飛機(jī)復(fù)合材料設(shè)計(jì)

目錄TOC\o"1-5"\h\z復(fù)合材料 2\o"CurrentDocument"復(fù)合材料特點(diǎn) 2\o"CurrentDocument"1.1復(fù)合材料的應(yīng)用 2\o"CurrentDocument"1.2設(shè)計(jì)規(guī)范的演變 2\o"CurrentDocument"復(fù)合材料適航驗(yàn)證試驗(yàn)程序 3\o"CurrentDocument"碳纖維樹脂基復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn) 3\o"CurrentDocument"碳纖維樹脂基復(fù)合材料缺點(diǎn)： 4\o"CurrentDocument"材料種類 4\o"CurrentDocument"2.1樹脂基體 4\o"CurrentDocument"熱塑性復(fù)合材料 4熱固性復(fù)合材料 5\o"CurrentDocument"樹脂材料性能對(duì)比 5\o"CurrentDocument"2.2增強(qiáng)纖維 6\o"CurrentDocument"碳纖維 6玻璃纖維 7芳綸纖維 7\o"CurrentDocument"材料性能對(duì)比 72.3預(yù)浸料 72.4芯材 8\o"CurrentDocument"蜂窩芯 8\o"CurrentDocument"泡沫芯 8\o"CurrentDocument"2.5膠粘劑 9\o"CurrentDocument"復(fù)合材料試驗(yàn)驗(yàn)證步驟 9\o"CurrentDocument"復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9\o"CurrentDocument"4.1復(fù)合材料設(shè)計(jì)基本要求 9\o"CurrentDocument"4.2設(shè)計(jì)選材 9\o"CurrentDocument"4.2.1設(shè)計(jì)選材需求 9\o"CurrentDocument"4.2.2夾層結(jié)構(gòu)的選材 10\o"CurrentDocument"4.3層壓板設(shè)計(jì) 10\o"CurrentDocument"鋪層方向和比例 10\o"CurrentDocument"鋪層設(shè)計(jì) 10\o"CurrentDocument"丟層要求 10\o"CurrentDocument"拼接 11\o"CurrentDocument"開口設(shè)計(jì)要求 11\o"CurrentDocument"4.4夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11\o"CurrentDocument"制造方法 11\o"CurrentDocument"面板設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 11芯材 12\o"CurrentDocument"4.5細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 12\o"CurrentDocument"4.6復(fù)合材料設(shè)計(jì)優(yōu)化 12\o"CurrentDocument"復(fù)合材料連接 13\o"CurrentDocument"4.7.1膠接結(jié)構(gòu) 13\o"CurrentDocument"垂尾復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14\o"CurrentDocument"復(fù)合材料檢測(cè) 14\o"CurrentDocument"復(fù)合材料制造 14\o"CurrentDocument"5.1復(fù)合材料的成型方法和特點(diǎn) 14\o"CurrentDocument"成型工藝過程 155.2.1熱壓罐工藝 16\o"CurrentDocument"5.2.2RTM工藝 165.2.3機(jī)加工藝 16制造缺陷 16復(fù)合材料復(fù)合材料特點(diǎn)復(fù)合材料主要由基體和增強(qiáng)材料組成。非金屬基體包括樹脂、陶瓷等，增強(qiáng)材料包括碳纖維、芳綸、玻璃纖維等。應(yīng)用最多的是樹脂基碳纖維復(fù)合材料，其次是芳綸纖維。玻璃纖維因其強(qiáng)度、剛度較差，難以用在受力結(jié)構(gòu)上，但因?yàn)閮r(jià)格便宜，民機(jī)上有較多應(yīng)用。