正交层合板：只有0o和90o铺层的双向层合板。如[0/90]s,[02/90]s斜交层合板：只含有+θ和-θ铺层的双向层合板。如[30/-30]sπ/4层合板：有四个铺层方向，彼此相隔45o，各铺层组可具有任意厚度的对称层合板。如[02/45/90/-45/0]s一般层合板：主要是非对称层合板，或有不同铺层材料组成的混合式层合板。如[0/+45/-45/+45/90/0]层间应力：除层板的三个面内应力外，沿两个铺层间的界面上产生的、与厚度方向有关的三个应力分量。其中两个剪切分量称为层间剪应力/横向剪应力。使用载荷（限制载荷）P使用：飞机使用中所允许的最大载荷思想：在该载荷下，构件的应力临近比例极限强度，但是未出现永久变形，不妨碍安全运行。设计载荷（极限载荷）

P设计：在一定的安全裕度下，对飞机结构按照某一高于使用载荷的载荷进行设计，该载荷即设计载荷。思想：结构在某一构件破坏时所能承受的最大载荷。

使用载荷<设计载荷安全系数：定义：P设计/P使用物理意义：实际使用载荷要增大到多少倍结构才破坏。

倍数，结构的强度储备系数。确定大小的原则：最小重量原则（强、刚、重）疲劳安全寿命：仅考虑从无裂纹——宏观可检裂纹的寿命（认为无初始缺陷），出现可检裂纹即认为结构破坏

损伤容限：承认结构存在初始缺陷，但须在未修的使用期内将初始缺陷和使用中缺陷发展的程度控制在一定范围，即含缺陷或裂纹的结构承载能力、缺陷的允许程度（安全裕度），可确定检查周期

原因：结构通常存在初始缺陷（材料、生产制造、装配等不可避免的漏检裂纹、缺陷）（在重复载荷下不断扩展）损伤容限结构类型破损安全：表示：η

破损≥η使用=η设计

/安全系数含义：某结构元件破损后，其残余结构还能承受一定的载荷，并在下一次检查前不会出现结构破坏；检查出此破损后，应加以更换或维修。适用性：可检部位、超静定多传力结构缓慢裂纹扩展：表示：L出现裂纹→临界裂纹

≥L设计

含义：要求在整个使用寿命期内，裂纹应缓慢发展，以使其不会达到临界裂纹长度。

不考虑无裂纹寿命适用性：不可检部位

经济寿命：结构出现某种损伤，使得进行修复反而不经济的时限

（修理不经济，不修又影响使用）耐久性：飞机结构的耐久性是指飞机结构在规定的经济寿命期间内，抵抗疲劳开裂、腐蚀、热退化、剥离、磨损和外来物偶然损伤作用的一种固有能力。耐久性设计思想：在整个使用寿命期内使飞机的维护费用最少且保证飞机有良好的出勤状态

（a）正轴坐标系和应力（b）偏轴坐标系和应力层合板/层压板的表示法：图示法（直观）和公式法（简便）单向层合板的基本强度

铺层的基本强度，复合材料在面内正轴向的单轴正应力或纯剪力作用下的极限应力（5项：单向板纵向和横向拉、压强度；面内剪切强度）。层合板的强度

1、最先一层失效强度

各单一铺层应力分析→计算各铺层强度比→比较（强度比最小的铺层最先失效，其对应的正则化内力）（强度比：材料强度极限同结构所受对应应力的比值）2、层合板极限强度导致层合板中各铺层全部失效时的层合板正则化内力（层合板逐层失效）层间应力强度：复合材料层合板抵抗层间应力的能力与基体强度为同一量级产生原因：1、横向载荷2、自由边界效应

自由边、孔周边等处存在层间应力集中后果：易导致分层破坏飞机结构设计的基本要求气动性能要求：保证飞机具有合理的气动外形和好的表面质量（否则飞行性能和品质变差）最小重量要求：保证在足够的强度、刚度、疲劳安全寿命、损伤容限等条件下，结构重量最轻结构重量系数：飞机结构重量/飞机正常起飞重量

