1、復合材料結構設計（十二）程小全北航飛機設計研究所OUT LINE復合材料結構設計特點結構設計選材材料性能與測試技術復合材料典型結構結構設計原則與方法連接技術整體結構設計結構試驗技術2復合材料結構設計的一般要求復合材料設計許用值的確定復合材料結構設計的步驟層合板設計的一般原則層合板的設計方法層合板尺寸公差結構細節(jié)設計五、復合材料結構設計36-1 層合件尺寸公差選用原則層壓件尺寸公差主要是厚度公差。受多種因素影響，公差分散性較大。公差選用一般原則： 等代設計的層合件應與原金屬件公差相同； 有裝配或配合關系的構件，公差選用不會造成裝配困難或 需對構件進行補充加工； 無裝配或配合要求的構件，在不降低產(chǎn)

2、品性能的前提下， 應給盡可能大的公差。 6. 層合板尺寸公差4 不同的工藝方法，不同的模具，得到不同的公差。 a. 采用對合模壓制的構件，厚度公差控制在4。 b.采用熱壓罐真空成形法的厚度尺寸偏差一般為： 厚度2mm零件：公差為8厚度 厚度2mm零件：公差為1020厚度 厚度公差控制。 設計上公差有嚴格要求而成形工藝難以保證其尺寸公差的構件，擬在控制公差部位的外表面布置專供加工的玻璃布輔助鋪層，達到精確控制厚度公差。6. 層合板尺寸公差6-2 公差的控制56-3 鋪層方向公差 鋪層以圖樣規(guī)定的坐標為基準，按圖樣要求的角度鋪設在模具上。單向帶鋪層鋪設方向公差為3；織物鋪層鋪設方向公差為5。6-4

3、 鋪層拼接要求 除圖樣規(guī)定的鋪層拼接外，施工中只允許單向鋪層沿纖維方向拼接，即拼接縫平行于纖維方向。拼接接縫處，鋪層的間隙或搭接寬度不大于1mm，相鄰鋪層拼接接縫間距應大于10mm?？椢锎罱訉挾炔恍∮?0mm。6. 層合板尺寸公差66. 層合板尺寸公差7Non-Crimp Fabrics (NCF)無皺褶纖維Modified Vacuum Infusion process(MVI) 改進的真空灌注工藝6. 層合板尺寸公差8復合材料結構設計的一般要求復合材料設計許用值的確定復合材料結構設計的步驟層合板設計的一般原則層合板的設計方法結構細節(jié)設計五、復合材料結構設計9與金屬結構一樣，細節(jié)設計能直接影

4、響結構的耐久性和損傷容限，但復合材料結構有自己的特點。復合材料結構大都是層合結構，剛度突變、應力集中、傳力不連續(xù)、偏心、連接區(qū)、有面外載荷或制造缺陷等容易引起分層損傷，以致降低結構的性能，因此細節(jié)設計非常重要。 7. 結構細節(jié)設計10結構變厚度區(qū)設計 桁條和蜂窩板端頭設計 角形加強件與蒙皮的膠接 7. 結構細節(jié)設計11夾層結構邊緣閉合件形式 開口區(qū)設計對比7. 結構細節(jié)設計12OUT LINE復合材料結構設計特點結構設計選材材料性能與測試技術復合材料典型結構結構設計原則與方法連接技術整體結構設計結構試驗技術13 復合材料連接主要分為膠接連接、機械連接和混合連接等三種類型。 機械連接主要包括螺栓

5、連接和鉚釘連接，混合連接是指膠鉚或膠螺連接。膠接和機械連接是最常用的兩種連接形式，混合連接采用較少。膠接連接是借助膠粘劑將零件連接成不可拆卸整體的連接方法，它適用于傳遞載荷較小的部位。機械連接借助于緊固件，把兩個以上零件連接成一個整體的連接方法，它適用于傳遞較載荷較高或可靠性高的部位。連接技術14膠接連接與機械連接的優(yōu)缺點比較 膠接連接機械連接優(yōu)點 無鉆孔引起的應力集中，連接效率高，結構輕； 抗疲勞、密封、減振及絕緣性能好； 有阻止裂紋擴展作用，破損安全性好； 能獲得光滑氣動外形； 不同材料連接無電偶腐蝕問題。 便于檢查質量、保證連接的可靠性； 在制造、更換和維修中可重復裝配和拆卸； 對零件連

6、接表面準備及處理要求不高； 無膠接固化產(chǎn)生的殘余應力； 受環(huán)境影響較小。缺點 缺少可靠的無損檢測方法，膠接質量控制比較困難； 膠接強度分散性大，剝離強度低，不能傳遞大載荷； 膠接性能受濕、熱、腐蝕介質等環(huán)境影響大，存在一定的老化問題； 膠接表面在膠接前需作特殊的表面處理，工藝要求嚴格； 被膠接件間配合公差要求嚴，需加溫加壓固化設備，修補較困難； 膠接后不可拆卸。 由于復合材料的脆性和層合板的各向異性，層合板制孔后導致孔周的局部應力集中，降低了連接效率； 為了彌補基本層合板制孔后強度下降的影響，層合板可能需局部加厚，使重量增加； 由于增加了制作的工作量，可能增加成本； 制孔工藝要求較高，操作要慢

