《复合材料结构设计》PPT课件

导弹总体结构设计导弹总体结构设计第四章第四章 复合材料结构设计复合材料结构设计 4.1.1 4.1.1 层合板及其表示方法层合板及其表示方法铺层及其方向的表示（a）正轴坐标系和应力 （b）偏轴坐标系和应力4.1.1 4.1.1 层合板及其表示方法层合板及其表示方法（2）层合板的表示方法4.1.2 4.1.2 单层复合材料的力学性能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。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n12、纵横剪切弹性模量G12四个弹性常数；还有纵向拉伸和压缩强度Xt、Xc，横向拉伸与压缩强度Yt、Yc，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。单层的性能不能替代实际使用的层合复合材料的性能。4.1.3 4.1.3 复合材料结构的制造与成形工艺复合材料结构的制造与成形工艺（1）制造与成形工艺的分类、特点与适用范围树脂基复合材料结构成形工艺方法分类示图树脂基复合材料结构成形工艺方法分类示图4.1.3 4.1.3 复合材料结构的制造与成形工艺复合材料结构的制造与成形工艺（1）制造与成形工艺的分类、特点与适用范围复合复合 材料材料构件构件成形成形工艺工艺方法方法的特的特点与点与适用适用范围范围 4.1.3 4.1.3 复合材料结构的制造与成形工艺复合材料结构的制造与成形工艺（2）常用的工艺成形方法 热压罐成形 （工艺示图如右图）4.1.3 4.1.3 复合材料结构的制造与成形工艺复合材料结构的制造与成形工艺（2）常用的工艺成形方法 真空袋成形法（工艺示图如下图）4.1.3 4.1.3 复合材料结构的制造与成形工艺复合材料结构的制造与成形工艺（2）常用的工艺成形方法 软模成形法（工艺示图如下图）4.1.3 4.1.3 复合材料结构的制造与成形工艺复合材料结构的制造与成形工艺（2）常用的工艺成形方法 缠绕成形法（工艺示图如下图）4.1.3 4.1.3 复合材料结构的制造与成形工艺复合材料结构的制造与成形工艺（2）常用的工艺成形方法 树脂转移模塑成形法（RTM）（工艺示图如下图）4.1.3 4.1.3 复合材料结构的制造与成形工艺复合材料结构的制造与成形工艺（2）常用的工艺成形方法 树脂熔模浸成形法（RFI）（工艺示图如下图）4.1.3 4.1.3 复合材料结构的制造与成形工艺复合材料结构的制造与成形工艺（2）复合材料结构件的机械加工 成形复合材料结构切割加工时，所有的切割边缘都应完整光滑，以避免边缘分层而引发结构提前破坏。为防止总体变形，必要时应将零件固定在型架上进行切割。切割与修磨过程中，应及时清除切屑粉尘，以防止零件划伤，降低污染，所有切割、修磨暴露的表面都必须用相应树脂或漆料、密封剂等封口。复合材料构件的切割加工有砂轮片切割、超声波切割、高压水切割、激光切割等方法，每种方法均有其优缺点，应根据设计要求、现有条件限制和成本要求，选择合适的加工方法。4.1.4 4.1.4 复合材料结构的质量控制复合材料结构的质量控制（2）复合材料结构件的机械加工 制造过程的质量控制可分为工序的质量管理和成品的质量管理，前者是复合材料结构制造质量高低的关键。复合材料成形是质量控制过程中的重要环节，是确保制件质量满足设计要求，达到规定目标的关键。成形工艺过程是由每道工序组成的，因此，工序操作管理是成形工艺质量保证的基础。对于常规零件和构件其作业流程大致为：4.1.5 4.1.5 复合材料结构设计的一般要求和设计步骤复合材料结构设计的一般要求和设计步骤（1）一般要求 按许用应变设计结构时，采用使用载荷设计、设计载荷校核 的原则；在确定设计许用值时，必须考虑环境对材料性能的影响；复合材料结构的安全水平，不能低于同类金属结构；注意防止与金属零件接触时的电偶腐蚀。必须进行防雷击、防静电和电磁兼容设计与试验验证。