第三章復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計名詞概念結(jié)構(gòu)選材層合板鋪層設(shè)計結(jié)構(gòu)元件設(shè)計細節(jié)設(shè)計開口區(qū)設(shè)計連接設(shè)計耐久性/損傷容限設(shè)計名詞概念鋪層：復(fù)合材料制件中的一層單向帶或織布（0.1~0.3mm)層合板：由單向或多向鋪層壓制而成的復(fù)合材料板鋪向角/鋪層角：每一鋪層的纖維方向與制件參考坐標x軸之間的夾角（由x軸到纖維方向逆時針旋轉(zhuǎn)為正）鋪層鋪層組：一組具有相同鋪層角的連續(xù)鋪層。鋪層順序：鋪貼中具有各種不同鋪向角的鋪層的排列次序（緊貼模具型面的鋪層作為第一層）鋪層編號：npmn:零件圖號p:鋪層代號m:鋪層序號子層合板：層合板內(nèi)一個多次重復(fù)的多向鋪層組合對稱層合板：全部鋪層及其各種特性和參數(shù)相對于板的幾何中面鏡面對稱的層合板均衡層合板：鋪層的各種特性和參數(shù)相同，鋪向角為+θ和-θ的鋪層數(shù)相等的層合板。

如[603/-603]，[0/+452/90/-452]均衡對稱層合板（工程上常用的層合板大多是均衡對稱層合板）

如[602/-602]s正交層合板：只有0o和90o鋪層的雙向?qū)雍习濉Ｈ鏪0/90]s,[02/90]s斜交層合板：只含有+θ和-θ鋪層的雙向?qū)雍习?。如[30/-30]sπ/4層合板：有四個鋪層方向，彼此相隔45o，各鋪層組可具有任意厚度的對稱層合板。如[02/45/90/-45/0]s一般層合板：主要是非對稱層合板，或有不同鋪層材料組成的混合式層合板。如[0/+45/-45/+45/90/0]層間應(yīng)力：除層板的三個面內(nèi)應(yīng)力外，沿兩個鋪層間的界面上產(chǎn)生的、與厚度方向有關(guān)的三個應(yīng)力分量。其中兩個剪切分量稱為層間剪應(yīng)力/橫向剪應(yīng)力。使用載荷（限制載荷）P使用：飛機使用中所允許的最大載荷思想：在該載荷下，構(gòu)件的應(yīng)力臨近比例極限強度，但是未出現(xiàn)永久變形，不妨礙安全運行。設(shè)計載荷（極限載荷）

P設(shè)計：在一定的安全裕度下，對飛機結(jié)構(gòu)按照某一高于使用載荷的載荷進行設(shè)計，該載荷即設(shè)計載荷。思想：結(jié)構(gòu)在某一構(gòu)件破壞時所能承受的最大載荷。

使用載荷<設(shè)計載荷安全系數(shù)：定義：P設(shè)計/P使用物理意義：實際使用載荷要增大到多少倍結(jié)構(gòu)才破壞。

倍數(shù)，結(jié)構(gòu)的強度儲備系數(shù)。確定大小的原則：最小重量原則（強、剛、重）疲勞安全壽命：僅考慮從無裂紋——宏觀可檢裂紋的壽命（認為無初始缺陷），出現(xiàn)可檢裂紋即認為結(jié)構(gòu)破壞

損傷容限：承認結(jié)構(gòu)存在初始缺陷，但須在未修的使用期內(nèi)將初始缺陷和使用中缺陷發(fā)展的程度控制在一定范圍，即含缺陷或裂紋的結(jié)構(gòu)承載能力、缺陷的允許程度（安全裕度），可確定檢查周期

原因：結(jié)構(gòu)通常存在初始缺陷（材料、生產(chǎn)制造、裝配等不可避免的漏檢裂紋、缺陷）（在重復(fù)載荷下不斷擴展）損傷容限結(jié)構(gòu)類型破損安全：表示：η

破損≥η使用=η設(shè)計

/安全系數(shù)含義：某結(jié)構(gòu)元件破損后，其殘余結(jié)構(gòu)還能承受一定的載荷，并在下一次檢查前不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞；檢查出此破損后，應(yīng)加以更換或維修。適用性：可檢部位、超靜定多傳力結(jié)構(gòu)緩慢裂紋擴展：表示：L出現(xiàn)裂紋→臨界裂紋