的百分比

第一代→第四代歼击机

35%→33%→30.5%→28%设计和制造人员的重要使命：减重

口号：“为减轻飞机的每一克重量而奋斗”使用维护要求：便于使用、维护、修理结构工艺性要求：便于加工、装配经济性要求：飞机的主要成本（设计、制造和运营

)复合材料结构设计：包括选材、层合板铺层设计、结构元件设计、连接设计、细节设计等1、设计要求材料性能必须考虑环境因素的影响。结构静强度和刚度必须考虑重复载荷和环境引起的结构性能退化。疲劳和损伤评定要建立不同于金属的缺陷/损伤的评定原则。防止与复合材料相接触的金属构件电偶腐蚀。复合材料结构须进行防雷击设计（如翼尖、前缘、机头等部位）。满足工艺性要求时尽量采用低成本和整体成型制造工艺。2、设计原则1）提高结构效率铺层设计要扬长避短（充分利用纤维方向优良性能，避免弱的横向和剪切性能）选择合理的结构型式，突变区注意铺层过渡，敏感区采取措施提高结构的制造整体性（减少——紧固件、装配工作量、重量）2）保证结构载荷传递（承载路径尽量连续、避免偏心、避免切口等）3）具有良好的工艺性（质量好、成本低、成型和装配时造成的缺陷少）避免铺层设计不合理：如铺层不对称和同一铺层角铺层数集中过多（固化过程中引起弯拉扭耦合——翘曲变形、树脂裂纹、分层等）、拐角圆角半径过小（纤维断裂、纤维架桥、富脂等）装配时不能锤铆，不能敲打（树脂较脆）4）主结构、关键部位设计要考虑损伤容限能力5）考虑结构同环境的相容性（腐蚀、雷电等）3、设计方法的特点选材时不仅考虑其机械性能，而且考虑使用温度范围、湿/热引起的性能退化、损伤容限、材料工艺性等结构设计同材料设计同时进行（金属是按手册上的性能数据选择材料，然后进行结构设计；复合材料是结构与材料一次成型，作为材料的层合板机械性能也具有可设计性）。复合材料结构的设计限制/许用值一般取许用应变，不是许用应力（结构未失效时，各铺层应变应该一致但各层应力大小不同）复合材料结构设计许用值可能远低于材料许用值。（保证结构完整性——破坏机理复杂、分析和预测理论不完善、设计和使用经验不足）许用值：表征材料性能，在一定的载荷和环境条件下，由试样、元件或细节件等试验数据，经统计分析后确定的、具有一定置信度和可靠度的性能表征值。设计许用值：用于结构设计，在设计载荷/极限载荷下，为保证整个结构的完整性具有高置信度，在许用值的基础上，由设计师规定的设计限制值。设计许用值/应变确定原则：拉伸：带孔和紧固件的试样的干态试验数据压缩：含冲击损伤和孔的试样在湿/热环境下剪切：湿/热环境下（典型铺层开孔的直径6.35mm）随材料性能改善而提高70年代末到80年代中期：0.3%-0.4%80年代后期：0.45%-0.53%设计许用值的数值基准：“A”基准：给出的性能值是一个极限值，要求在95%置信度下至少有99%数值群的性能值高于它。“B”基准：给出的性能值是一个极限值，要求在95%置信度下至少有90%数值群的性能值高于它。金属结构——因性能数据分散性小，常采用A基准复合材料结构——根据具体情况采用A基准或B基准（不进行结构试验的构件、单路传力构件、主受力件——A基准；

多路传力、具有破损安全特性的构件、次受力件——B基准）设计选材1、选材原则（综合考虑）比强度和比刚度高（减重明显）满足结构使用环境要求综合成本低（全寿命：材料、加工制造、使用维护）冲击损伤不敏感加工工艺性好满足结构特殊要求2、纤维选择大致原则：强度刚度要求高：碳纤维和硼纤维抗冲击和韧性好：玻璃纤维和芳纶纤维强度刚度要求高+抗冲击和韧性好：碳纤维中加入玻璃纤维或芳纶纤维（混杂复合材料：用一种纤维优点弥补另一种的缺点）透波性好：玻璃纤维和芳纶纤维纤维供应形式：织布：形状复杂零件（不宜崩落和分层）（玻璃纤维和芳纶纤维较多）单向带：表面平整光滑（碳纤维较多）3、基体选择主要根据最高工作温度选择性能数据：是复合材料结构设计和计算分析的基础力学：物理：复合材料主泊松比：单层纤维增强复合材料沿正轴纵向单轴载荷作用下，横向应变与纵向应变的比值。层合板/铺层设计主要任务：根据层合板所受外载和选用的组分材料铺层性能确定三个铺层要素，即各铺层的铺层角