尽量设计成整体件，并采用共固化或二次固化、二次胶接技 术，以利减重和提高产品质量，但应注意共固化引起的结构 畸变和胶接质量问题。4.1.5 4.1.5 复合材料结构设计的一般要求和设计步骤复合材料结构设计的一般要求和设计步骤（2）设计步骤 选材时就必须同时考虑材料的机械性能、使用环境和工艺性 等因素。初步设计阶段应对结构的可维护性、可修理性和维修的费用 进行考虑与评估。首先应明确设计，之后进行设计选材和层合板设计，然后进 行结构设计。设计选材和层合板设计包括组分材料的选用、铺层性能的确 定以及层合板设计；结构设计则包含结构形式的确定、结构 元件设计、结构细节设计和连接设计等内容。4.2.1 4.2.1 复合材料结构设计的选材复合材料结构设计的选材（1）选材的原则 根据结构最高工作温度及其采用的工艺方法选择树脂基体体系，根据性能要求和成本指标选择增强纤维。重点考虑反映缺陷/损伤和环境因素影响的性能。重点考虑与固化成形工艺有关的参数。4.2.1 4.2.1 复合材料结构设计的选材复合材料结构设计的选材（2）纤维性能及其选择 选择纤维时，首先要确定纤维的类别，其次要确定纤维的 品种规格。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。已在飞行器结构中应用的增强纤维有碳纤维、凯芙拉 （Kevlar）、玻璃纤维（S玻璃、E玻璃）和硼纤维等。4.2.1 4.2.1 复合材料结构设计的选材复合材料结构设计的选材（2）树脂性能及其选择 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。树脂的选择应满足结构的使用温度范围和基体的力学性能要 求，树脂的吸湿、耐环境、阻燃性等物理、化学性能符合结 构的使用要求，所选树脂还应满足工艺性能良好，毒性低，价格合理等原则。4.2.2 4.2.2 设计许用值的定义与确定原则设计许用值的定义与确定原则 金属材料设计许用值以应力表示，称设计许用应力；复合材料结构的设计许用值选择应变，称设计许用应变。确定设计许用值的一般原则：结构的拉伸设计许用值主要取决于含孔试样的许用值，结 构的压缩设计许用值主要取决于含冲击损伤试样的许用值。薄蒙皮或薄面板蜂窝夹层结构设计许用值的确定，还需根 据设计要求考虑屈曲的影响。4.2.3 4.2.3 设计许用值的确定方法设计许用值的确定方法 复合材料力学性能的数值基准可分为基准、基准和典型值。复合材料的强度数据一般采用基准值，而弹性常数均采用典型值。拉伸设计许用应变的确定；压缩设计许用应变的确定；剪切设计许用应变的确定。4.3.1 4.3.1 层合板设计的一般原则层合板设计的一般原则（1）均衡对称铺设原则 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。（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。（3）铺层取向按承载选取原则 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。4.3.1 4.3.1 层合板设计的一般原则层合板设计的一般原则（4）铺设顺序原则（5）铺层最小比例原则（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。（7）连接区设计原则（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应力集中。（9）开口区铺层原则 4.3.2 4.3.2 层合板的性能剪裁与强度估算层合板的性能剪裁与强度估算 （1）单层板的刚度（2）层合板刚度特性剪裁原理（3）单层板的强度（4）层合板的强度估算 4.3.3 4.3.3 层合板设计方法层合板设计方法 4.3.4 4.3.4 变厚度层合板设计变厚度层合板设计 变厚度层合板设计要点是在厚度变化（刚度变化）的部位，应有铺层递减（或递增）的过渡区，避免厚度突变。