復(fù)合材料的韌性和對(duì)環(huán)境的耐受能力主要取決于樹脂。韌性：表示材料在塑性變形和破裂過程中吸收能量的能力，韌性越好，則發(fā)生脆性斷裂的可能性越小。1.1復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料首次應(yīng)用于空客A310-300（1985年）的垂尾上，后來應(yīng)用到了擾流板、方向舵、起落架艙門、整流罩等部位。A340（2001年）首次將復(fù)合材料用在機(jī)身上，后氣密壓力框；A380（2005年）將中央翼盒用復(fù)合材料，將后壓力框后部機(jī)身用復(fù)合材料，上層客艙底板、龍骨梁。A400M（2009年）第一架使用全碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的機(jī)翼飛機(jī)。波音787（2009年）第一家引入全復(fù)材機(jī)體結(jié)構(gòu)，整個(gè)機(jī)身結(jié)構(gòu)用了碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料?？湛秃髞淼腁350XWB也是全復(fù)材機(jī)身。1.2設(shè)計(jì)規(guī)范的演變FAA針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)合格審定中的新問題，于1978年頒布咨詢通告AC-20-107A“復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)”制定了一個(gè)可接受但不是唯一的驗(yàn)證方法，適用于FAR23、25、27和29涉及的所有航空器的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，成為制定滿足適航要求的復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)方法的依據(jù)。針對(duì)各類飛機(jī)復(fù)合材料20多年的使用經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，F(xiàn)AA于2003年提出FAAAC20-107B草案。更明確的領(lǐng)域包括：損傷容限（沖擊狀況、分散系數(shù)、疲勞載荷譜、試驗(yàn)驗(yàn)證等）；環(huán)境條件和試驗(yàn)驗(yàn)證；結(jié)構(gòu)膠接（弱膠接問題）；維修、檢查和修理；可燃性和耐撞性；鑒定新材料和新工藝；與A版內(nèi)容對(duì)比新增內(nèi)容有：適用對(duì)象；附加考慮；附錄3關(guān)于復(fù)合材料和工藝的變更；具體更新內(nèi)容有：材料規(guī)范、工藝規(guī)范、質(zhì)量控制；結(jié)構(gòu)保護(hù)；設(shè)計(jì)值、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)；靜力試驗(yàn)；損傷容限評(píng)定；持續(xù)適航；耐撞損性；閃電防護(hù)；增補(bǔ)內(nèi)容有：顫振和其他氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定驗(yàn)證；在結(jié)構(gòu)適航性方面，F(xiàn)AA使用咨詢通告規(guī)定，申請(qǐng)人使用MIL-HDBK-17（MilitaryHandbook17，軍用手冊(cè)）中規(guī)定的材料性能作為型號(hào)符合性審定過程中的材料依據(jù)，并且使用美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)（AmericanSocietyfortestingandmaterial，ASTM）的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)作為型號(hào)審定過程中獲取材料性能依據(jù)的試驗(yàn)方法。復(fù)合材料適航驗(yàn)證試驗(yàn)程序支撐疲勞和損傷容限并符合適航當(dāng)局適航規(guī)范文件中定義的適航驗(yàn)證試驗(yàn)程序如下：a、 CFRP結(jié)構(gòu)部件是由合格的材料和合格的生產(chǎn)過程制備而成，在該部件中人為地引入最大允許制造缺陷（孔隙率、分層等）和最大允許（不可見）沖擊損傷；b、 在該部件上施加動(dòng)態(tài)載荷，模擬一個(gè)完整的設(shè)計(jì)目標(biāo)壽命（疲勞階段）。