第5講-典型構(gòu)件設(shè)計(jì)

1、復(fù)合材料復(fù)合材料 典型結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)典型結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì) 張紀(jì)奎張紀(jì)奎 繼教樓繼教樓205205 提綱提綱 v壁板設(shè)計(jì)壁板設(shè)計(jì) v結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì) v創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 壁板設(shè)計(jì) Q按結(jié)構(gòu)形式可分為單向加筋板、格柵壁板、多腹 板結(jié)構(gòu)壁板等 Q目前翼面壁板使用較多，這主要由于 1、應(yīng)變應(yīng)力水平高，更容易發(fā)揮復(fù)合材料性能上的 優(yōu)勢(shì)，減重效果明顯； 2、外形簡(jiǎn)單，一般為單曲度，制造相對(duì)容易； 3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，開口較少，需經(jīng)常檢查維護(hù)部位不多， 形成維護(hù)損傷的可能性也較少。 單向加筋壁板 Q 只有縱向加筋只有縱向加筋 格柵壁板 縱、橫向筋縱、橫向筋 條與蒙皮一條與蒙皮一 起，一次固起，一次固 化成形

2、，結(jié)化成形，結(jié) 構(gòu)的整體性構(gòu)的整體性 好，重量輕好，重量輕 ，壁板外表，壁板外表 面光整，但面光整，但 制造復(fù)雜。制造復(fù)雜。 加筋條的截面形狀 開剖面加強(qiáng)筋工藝性明顯優(yōu)于閉剖面加筋強(qiáng)筋；開剖面加強(qiáng)筋工藝性明顯優(yōu)于閉剖面加筋強(qiáng)筋； 閉剖面加強(qiáng)筋的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲穩(wěn)定性能大大優(yōu)于開剖閉剖面加強(qiáng)筋的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲穩(wěn)定性能大大優(yōu)于開剖 面加強(qiáng)筋。面加強(qiáng)筋。 加筋條的截面形狀 Q從蒙皮與加強(qiáng)筋結(jié)合考慮，L形（角形）加 強(qiáng)筋易發(fā)生分層，應(yīng)認(rèn)真設(shè)計(jì)。T形和II形剖 面推薦選擇。 加筋板的破壞形式 加筋壁板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Q除應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般要求外，還需滿足應(yīng) 變要求和穩(wěn)定性要求。即在設(shè)計(jì)載荷下，構(gòu)件 的應(yīng)變不

3、得超過規(guī)定的設(shè)計(jì)許用值。 Q對(duì)于重要構(gòu)件，在極限載荷下不允許屈曲。 Q只有次要構(gòu)件采用在限制載荷下不得屈曲，在 極限載荷下允許屈曲的要求， Q而允許在限制載荷下進(jìn)入屈曲，只限于薄板（ 厚度1mm左右）。 蒙皮主要由 45層構(gòu) 成，根部16 層，翼尖10 層，中間部 位14層，壁 板周邊16 34層，主要 為提高連接 強(qiáng)度。 L-1011L-1011復(fù)合材料垂尾壁板鋪層的實(shí)例復(fù)合材料垂尾壁板鋪層的實(shí)例 結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì) Q復(fù)合材料連接主要分為膠接連接、機(jī)械連接 和混合連接三種類型。 Q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。 Q機(jī)械連接借助于緊固件，把

4、兩個(gè)以上零件連 接成一個(gè)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。 機(jī)械連接和膠接對(duì)比 膠接連接設(shè)計(jì) Q選擇合理的接頭形 式。接頭形式的選 擇應(yīng)盡量使作用載 荷主要使膠層受剪 應(yīng)力；避免使其受 到法向應(yīng)力，以防 止發(fā)生劈裂和剝離 破壞。 膠接連接設(shè)計(jì) Q盡可能減少應(yīng)力集中，單搭接接頭在板件邊緣 制斜面或倒角單搭接接頭在連接處布置橫向構(gòu) 件可改善接頭的受力狀態(tài)，降低剝離應(yīng)力 膠接連接設(shè)計(jì) Q待膠接表面的纖維方向最好與載荷方向一致( 或成45度角)；不能與載荷方向垂直，以免過 早發(fā)生膠接處層間剝離破壞兩個(gè)相貼合待膠 接件表面泊松比應(yīng)盡量匹配。 Q承受動(dòng)載荷時(shí)，應(yīng)選用低模量韌性膠粘劑

5、，高 溫工作時(shí)，要注意熱膨脹系數(shù)匹配 Q工藝盡可能簡(jiǎn)單，以降低制造成本 螺栓連接設(shè)計(jì) 螺栓連接設(shè)計(jì) 螺栓連接設(shè)計(jì) 螺栓連接設(shè)計(jì) 復(fù)合材料機(jī)械連接強(qiáng)度及破壞模式與接頭的幾復(fù)合材料機(jī)械連接強(qiáng)度及破壞模式與接頭的幾 何參數(shù)、纖維種類及鋪層方向等多種因素有關(guān)。何參數(shù)、纖維種類及鋪層方向等多種因素有關(guān)。 應(yīng)設(shè)計(jì)為與擠壓破壞有關(guān)的破壞形式應(yīng)設(shè)計(jì)為與擠壓破壞有關(guān)的破壞形式 機(jī)械連接設(shè)計(jì)的原則 Q推薦使用高鎖螺栓以及專門為復(fù)合材料設(shè)計(jì) 的虎克鉚釘、高鎖環(huán)槽鉚釘?shù)染o固件。緊固 件材料應(yīng)使用釷合金或不銹鋼，并采用涂以 密封膠的濕裝配，以防止電偶腐蝕。對(duì)結(jié)構(gòu) 整體油箱區(qū)的緊固件應(yīng)采用密封措施，如涂 密封膠或加塑料帽