厚度变化过渡区，通常采用斜坡式连续过渡，如右图。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4，如下图。4.3.5 4.3.5 加筋板设计加筋板设计 （1）一般原则 在设计载荷下，应变水平不得超过设计许用应变；稳定性要求；加筋条与蒙皮的刚度、泊松比要匹配；筋条与蒙皮结合处、加筋条端部等细节部位设计应避免应 力集中。4.3.5 4.3.5 加筋板设计加筋板设计 （1）一般原则 设计要点：合理分配蒙皮和加筋条承载比例；选择合适的加筋条剖面形状，且剖面的弯曲刚度足够，满足 稳定性要求；蒙皮与加筋条刚度要匹配（包括泊松比匹配）；调节加筋条间距，满足加筋板总体稳定性要求；工艺可行。4.3.5 4.3.5 加筋板设计加筋板设计（2）加筋条剖面形状选择 加筋条剖面形状分为开剖面的L形、T形（含球头T形）、J形、I形、p形等，闭剖面的帽形、泡形、形等。如下图。4.3.5 4.3.5 加筋板设计加筋板设计（3）加筋板细节设计 细节设计的重点是使传力路线连续合理，刚度、泊松比匹配，减少偏心和减少应力集中等。加筋条与蒙皮结合处刚度协调设计考虑；加筋条端头设计；形加筋条内部结合面铺层设计；形加筋条内空腔填充设计；角形加筋条与蒙皮结合处设计；加筋板蒙皮止裂层设计；加筋板成形工艺质量保证措施；加筋板抗冲击设计考虑。4.3.5 4.3.5 加筋板设计加筋板设计（4）加筋板设计建议 蒙皮与加筋条的载荷分配应保持合适的比例；蒙皮的铺层弹与翼盒段结构形式关系。（5）加筋条铺层建议（6）细节设计参照本节（7）采用三维编织和缝纫可增加构件厚度方向的强度以 及层间强度与韧性，对避免分层现象也很有效 4.3.6 4.3.6 层合件工艺性设计考虑层合件工艺性设计考虑（1）层合件工艺性设计考虑要点 工艺对铺层设计的建议已列入层合板和加筋板设计原则和细 节设计中；在设备和工艺条件许可情况下，应尽可能采用整体化设计，以减少组装工作量；层合件圆角半径和脱模斜度应符合相关工艺手册规定；配合精度应满足装配或组装要求，并制定可行的补偿措施；为保证零构件可检性，设计时应留有无损检测的通道。4.3.6 4.3.6 层合件工艺性设计考虑层合件工艺性设计考虑（2）层合件尺寸公差 层合件尺寸公差选用原则 厚度公差 层方向公差 夹层结构通常是由比较薄的面板与比较厚的芯子胶接而成。具有质量轻、弯曲刚度与强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、吸音和隔热等优点。4.4.1 4.4.1 夹层结构的破夹层结构的破 坏模式与设计坏模式与设计 准则准则（1）夹层结构破坏模式4.4.1 4.4.1 夹层结构的破坏模式与设计准则夹层结构的破坏模式与设计准则（2）夹层结构设计准则 在设计载荷下，面板的面内应力应小于材料强度，或在设计载荷下，面板应变小于设计许用应变；芯子应有足够的厚度（高度）及刚度；芯子应有足够的弹性模量和平压强度，以及足够的芯子与面板平拉强度；面板应足够厚，蜂窝芯格尺寸应合理；应尽量避免夹层结构承受垂直于面板的平拉或平压局部集中载荷；胶粘剂必须具有足够的胶接强度，同时还要考虑耐环境性能和老化性能；碳纤维层合面板与铝蜂窝芯子胶接面要注意防止电偶腐蚀问题；对雷达罩等有特殊要求的夹层结构，面板、芯子和胶粘剂选择必须考虑电性能、阻燃、毒性和烟雾等特殊设计要求。4.4.2 4.4.2 夹层结构及其选材夹层结构及其选材（1）面板 铝合金 碳纤维复合材料 凯芙拉（Kevlar）纤维复合材料 玻璃布复合材料，如高弹玻璃布/环氧复合材料等 4.4.2 4.4.2 夹层结构及其选材夹层结构及其选材（2）芯子 芯子材料选择应遵循的原则有：芯子材料密度低，有足够的强度和刚度；胶接性能好；与面板的电性能相匹配，避免电偶腐蚀；工艺性能良好，价格低。对于某些特殊构件，要考虑芯子的电性能、导热性能以及阻燃、防毒和防烟雾性能等。电性能、导热性以及阻燃、防毒和防烟雾性能等。