7、速平穩(wěn)，否則會造成孔邊大面積分層； 鋁、鋼緊固件與復合材料接觸會產(chǎn)生電偶腐蝕，故需選用與碳復合材料電位差較小的材料制成的緊固件。 碳纖維復合材料沿纖維方向的線膨脹系數(shù)很小，它與金屬膠接時，由于熱膨脹系數(shù)差別較大，在高溫固化后會產(chǎn)生較大殘余應力和殘余變形。因此，膠接連接設計時應盡量避開與金屬件膠接(尤其是鋁合金)，必要時可采用熱膨脹系數(shù)小的鈦合金零件； 碳纖維復合材料層間拉伸強度低，易在連接端部層合板的層間產(chǎn)生剝離破壞，因此，對較厚膠接件，不宜采用簡單的單搭接連接形式。 連接板的剪切強度不隨端距增大而成比例增加； 主承力連接區(qū)的關鍵部位一般均采用多排螺栓連接，不采用耳片或梳狀形式的連接。連接方式

8、說明15膠接件厚度對接頭形式選擇的影響單搭接接頭降低剝離應力的措施降低應力集中的設計措施有橫向支撐的單搭連接1. 膠接連接形式162. 機械連接典型破壞模式及其預防措施 173. 夾層結構的連接183. 夾層結構的連接19OUT LINE復合材料結構設計特點結構設計選材材料性能與測試技術復合材料典型結構結構設計原則與方法連接技術整體結構設計結構試驗技術20復合材料整體結構設計 一、復合材料整體結構的應用 21復合材料整體結構設計 二、復合材料結構整體化的技術保障用 1整體結構設計技術復合材料整體結構設計不能只是簡單取消一些連接緊固件，將原來采用的結構形式簡單地拼接在一起，而應根據(jù)復合材料的傳力

9、特點、飛行器結構設計要求以及工藝技術基礎，從結構布局到具體工作設計，創(chuàng)造性地設計新的整體結構形式，這是復合材料整體結構設計的關鍵所在。另外，還要開展整體結構靜強度、疲勞、耐久性和損傷容限、可靠性和可檢性等設計準則和設計方法的研究和試驗驗證，尤其是損傷容限和可檢性設計應該是其中的重點和關鍵。22復合材料整體結構設計 二、復合材料結構整體化的技術保障用 2整體結構可成形性分析纖維預制體的滲透性、孔隙或干斑的形成、殘余應力和固化變形是影響復合材料制件質量的幾個主要方面。對于大型整體復合材料結構件來說，一方面，結構設計對固化變形的影響更加突出；另一方面，若制造不當將導致大件報廢，大幅度增加制造成本。因

10、此，在結構設計之初，采用工藝仿真對其進行可成形性分析是非常必要的。23復合材料整體結構設計 二、復合材料結構整體化的技術保障用 3低成本復合材料技術目前限制復合材料廣泛應用的癥結還是成本高。解決途徑之一是從手工勞動向自動化、電子化、柔性化工藝轉變。如采用自動鋪帶機(ATL)、自動鋪絲束機(AFP)和隔膜成形機等自動化鋪層設備，以及自動化增強體編織機、自動化切割機、自動化鉆孔機、緊固機和自動化檢測機。自動化鋪層技術是在已有纏繞和鋪放技術上發(fā)展起來的，適用于機身等大型復雜曲面形狀的制造，具有快速、準確、節(jié)省原材料等優(yōu)點，從而提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。24復合材料整體結構設計 二、復合材料結構整體化的

11、技術保障用 4整體結構損傷檢測技術復合材料損傷檢測包括以下幾個方面：生產(chǎn)過程中的缺陷檢測、結構試驗中的損傷檢測、飛行過程和使用維護過程中的損傷檢測。其中，無損檢測是復合材料結構質量保證和制件驗收的重要手段之一。大型整體復合材料結構可能擁有復雜的結構形狀（如小角度拐角）和膠接連接結構等，這些地方的無損檢測難度比較大，而且無損檢測的時間一般比較長，因此須要發(fā)展適合于大型復雜制件的快速無損檢測方法和設備。目前主要采用的是C掃描和A掃描無損檢測方法，并且朝著自動化方向發(fā)展。25復合材料整體結構設計 三、后機身球面框整體結構制造技術 1A380球面框 能制作8m寬“毯子”的龍門縫合系統(tǒng)6塊“毯子”鋪疊在

12、一起而形成的預制件將預制件覆蓋到陽模上注入樹脂并固化，布置加強筋后進行二次固化26復合材料整體結構設計 三、后機身球面框整體結構制造技術 2波音787球面框 波音787機身球面框采用VARTM工藝制造。由于后機身球面框（4.3m4.6m）對機身的氣密性與安全起著至關重要的作用，因此，波音公司過去都不敢采用復合材料結構，現(xiàn)在采用新的工藝和設備解決了這個問題。 27OUT LINE復合材料結構設計特點結構設計選材材料性能與測試技術復合材料典型結構結構設計原則與方法連接技術整體結構設計結構試驗技術281. 積木式試驗 Building-block approach is the industry standard practice.結構試驗技術29積木式設計驗證試驗302. 元件試驗 Design development tests in