铺层顺序

定向铺层数/层数比铺层要素确定1、铺层角1）纤维和受力方向一致（最大限度利用纤维方向强度和刚度）2）尽量采用0o

、±45o

、90o铺层三种铺层角最小铺层百分比都应大于6%-10%（尽量使基体不受载）0o铺层：承受轴向载荷±45o铺层：承受剪切载荷90o铺层：承受侧向载荷提高构件抗屈曲受轴压构件（如梁缘条和蒙皮）——较大比例0o铺层，少量±45o铺层（表面）受剪构件（如腹板）——较大比例±45o铺层，少量90o铺层（抗失稳）其它受集中力部位要局部加强（逐渐增厚、金属嵌入等）集中冲击力：需一定数量与载荷成±45o铺层（将集中载荷扩散）承受垂直于层合板平面的低能量冲击构件：最外层铺设±45o铺层或加一层玻璃布（抗冲击、防剥离）2、铺层顺序通常采用均衡对称层合板（避免各向异性耦合效应产生翘曲）同一铺向角的铺层尽量均匀分布，不宜太集中相邻铺层间夹角越小越好（若超过4层，易在两种定向铺层组的层间出现分层）弯曲刚度同铺层顺序有关（面内刚度只同铺层比和铺层角有关）3、各定向铺层数通过计算或图表确定（先确定层数比，再算出各铺向角的层数）应力比法（只考虑纤维承载能力）：确定应力比：按准各向同性计算出层合板应力σx，σy，τxy，得出应力比σx：σy：τxy=1：a：b确定层数比：将σx：σy：τxy分别对应于0o

、90o、±45o铺层，铺层数比满足n0

：n90：n±45=1：a：b迭代计算（按照得到的层合板设计重复前两步，直到应力比同1：a：b误差小于5%）确定层数：总层数取决于受载状况（2层~1000多层）根据外载和设计许用应力得到总厚度，再根据层数比1：a：b得到各厚度，除以单层厚度即得层数毯式曲线法（初步设计中采用较多）结构元件设计：1、层压结构件层板构型（整体结构）整体结构优点：减轻结构重量A-310-300的复合材料垂尾安定面整体结构零件数95——铝合金2076

（减重22%）AV-8B前机身整体结构零件数88和紧固件数2450——铝合金零件数237和紧固件数6440

（减重25.2%）无敏感界面，可减缓腐蚀传力路线连续，结构效率高

787蒙皮与桁条连接结构机身复合材料整体成型蒙皮与桁条一起加热固化而成737蒙皮与桁条连接结构机身采用多块蒙皮搭接蒙皮与桁条铆接2、夹层结构上下面板（薄层合板）——承受面内载荷（轴向拉压和面内剪切）中间芯层

（蜂窝、泡沫、波纹板和木材等）——承受垂直于面板的剪切和压缩应力，支持面板防止失稳。优点：更符合最小重量原则比重小、刚度大（芯层支持抗弯好）、强度高（承受多轴向压力载荷）、抗失稳、耐久性/损伤容限能力强（裂纹扩展和断裂韧性、抗声疲劳）无铆缝（故机翼表面外形质量和气动性能较好）简化结构（减少零件数目和减少装配工作量）如：波音-360技术验证直升机机身同等效金属半硬壳式比，零件数减少86%，紧固件减少93%，生产工时减少一半绝缘性能好（可作为隔热和隔音的绝缘体）缺点：不宜大开口，接头设计困难宜采用部位：机翼尾翼舵面后缘、机头雷达罩等全高度蜂窝夹层结构主要按刚度设计且本身结构高度小的舵面、调整片等操纵面、翼尖蜂窝夹层结构失效模式夹层结构设计的步骤：第一步：根据外载大小，初步确定夹层结构形式及尺寸。第二步：根据初定结构，用有限元法等确定内力及支反力。第三步：根据第二步的分析结果，按强度准则修改芯子密度及面板厚度。第四步：根据修改后的结构尺寸，再进行有限元应力分析，并进行详细的强度校核，检查强度、刚度和稳定性是否满足要求。重复第三至第四步，直至得到合适的设计结果。夹层结构细节设计：1）边缘闭合设计2）芯子增强设计夹层结构承受垂直于面板的局部压缩载荷能力较差，芯子需要增强方法：充填树脂胶、局部芯子加密、加入垫块或成形件等3）密封防潮设计复合材料面板表面涂密封剂密封所有水分可能浸入蜂窝芯格的通道（如下图）4）受侧压边缘设计细节设计：主要是防止分层包边表面铺一层连续铺层圆角半径不能太小变厚度层合板设计