6、套等。 機(jī)械連接設(shè)計(jì)的原則 Q碳纖維復(fù)合材料呈脆性，多釘連接時(shí)脆性 使各釘孔的承載嚴(yán)重不均。加之孔引起的應(yīng) 力集中比金屬結(jié)構(gòu)嚴(yán)重。故如有可能，盡量 采用不多于兩排的多釘連接；并建議選用比 鋁結(jié)構(gòu)更大的端距；構(gòu)件的鋪層中45度層一 般不少于40，90度層至少占10比較合理 ，也可以在連接區(qū)采用碳纖一玻纖混雜構(gòu)成 剛度較小的軟化帶，它對(duì)連接強(qiáng)度有所改善 。 機(jī)械連接設(shè)計(jì)的原則 Q接頭形式與金屬結(jié)構(gòu)類似，雙剪較單剪接 頭好，斜削和階梯形接頭可改善多釘連接 時(shí)釘載分配的不均勻性 一、一、“纖維取向纖維取向”設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 新的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)方案 “纖維取向”設(shè)計(jì)的目標(biāo)是力求最大限度地利 用纖維復(fù)合材料的方向性

7、，以及保持結(jié)構(gòu)中傳 力路徑的連續(xù)性。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為保持纖維及其承載路徑的連 續(xù)性，應(yīng)盡量避免纖維中斷。 解決載荷參與問題的設(shè)解決載荷參與問題的設(shè) 計(jì)措施是布置相應(yīng)的傳計(jì)措施是布置相應(yīng)的傳 力元件將軸向力轉(zhuǎn)化為力元件將軸向力轉(zhuǎn)化為 剪切力或是將分散的軸剪切力或是將分散的軸 向力聚集為集中的軸向向力聚集為集中的軸向 力，反之亦可。因此，力，反之亦可。因此， 結(jié)構(gòu)中將要出現(xiàn)一個(gè)傳結(jié)構(gòu)中將要出現(xiàn)一個(gè)傳 力參與區(qū)。由于力學(xué)特力參與區(qū)。由于力學(xué)特 性的差異，復(fù)合材料結(jié)性的差異，復(fù)合材料結(jié) 構(gòu)的傳力參與區(qū)比金屬構(gòu)的傳力參與區(qū)比金屬 結(jié)構(gòu)的要大。一種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的要大。一種創(chuàng)新 的設(shè)計(jì)構(gòu)想是將一個(gè)層的設(shè)計(jì)構(gòu)想

8、是將一個(gè)層 合板的全部或部分纖維合板的全部或部分纖維 聚集成為一個(gè)或幾個(gè)承聚集成為一個(gè)或幾個(gè)承 力接頭以集中傳力。力接頭以集中傳力。 “纖維取向纖維取向纖維取向纖維取向纖維取向纖維取向”設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) Q采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)格交叉處不同方向的纖維可 以相互交疊而不必?cái)嚅_，從而保持了纖維的連續(xù) 和平直。對(duì)于圓柱和圓錐形殼體來講，采用網(wǎng)格 結(jié)構(gòu)更是一種高效率結(jié)構(gòu)，因其能進(jìn)一步增大殼 體的承載能力和提高結(jié)構(gòu)的使用效率。 整體化整體化”設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) Q“整體化”設(shè)計(jì)的目標(biāo)是力求充分利用復(fù)合 材料的加工特點(diǎn)和不斷創(chuàng)新的工藝方法，提 高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體化程度 Q纖維纏繞成形是一種先進(jìn)的工藝方法，能充

9、 分發(fā)揮連續(xù)作業(yè)的特點(diǎn)，也可以充分利用纖 維的承載能力?；鸺龤んw大都采用這種成形 工藝，隨著纏繞技術(shù)的不斷發(fā)展，已逐步擴(kuò) 大到某些機(jī)體結(jié)構(gòu)。 整體化設(shè)計(jì) 整體化整體化”設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) Q采用全高度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì) Q采用預(yù)成形織物和RTM工藝制造整體件。 Q翼身融合整體件研制與設(shè)計(jì)，可以充分利用復(fù) 合材料的優(yōu)點(diǎn)，改善結(jié)構(gòu)的受力特性，顯著地 降低結(jié)構(gòu)重量。 其他新型結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) Q中空臺(tái)階網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這 項(xiàng)設(shè)計(jì)包括蒙皮和預(yù)制 好的中空臺(tái)階網(wǎng)格，網(wǎng) 格安裝在蒙皮上。整體 結(jié)構(gòu)可制成一個(gè)整體件 而不需額外的緊固件， 從而可在保證足夠的強(qiáng) 度和剛度條件下減輕結(jié) 構(gòu)重量。 三、其他新型結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)三、其他新

10、型結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)三、其他新型結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)三、其他新型結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)三、其他新型結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)三、其他新型結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 整體預(yù)應(yīng)力加筋壁板。受土木工程中預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)整體預(yù)應(yīng)力加筋壁板。受土木工程中預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié) 構(gòu)的啟迪，在某些復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中也可采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。構(gòu)的啟迪，在某些復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中也可采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。 可以在整體加筋壁板可以在整體加筋壁板 的筋條處嵌入加有預(yù)的筋條處嵌入加有預(yù) 拉力的高拉伸強(qiáng)度纖拉力的高拉伸強(qiáng)度纖 維束，從而進(jìn)一步提維束，從而進(jìn)一步提 高結(jié)構(gòu)的承載能力。高結(jié)構(gòu)的承載能力。 l連續(xù)碳纖維網(wǎng)架穿插，連續(xù)碳纖維網(wǎng)架穿插， 三維編織，有效避免三維編織，有效避免 分層問題分層問題 l該結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)由纖維交該結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)