c、施加靜態(tài)載荷，部件不能失效；d、 對(duì)部件施加可見損傷和更大的沖擊損傷；e、 在該部件上繼續(xù)施加動(dòng)態(tài)載荷，或模擬另一個(gè)設(shè)計(jì)服役目標(biāo)；f、 最后進(jìn)行部件剩余強(qiáng)度試驗(yàn)，要求部件具有承受限制載荷的能力。碳纖維樹脂基復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)a、 比強(qiáng)度、比剛度高。結(jié)構(gòu)能否減重的主要性能；b、 可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)效率；c、良好的抗疲勞性能好，特別是抗拉疲勞性能，纖維是多路傳力路線結(jié)構(gòu)，裂紋不易擴(kuò)展。d、 抗腐蝕性能好，腐蝕疲勞性能明顯優(yōu)于金屬；e、 便于大面積整體成型和制造形狀復(fù)雜零件，可大幅度降低零件數(shù)量和連接件數(shù)量；f、 具有良好的尺寸穩(wěn)定性，碳纖維的熱膨脹系數(shù)幾乎為零或負(fù)數(shù)；g、 可進(jìn)行電磁特性剪裁，有隱身功能。碳纖維樹脂基復(fù)合材料缺點(diǎn)：a、 層間強(qiáng)度低。容易產(chǎn)生分層破壞，降低承載能力；b、 沖擊韌性差。碳纖維復(fù)合材料比較脆，抗沖擊載荷能力差，容易出現(xiàn)損傷和分層；c、 成本較高。目前碳纖維和芳綸纖維的成本比較高。材料種類2.1樹脂基體樹脂基體分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂。熱固性復(fù)合材料中常用和性能優(yōu)良的是環(huán)氧樹脂和雙馬來酰亞胺樹脂。常用的熱塑性樹脂有聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚砜（PS）等。熱塑性復(fù)合材料熱塑性復(fù)合材料破壞應(yīng)變高、斷裂能高、固化過程可逆。優(yōu)點(diǎn)為：固化時(shí)間短、邊角廢料可重新使用，可進(jìn)行成型后再處理，貯存壽命無(wú)限，不需冷藏。還具有下列優(yōu)點(diǎn)：a、 改善了環(huán)境耐受能力，耐溫、耐潮；b、 便于整體成型和再加工，提高了材料利用率；c、 增強(qiáng)了韌性，損傷容限能力好；d、 缺點(diǎn)是原材料成本高，工藝性比較難e、 缺點(diǎn)是需要高溫和加壓處理、粘性極差。碳纖維增強(qiáng)PPS的力學(xué)性能低于響應(yīng)PEEK的力學(xué)性能（PPS拉伸強(qiáng)度75-85MPa，PEEK拉伸強(qiáng)度90-100MPa）。熱固性復(fù)合材料熱固性樹脂破壞應(yīng)變低、斷裂能低、固化過程不可逆；優(yōu)點(diǎn)是固化溫度比較低，與纖維浸潤(rùn)濕性好，可構(gòu)造復(fù)雜形狀，可用液態(tài)樹脂制造。缺點(diǎn)是固化時(shí)間長(zhǎng)，貯存壽命有限（需要冷藏）。飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)上一般選用的是熱固性環(huán)氧樹脂，熱塑性用的比較少。125攝氏度和180攝氏度這兩種環(huán)氧樹脂體系已經(jīng)經(jīng)過鑒定的。環(huán)氧樹脂的黏度范圍大，適用于不同的制造工藝和固化過程，適用于熱壓罐成型、真空袋成型、樹脂傳遞模塑成型和拉擠成型，固化溫度從室溫至180°C。主要缺點(diǎn)是吸濕性強(qiáng)，尤其是在高溫下，水分使玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低。酚醛樹脂具有優(yōu)異的絕緣性能、耐濕性和良好的電性能。一般用于內(nèi)飾，要求使用材料低煙、低毒、阻燃性好等。聚酰亞胺樹脂（PI）包括熱固性和熱塑性兩類，熱固性聚酰亞胺具有優(yōu)異的熱氧化穩(wěn)定性和良好的綜合力學(xué)性能，耐溫較高，可達(dá)到300-400C，用于高超聲速飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)上。已進(jìn)入商品化的有PMR-15和PMR-II等。但其成型工藝較環(huán)氧樹脂差，其固化需要很高的固化溫度，通常超過290C。雙馬來酰亞胺樹脂（BMI）具有良好的耐高溫、耐輻射、耐濕熱、吸濕率低等特性。