（3）胶粘剂 夹层结构中的胶粘剂分为板芯胶、芯与骨架元件（如梁、肋）粘接胶以及芯子与芯子拼接胶三类，其中板芯胶最为重要。4.4.3 4.4.3 夹层结构设计夹层结构设计 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（或工程设计计算方法）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，检查其强度。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。4.4.4 4.4.4 夹层结构细节夹层结构细节（1）边缘闭合设计 边缘闭合有两种基本形式：面板折成斜面闭合，（如图a）和边缘连接件闭合（如图b）。4.4.4 4.4.4 夹层结构细节夹层结构细节（2）芯子增强设计 夹层结构由于垂面载荷 作用或强度、刚度要求等原因，芯子需要增强。一般采取充填树脂胶、局部芯子加密、加入垫块或成形件等办法增强芯子，如下图所示。4.4.4 4.4.4 夹层结构细节夹层结构细节（3）防潮密封设计 蜂窝夹层结构防潮设计措施有以下两点：复合材料面板表面涂密封剂，如H101H103封孔剂，W06-2 底漆和Wof-1面o漆；密封所有水分可能浸入蜂窝芯格的通道，密封措施如下图所 示。4.4.4 4.4.4 夹层结构细节夹层结构细节（4）受侧压夹层板边缘支持的设计建议 夹层板受侧压作用，边缘支持设计应避免发生面板弯曲引起的平拉伸分层开裂，如图a所示为不满意设计。为此，应在夹层板边缘处将蜂窝削成斜面、面板闭合与支持结构胶接连接，结合面承受剪切载荷，如图b所示为满意设计。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。4.5.1 4.5.1 胶接连接设计胶接连接设计 胶接连接设计的基本原则：选择合理连接形式。尽可能减小应力集中。力求避免连接端部层合板发生层间剥离破坏。承受动载荷时，应选低模量韧性胶粘剂；在高温工作时，所选 胶粘剂的热膨胀系数尽量与被胶接件相近。工艺尽可能简单，降低制造成本。4.5.2 4.5.2 夹层结构连接设计夹层结构连接设计 两大技术措施：局部增强（如右上图a为局部填充增强，b为镶嵌增强件）采用专用连接（如右下图）4.5.3 4.5.3 机械连接设计机械连接设计 机械连接典型破模式及其预防措施：4.6.1 4.6.1 导弹复合材料结构的选择原则导弹复合材料结构的选择原则 承载较大、要求结构刚度好的大型主受力件宜用高强度或高模 量碳纤维/树脂复合材料桁条结构型式；承载较小的中型受力件，可采用碳纤维/树脂或混杂纤维/树脂 复合材料面板、蜂窝夹芯结构；刚度要求不大的小型构件可采用玻璃钢面板、泡沫夹芯结构；结构要求高抗冲击性能和断裂韧性时可采用玻璃钢纤维或凯芙 拉纤维；雷达罩结构要求有良好的透波性，可选用玻璃钢纤维或凯芙拉 纤维/环氧树脂复合材料，也可用玻璃纤维/树脂复合材料面 板、蜂窝夹心或泡沫夹心结构，而不能使用碳纤维。4.6.1 4.6.1 复合材料弹复合材料弹/箭身结构箭身结构 应用较多的有三种结构：应用较多的有三种结构：复合材料蒙皮桁条加筋壳；复合材料面板夹层结构壳体；复合材料网格加筋整体结构壳体。4.6.1 4.6.1 复合材料翼面结构复合材料翼面结构（1）单块式结构（2）多墙（多梁）式结构（3）全高度夹层结构 （如右上图）（4）复合材料厚蒙皮壁板 整体结构和实心结构 （如右下图）4.6.1 4.6.1 复合材料夹层结构翼面设计复合材料夹层结构翼面设计（1）蜂窝夹层结构 胶接铝蜂窝夹层结构 焊接蜂窝夹层结构 非金属蜂窝夹层结构 蜂窝夹层结构参数的确定4.6.1 4.6.1 复合材料夹层结构翼面设计复合材料夹层结构翼面设计（2）泡沫塑料夹层结构 如右图，泡沫夹层弹翼。采用单梁式结构和厚蒙皮来保证承载能力，梁的部面为工字形，前后腹板和肋均为“”形钣金件。为了保让翼根的传力和强度、刚度要求，在翼根采用了厚板加强的多螺钉分散接头。