厚度变化（刚度变化）部位应有铺层递减（或递增）过渡区，避免厚度突变厚度变化过渡区，通常采用斜坡式连续过渡当采用台阶式厚度变化过渡时，建议阶梯宽度与阶高之比大于10表面铺设连续覆盖层（防剥离）开口区设计：尽量开小口，少切断纤维，采用应力集中系数小的形状开口影响区比金属结构大，故补强区域更大开口区采用较多±45o铺层（应力集中系数：0o为7，±45o为2）开口边缘有自由边效应，应防止分层连接设计：连接类型：胶接、机械连接（螺接和铆接）、混合连接1、胶接注：尽量受剪

避免受法向力单搭接头板件边缘制成斜面（减少应力集中）根据板厚选择胶接接头形式2、机械连接连接件：螺接——高锁螺栓（提高接头疲劳强度）

铆接——环槽铆钉、螺纹抽钉等防电偶腐蚀：选电位接近的钛、不锈钢连接件连接件上涂漆或密封胶与复合材料隔离其它：不多于2排的多钉连接（碳纤维脆，多钉连接时各孔承载严重不均）连接区加软化带（铺高强玻璃纤维或芳纶铺层等）局部增厚、增加铺层数环槽铆钉软化带：在构件连接区沿螺栓排列线取出一定宽度的带区，用模量较低的材料或铺层取代原构件中某些高模量层好处：软化带模量低，减小孔边应力集中；使多钉连接的钉载分配更均匀夹层结构连接设计：局部填充增强专门连接设计耐久性/损伤容限设计：主要损伤类型：1）金属（裂纹）2）复合材料（界面脱胶、分层）主要来源：制造缺陷——铺贴和固化、机械加工和装配冲击损伤——高能量、低能量低能量冲击后通常引起内部局部分层，压缩剩余强度大大降低冲击分层的扩展金属——剩余强度不马上下降，逐渐形成疲劳裂纹，扩展至临界裂纹复合材料——冲击立即导致强度下降（即使肉眼不可见损伤），通常裂纹不增长或增长很慢金属和复合材料耐久性/损伤容限设计特点耐久性/损伤容限设计主要考虑冲击损伤而不是疲劳复合材料损伤容限结构类型损伤无扩展（采用低的许用应变值）损伤扩展（缓慢裂纹）利用可设计性改善损伤容限特性1、混杂复合材料±45o铺层对冲击损伤较不敏感2、铺层设计防护设计：1、电偶腐蚀防护注意结构密封，防水气进入，以免积聚电解液避免小金属件同大面积复合材料接触（不可避免时，可之间用涂层、垫片、套管隔离）复合材料只能同经过表面处理的钛、不锈钢接触2、雷击防护3、湿热和化学防护（主要是基体和胶层）在金属的电化学表中，石墨排列靠近铂和金。石墨将成为阴极其它活泼金属（如铝合金）就成为阳极（将被腐蚀）。金属的电化学顺序雷击闪电至少有一个进入点和一个离开点：通常位于飞行器的突出部位（如机头、翼尖、升降舵和安定面的尖端、伸出的天线、发动机短舱、螺旋桨桨叶、后掠机翼和某些操纵面的前缘）闪电电流是在两个附着点之间通过飞机的，故处在这两点之间的结构会通过电流。扫掠冲击：当前部端头进入闪电通路时，闪电通路呈现出由前向后扫掠飞行器表面的现象。闪电通路附着点在不同的表面位置上停留不同的时间。扫掠冲击现象雷击对飞机的危害直接危害：指烧毁、腐蚀、爆炸和由于闪电电流附着引起的结构变形，以及高压冲击波。间接危害：指伴随闪电而形成的电磁场所造成的影响，以及电磁场与飞机电气设备的互相作用。在某些情况下，飞机的同一构件会同时受到直接和间接危害。（例如，闪电会使天线的物理性能遭到破坏（直接危害），并将具有破坏性的电流输送给与天线相接的