與環(huán)氧樹脂相比，主要優(yōu)點(diǎn)是較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，可高達(dá)260C-320C，而高溫環(huán)氧樹脂通常低于260C。還具有較高的伸長(zhǎng)率2%-3%，環(huán)氧樹脂伸長(zhǎng)率1%-2%。成型工藝和環(huán)氧樹脂類似，適用于熱壓罐、注射模塑法、樹脂傳遞模塑等，成本一般比環(huán)氧樹脂高。主要用于耐高溫零部件。預(yù)浸料一般現(xiàn)在用的最多的是熱固性樹脂。樹脂材料性能對(duì)比與環(huán)氧樹脂相比，熱塑性樹脂表現(xiàn)出優(yōu)異的熱濕強(qiáng)度性能（PEEK室溫最大吸濕率在0.5%，增韌環(huán)氧樹脂在1-5%）。熱塑性樹脂材料的面內(nèi)剪切強(qiáng)度和斷裂韌性比環(huán)氧樹脂優(yōu)異。拉伸模量相近，2.2增強(qiáng)纖維飛機(jī)用增強(qiáng)材料的基本形式是絲束（連續(xù)纖維束）及織物。絲束是增強(qiáng)材料的最基本形式，用于制備單向帶?？椢锟煞譃闊o(wú)緯布、平紋布、緞紋布。主承力復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中處于支配地位的纖維材料是碳纖維，一般按照強(qiáng)度性能分為低模、中模、高模。芳綸纖維容易吸濕，僅限于特殊用途。玻璃纖維能提供較高強(qiáng)度，成本低，但是模量相當(dāng)于碳纖維的1/3到1/4，密度比較高，減重優(yōu)勢(shì)不明顯，很少的民機(jī)結(jié)構(gòu)采用玻璃纖維。碳纖維代號(hào)：高強(qiáng)碳纖維（HT）,最常用的拉伸模量240GPa，拉伸強(qiáng)度3600MPa。HM：高模量；HT:高強(qiáng)；HST:高失效應(yīng)變；IM：中模量；LM：低模量；碳纖維絲束包括1K（1束1000根單絲），3K、6K、12K、24K。日本東麗公司（Torayca）碳纖維分兩個(gè)系列，T系列和M。T系列表示的是拉伸強(qiáng)度，M系列表示的是模量。牌號(hào)：T300、T800、T1000。T300拉伸強(qiáng)度3530MPa；拉伸模量：235GPa；密度1.76g/cm*3；T800拉伸強(qiáng)度5590MPa；拉伸模量：294GPa；密度1.8g/cm*3；AMMS3103；復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)：advancedMaterialsandmechanicalsciense。普通碳纖維，比強(qiáng)度1.74，比剛度130。一般民用產(chǎn)品和一般航空結(jié)構(gòu)。中強(qiáng)碳纖維（如T300、T500）,比強(qiáng)度1.8-2.7，比剛度130-170。用于民機(jī)結(jié)構(gòu)、軍機(jī)一般結(jié)構(gòu)。高強(qiáng)高韌碳纖維（如T800、T1000）,比強(qiáng)度3.1-3.9，比剛度160-170。用于航空、航天主要受力結(jié)構(gòu)。高模碳纖，比強(qiáng)度0.95-1.35，比剛度210-330。維用于重量控制很嚴(yán)、剛度要求很高的結(jié)構(gòu)，如航天飛機(jī)機(jī)械臂。玻璃纖維高強(qiáng)玻璃纖維（如S玻璃纖維），比強(qiáng)度1.04,比剛度32?1,斷裂應(yīng)變3.25%,用于透波類結(jié)構(gòu)（雷達(dá)罩）和耐沖擊類結(jié)構(gòu)。用作碳纖維和金屬接觸處的電絕緣層。芳綸纖維芳綸纖維是一種有機(jī)合成纖維，具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱性能好、阻尼性能好；化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好。主要缺點(diǎn)是吸濕性強(qiáng)、壓縮強(qiáng)度低，和樹脂結(jié)合界面性能略差。芳綸纖維首先由美國(guó)杜邦（Dupont）化學(xué)公司研發(fā)，Kevlar-149比kevlar49大大改善了吸濕性能。Kevlar-49（凱夫拉，美國(guó)杜邦驗(yàn)證的芳綸纖維），比強(qiáng)度1.9,比剛度85-120,用于透波類結(jié)構(gòu)，機(jī)械加工性能差，民機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)（容易吸濕）。材料性能對(duì)比芳綸纖維與玻璃纖維和碳纖維相比：密度最小、拉伸極限應(yīng)變最大，芳綸纖維密度為1.44g/cm*3，比玻璃纖維低大約40%，比常用碳纖維大約低20%。芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可用于對(duì)減重要求迫切的飛機(jī)部件，具有優(yōu)異的吸能防彈和結(jié)構(gòu)承載等性能，可用于防彈裝甲和結(jié)構(gòu)部件。2.3預(yù)浸料在某型號(hào)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)過程中曾經(jīng)暴露出了碳纖維斷裂延伸率與樹脂韌性不匹配、預(yù)浸料樹脂含量設(shè)置不能滿足工藝要求、材料規(guī)范規(guī)定的工藝施工期不能適應(yīng)大型零件制造需求等問題。預(yù)浸料按物理狀態(tài)分為單向帶和織物兩種，。預(yù)浸料的原材料包括增強(qiáng)體和基體，增強(qiáng)體主要是碳纖維、玻璃纖維、芳綸及其織物，其他纖維用的比較少。樹脂基體主要是環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、酚醛樹脂等。按固化溫度不同分成低溫固化（V80攝氏度）、中溫固化（120°C）、高溫固化（180C）。預(yù)浸料用碳纖維含標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維、中模量碳纖維以及高模量碳纖維等，其他包括玻璃纖維和芳綸纖維等。芯材夾層結(jié)構(gòu)的芯子主要用于分隔、支撐、穩(wěn)定面板。主要承受夾層殼體和板件結(jié)構(gòu)中大部分的面外載荷和橫向剪切載荷。通常包括蜂窩、泡沫等。蜂窩材料包括芳綸紙蜂窩和鋁蜂窩。泡沫包括聚甲基丙烯酸胺（PMI）泡沫和聚氯乙烯（PVC）泡沫。蜂窩芯芳綸紙蜂窩采用芳綸纖維制成，又分為間位芳綸紙蜂窩（Nomex紙蜂窩）和對(duì)位芳綸紙蜂窩（Kevlar紙蜂窩）。Nomex紙蜂窩是用Nomex紙制成，通常是將初始的紙蜂窩浸漬到酚醛樹脂中制成。力學(xué)性能好，密度低，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，用到高性能宇航部件。Kevlar紙蜂窩是以對(duì)位芳綸紙制成，對(duì)位芳綸的分子鏈排列成直線狀，分子排列規(guī)整、有序、為剛性結(jié)構(gòu)，因此在比強(qiáng)度、比模量、耐濕熱等方面有優(yōu)勢(shì)，但分子剛性大、不易產(chǎn)生變形、蜂窩成型加工困難，回彈力大。泡沫芯聚氯乙烯（PVC）泡沫，閉孔聚氯乙烯泡沫是高性能夾層結(jié)構(gòu)中廣泛使用的芯材。有交聯(lián)和非交聯(lián)兩種。非交聯(lián)泡沫常常稱為“線性的”，比較韌、也比較柔軟，易于熱成型為曲面形狀。交聯(lián)的PVC泡沫比較硬，但比較脆，可制成比較剛性的板材。聚甲基丙烯酸按（PMI）泡沫是一種各向同性的輕質(zhì)材料，與芳綸蜂窩芯材相比，具有易于不同型面機(jī)械加工、便于成型復(fù)雜型面、耐水性優(yōu)良等特點(diǎn)。PMI泡沫易于與高溫固化預(yù)浸料共同使用。在同等密度條件下，PMI泡沫的力學(xué)性能劣于芳綸蜂窩。2.5膠粘劑飛機(jī)結(jié)構(gòu)常用膠粘劑是環(huán)氧樹脂，可在120°C和175°C下固化。有膜狀和糊狀兩種形式。復(fù)合材料試驗(yàn)驗(yàn)證步驟復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件按照積木式驗(yàn)證步驟，逐級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)進(jìn)行研究。從下往上：首先是試樣和元件級(jí)別的驗(yàn)證，對(duì)材料、結(jié)構(gòu)形式（取其中一段，比如：工字型界面、L型截面、連接區(qū)等）進(jìn)行初步驗(yàn)證。接下來是對(duì)典型結(jié)構(gòu)件（加筋壁板一段、機(jī)翼一部分大梁和翼肋的組合）進(jìn)行驗(yàn)證；再下來就是組合件（裝配完成的試驗(yàn)件）；最后是完整的真實(shí)部件試驗(yàn)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1復(fù)合材料設(shè)計(jì)基本要求針對(duì)結(jié)構(gòu)特別是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的典型設(shè)計(jì)要求可概括為：a、配合、形狀和功能。選擇合適的模具和制造工藝是使設(shè)計(jì)意圖實(shí)現(xiàn)的最大需求；b、 強(qiáng)度、剛度要求。靜載荷、疲勞載荷、損傷容限；c、 環(huán)境影響。設(shè)計(jì)時(shí)考慮不可避免的環(huán)境影響，提供防護(hù)體系；d、 熱膨脹系數(shù)的配置?？紤]不同膨脹系數(shù)結(jié)構(gòu)之間協(xié)調(diào)變形的影響；e、 特殊結(jié)構(gòu)要求（防靜電、防雷擊和電磁兼容）；f、 頻率配置；g、 最小重量；h、 最低成本；i、 良好可檢性、維修性、工藝性。4.2設(shè)計(jì)選材4.2.1設(shè)計(jì)選材需求a、 材料有咼的比強(qiáng)度和比剛度；b、 使用環(huán)境，比如工作溫度；（高溫區(qū)用聚酰亞胺）；c、 特殊性能要求，比如阻燃、煙霧、毒性（用酚醛樹脂）；d、 預(yù)浸料制造、固化成型具有好的工藝性；e、 材料成本。4.2.2夾層結(jié)構(gòu)的選材夾層結(jié)構(gòu)包括面板和夾芯，面板分為金屬面板（鋁合金、鈦合金）和復(fù)合材料面板（碳纖維、玻璃纖維）。夾芯分為蜂窩（鋁蜂窩和芳綸紙）和泡沫（PMI閉孔和低密度）。4.3層壓板設(shè)計(jì)鋪層方向和比例推薦鋪層比例：受拉和受壓、（60，30，10）；剪切（30，60，10）；多方向載荷（25，50，25）。鋪層設(shè)計(jì)a、 角度相同的鋪層應(yīng)均勻分布，最小化耦合效應(yīng)；b、 盡量采用對(duì)稱鋪層，減少固化變形；c、 若不能滿足均衡和對(duì)稱，盡量將非對(duì)稱和不均衡部分放在中面附近；d、 表面鋪層應(yīng)避免與主載荷方向一直；e、由0、90、±45度組成的結(jié)構(gòu)，每一種最少占10%；f、 可能受到?jīng)_擊部位，外表面用織物，或增加±45°鋪層，或采用碳-芳綸-玻璃組成的混雜結(jié)構(gòu)；g、 連接區(qū)保證足夠的強(qiáng)度，便于載荷擴(kuò)散；h、 在梁、框、肋等凸緣部位，應(yīng)布置加大比例0度鋪層，提高軸向強(qiáng)度剛度；i、 開口區(qū)應(yīng)局部加強(qiáng)，并使相鄰層夾角盡可能??；j、 鋪層數(shù)遞減處形成臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階寬度相等，不小于2.5mm，表面鋪設(shè)連續(xù)層以防剝離；k、 同一鋪層角度疊在一起層數(shù)不多于四層，厚度小于0.8mm；l、 與鋁合金接觸表面鋪設(shè)玻璃布，避免電偶腐蝕；丟層要求a、 厚度有變化時(shí)，受力主方向斜率1/20，其他方向1/10，連接界面上（梁與壁板之間，長(zhǎng)桁與蒙皮之間）1/40；b、 需要丟層的鋪層應(yīng)靠近中面，避免在同一位置連丟兩層，沿厚度方向均勻丟層，盡量減小不對(duì)稱和不平衡；c、 至少最外兩層是連續(xù)的；d、 縱向件與丟層邊界保持最小5mm的平面距離。拼接a、 拼接線平行于纖維方向時(shí)：優(yōu)選對(duì)接形式，對(duì)接間隙大于0,小于2.5mm。允許在21mm交錯(cuò)距離下有1mm搭接；b、 對(duì)于自動(dòng)鋪帶，應(yīng)有21±4mm的交錯(cuò)間隔，當(dāng)在同一位置出現(xiàn)對(duì)接時(shí)，兩處對(duì)接間至少應(yīng)有4個(gè)鋪層；c、 拼接線垂直纖維方向：不允許用對(duì)接形式，搭接不是首選的，如必須，采用12-25mm搭接；d、 與相鄰鋪層的對(duì)接接頭應(yīng)保持在一個(gè)方向最小2000mm距離，在另一個(gè)方向最少300mm的距離；e、 裝配中對(duì)厚度敏感的區(qū)域，應(yīng)避免采用搭接形式。開口設(shè)計(jì)要求a、 增加開口部位土45°鋪層比例和；b、 盡量開成圓孔且少切斷纖維，便于加工且應(yīng)力集中??；c、 開口部位一般應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，對(duì)于直徑小于30mm，孔徑/板寬小于0.2的孔，可不予加強(qiáng)；d、 開口應(yīng)盡量避免切斷長(zhǎng)桁、筋條或腹板立柱等；e、 補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域鋪層應(yīng)與母板協(xié)調(diào)，并要求厚度變化有一個(gè)過渡區(qū)，保持剛度均勻過渡；4.4夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由兩層面板與一層厚度大重量輕的芯材粘接而成。制造方法（1） 濕態(tài)面板+芯材+濕態(tài)面板，不需要額外增加膠膜，如需要防止水分進(jìn)入，需要增加膠膜；（2） 固化面板+芯材+濕態(tài)面板，需另外增加膠膜；（3） 固化面板+芯材+固化面板，必須增加膠膜；面板設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（1） 最小厚度：織物最少2層，或1層織物+1層單向帶，純單向帶至少應(yīng)有三層且最小厚度不低于0.4mm；（2） 至少應(yīng)有兩個(gè)纖維方向，如果使用單向帶，至少一層垂直于單向帶方向；（3） 對(duì)于單一面板無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)稱，則盡可能在整個(gè)結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)對(duì)稱；（4） 當(dāng)使用45°/135°鋪層時(shí)，盡可能滿足鋪層的均衡性；（5） 與芯材接觸的鋪層以及外表面鋪層應(yīng)連續(xù)。芯材4.5細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)復(fù)合材料在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上需要注意的包括：1、 鋪層：均衡原則；表面鋪層避免與主載荷一致；集中受力部位需要加強(qiáng)厚度面積大一點(diǎn)，便于載荷擴(kuò)散；同一鋪層角集中不多于4層；2、 丟層：丟層寬度大于2.5mm；厚度變化丟層斜率，主載荷方向斜率1/20,其它方向1/10；丟層鋪層靠近中面；外部?jī)蓚€(gè)層必須連續(xù)。3、 邊緣密封：增加膠膜；灌膠填充；如果是夾層結(jié)構(gòu)，且有螺栓連接的話增加玻璃纖維塊。4、防水要求：面板厚度不小于4層（在7bar或者更高的壓力下固化后就是防水的，但蒙皮必須進(jìn)行預(yù)固化防止芯材塌陷）；增加膠膜來防水；5、拼接：拼接平行纖維方向優(yōu)選對(duì)接，垂直的話必須搭接。6、裝配：與鋁合金或合金鋼接觸時(shí)，表明鋪玻璃布，避免電偶腐蝕；標(biāo)準(zhǔn)件選用鈦合金和不銹鋼，并進(jìn)行濕裝配，避免電偶腐蝕。鉚釘選用抽釘，采用壓鉚方式。盡量采用雙剪連接，盡可能避免單剪連接。多排緊固件盡量采用平行排列，避免交錯(cuò)排列。復(fù)合材料設(shè)計(jì)優(yōu)化利用的是Hyperworks軟件對(duì)它的鋪層區(qū)域、區(qū)域鋪層厚度、鋪層順序進(jìn)行了優(yōu)化。初始優(yōu)化時(shí)，先建立了四個(gè)超級(jí)層，因?yàn)橐话沅亴咏嵌榷际?°、90°、±45°嗎，所以先建立了這四個(gè)角度的超級(jí)層，以它們?yōu)閮?yōu)化初始變量，第一步優(yōu)化得到鋪層形狀，它這一步，實(shí)際類似于金屬各向同性材料的拓?fù)鋬?yōu)化。比如這個(gè)零件主要受拉壓載荷，那它肯定0°、90°的這個(gè)層材料就完整，鋪層面積大一點(diǎn)。如果受剪切載荷的話，那肯定±45°這兩個(gè)鋪層的面積就會(huì)大。第二步，對(duì)每一次的鋪層厚度，也就是層數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，需要我們定一個(gè)選用材料的單層厚度，一般0.23mm厚。優(yōu)化出來的厚度層數(shù)是它的整數(shù)倍。第二步優(yōu)化完成后，每一個(gè)角度的鋪疊區(qū)域和厚度就確定了，最后一步對(duì)它的鋪層順序進(jìn)行優(yōu)化，最終得到一個(gè)最終的優(yōu)化結(jié)果，在優(yōu)化時(shí)我們優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)構(gòu)肯定選擇重量最輕，約束一般我們選擇位移約束。實(shí)際根據(jù)受力形式，也可以大致定，簡(jiǎn)單的受拉壓載荷的話，0°占60%，90°占10%；±45°占30%。剪切的話，±45°占60%，0°占30%；90°占10%。綜合受力的話四個(gè)鋪層角度平均分。4.7復(fù)合材料連接a、 復(fù)合材料連接區(qū)土45°層比例不低于40%,0°不低于30%,90°鋪層至少10%。b、 螺栓連接的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，配合精度不能采用干涉配合。c、 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)裝配面采用玻璃布隔離（防止電偶腐蝕），邊界至少超過零件邊界6mm。d、復(fù)合材料加筋板。4.7.1膠接結(jié)構(gòu)膠接結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：抗疲勞性能好、無(wú)孔邊應(yīng)力集中、牢固，趨近于材料極限強(qiáng)度；加工性能好；質(zhì)量輕。缺點(diǎn)：?jiǎn)我坏膫髁β窂?，?duì)工藝方法敏感，受環(huán)境因素影響大。結(jié)構(gòu)形式：包括筋條和壁板的貼合面膠接；單搭接、雙層對(duì)接、單層對(duì)接。實(shí)現(xiàn)方式：共固化、共膠接和二次膠接。失效模式：膠層和膠接面的剪切破壞；膠層和膠接件的玻璃破壞。結(jié)構(gòu)膠膜：常用的結(jié)構(gòu)膠膜包括180°C固化和120°C固化，150g/mm,250g/mm。兩者均可用于共膠接，首選150g/mm。250g/mm用于二次膠接。二次膠接時(shí)固化溫度的選擇應(yīng)使膠層的熱應(yīng)力最小。表面膠膜：同金屬件一起用于雷電防護(hù)和改善防水密封性。不用于結(jié)構(gòu)膠接，結(jié)構(gòu)膠膜可用于表面。4.8垂尾復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)垂尾為雙梁?jiǎn)螇K式結(jié)構(gòu)，由前后梁，上下加筋壁板，中間布置翼肋。一般加筋壁板剖面的形心越高，承拉壓的正應(yīng)力載荷形式的效率越好，同等尺寸的工字型長(zhǎng)桁和T型長(zhǎng)桁，顯然用工字型。主要結(jié)構(gòu)件包括加筋壁板、梁和翼肋，翼肋一般采用金屬機(jī)加。梁和加筋壁板采用復(fù)合材料，為Hexcel（和氏公司）的M21/34%/UD194/IMA12K，T800級(jí)的碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料。壁板是主要的承受氣動(dòng)力彎矩和扭矩的正應(yīng)力承力構(gòu)件。單一壁板受壓和剪切時(shí)容易導(dǎo)致筋條和蒙皮失穩(wěn)。筋條對(duì)蒙皮起到支撐作用和隔波作用，當(dāng)筋條剛度足夠時(shí)，允許蒙皮局部失穩(wěn)。4.9復(fù)合材料檢測(cè)復(fù)合材料的等級(jí)由結(jié)構(gòu)重要度決定，一般分為三級(jí)（最重要、重要、最不重要）。不同重要等級(jí)復(fù)合材料的檢測(cè)項(xiàng)目不同，包含首件合格鑒定、無(wú)損檢測(cè)、目視檢查、隨爐件。復(fù)合材料制造5.1復(fù)合材料的成型方法和特點(diǎn)a、按樹脂的成型特性分為熱壓成型和液體成型。熱壓成型分為：熱壓罐、模壓、真空袋、軟膜、拉擠成型。液體成型：RTM、RFI、VARI、VARTM（真空RTM）。b、 按原材料分為干態(tài)纖維和預(yù)浸料。干態(tài)纖維（包括自動(dòng)鋪絲和預(yù)成型體）主要采用液態(tài)成型。預(yù)浸料（包括單向帶、織物預(yù)浸料）主要成型方式，包括熱壓罐、熱壓機(jī)、真空袋。c、 按結(jié)構(gòu)形式：分為夾層結(jié)構(gòu)和層壓板。層壓板：分為：濕態(tài)面板+芯材+濕態(tài)面板；固化面板+芯材+濕態(tài)面板，需要另外增加膠膜；固化面板+芯材+固化面板，必須增加膠膜。成型時(shí)需要保證一定壓力和溫度。熱壓罐、真空袋、熱壓機(jī)。夾層結(jié)構(gòu)：熱壓罐和真空袋。下面給出常見的幾種：a、 真空袋成型：真空袋提供固化壓力，至于提供熱源的烘箱中。主要應(yīng)用于低壓成型的樹脂基體，便于制造夾層結(jié)構(gòu)，以免芯子壓塌。磨具費(fèi)用少，壓力O.IMpa，質(zhì)量差，用在民用產(chǎn)品上。b、 模壓成型：一般在能提供溫度條件的壓機(jī)上進(jìn)行，常有陰陽(yáng)模，適用于尺寸小、形狀復(fù)雜的零件，成型尺寸精度高。質(zhì)量穩(wěn)定，精度高，可生產(chǎn)形狀復(fù)雜零件，模具費(fèi)用大，對(duì)質(zhì)量要求高的產(chǎn)品不合適。c、 熱壓罐成型：熱壓罐能夠加壓、加熱，可用來固化成型樹脂基復(fù)合材料，要求模具簡(jiǎn)單，適用于成型板殼類大型制件。