≥L設(shè)計

含義：要求在整個使用壽命期內(nèi)，裂紋應(yīng)緩慢發(fā)展，以使其不會達到臨界裂紋長度。

不考慮無裂紋壽命適用性：不可檢部位

經(jīng)濟壽命：結(jié)構(gòu)出現(xiàn)某種損傷，使得進行修復(fù)反而不經(jīng)濟的時限

（修理不經(jīng)濟，不修又影響使用）耐久性：飛機結(jié)構(gòu)的耐久性是指飛機結(jié)構(gòu)在規(guī)定的經(jīng)濟壽命期間內(nèi)，抵抗疲勞開裂、腐蝕、熱退化、剝離、磨損和外來物偶然損傷作用的一種固有能力。耐久性設(shè)計思想：在整個使用壽命期內(nèi)使飛機的維護費用最少且保證飛機有良好的出勤狀態(tài)

（a）正軸坐標系和應(yīng)力（b）偏軸坐標系和應(yīng)力層合板/層壓板的表示法：圖示法（直觀）和公式法（簡便）單向?qū)雍习宓幕緩姸?/p>

鋪層的基本強度，復(fù)合材料在面內(nèi)正軸向的單軸正應(yīng)力或純剪力作用下的極限應(yīng)力（5項：單向板縱向和橫向拉、壓強度；面內(nèi)剪切強度）。層合板的強度

1、最先一層失效強度

各單一鋪層應(yīng)力分析→計算各鋪層強度比→比較（強度比最小的鋪層最先失效，其對應(yīng)的正則化內(nèi)力）（強度比：材料強度極限同結(jié)構(gòu)所受對應(yīng)應(yīng)力的比值）2、層合板極限強度導(dǎo)致層合板中各鋪層全部失效時的層合板正則化內(nèi)力（層合板逐層失效）層間應(yīng)力強度：復(fù)合材料層合板抵抗層間應(yīng)力的能力與基體強度為同一量級產(chǎn)生原因：1、橫向載荷2、自由邊界效應(yīng)

自由邊、孔周邊等處存在層間應(yīng)力集中后果：易導(dǎo)致分層破壞飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求氣動性能要求：保證飛機具有合理的氣動外形和好的表面質(zhì)量（否則飛行性能和品質(zhì)變差）最小重量要求：保證在足夠的強度、剛度、疲勞安全壽命、損傷容限等條件下，結(jié)構(gòu)重量最輕結(jié)構(gòu)重量系數(shù)：飛機結(jié)構(gòu)重量/飛機正常起飛重量

的百分比

第一代→第四代殲擊機

35%→33%→30.5%→28%設(shè)計和制造人員的重要使命：減重

口號：“為減輕飛機的每一克重量而奮斗”使用維護要求：便于使用、維護、修理結(jié)構(gòu)工藝性要求：便于加工、裝配經(jīng)濟性要求：飛機的主要成本（設(shè)計、制造和運營

)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計：包括選材、層合板鋪層設(shè)計、結(jié)構(gòu)元件設(shè)計、連接設(shè)計、細節(jié)設(shè)計等1、設(shè)計要求材料性能必須考慮環(huán)境因素的影響。結(jié)構(gòu)靜強度和剛度必須考慮重復(fù)載荷和環(huán)境引起的結(jié)構(gòu)性能退化。疲勞和損傷評定要建立不同于金屬的缺陷/損傷的評定原則。防止與復(fù)合材料相接觸的金屬構(gòu)件電偶腐蝕。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)須進行防雷擊設(shè)計（如翼尖、前緣、機頭等部位）。滿足工藝性要求時盡量采用低成本和整體成型制造工藝。2、設(shè)計原則1）提高結(jié)構(gòu)效率鋪層設(shè)計要揚長避短（充分利用纖維方向優(yōu)良性能，避免弱的橫向和剪切性能）選擇合理的結(jié)構(gòu)型式，突變區(qū)注意鋪層過渡，敏感區(qū)采取措施提高結(jié)構(gòu)的制造整體性（減少——緊固件、裝配工作量、重量）2）保證結(jié)構(gòu)載荷傳遞（承載路徑盡量連續(xù)、避免偏心、避免切口等）3）具有良好的工藝性（質(zhì)量好、成本低、成型和裝配時造成的缺陷少）避免鋪層設(shè)計不合理：如鋪層不對稱和同一鋪層角鋪層數(shù)集中過多（固化過程中引起彎拉扭耦合——翹曲變形、樹脂裂紋、分層等）、拐角圓角半徑過小（纖維斷裂、纖維架橋、富脂等）裝配時不能錘鉚，不能敲打（樹脂較脆）4）主結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部位設(shè)計要考慮損傷容限能力5）考慮結(jié)構(gòu)同環(huán)境的相容性（腐蝕、雷電等）3、設(shè)計方法的特點選材時不僅考慮其機械性能，而且考慮使用溫度范圍、濕/熱引起的性能退化、損傷容限、材料工藝性等結(jié)構(gòu)設(shè)計同材料設(shè)計同時進行（金屬是按手冊上的性能數(shù)據(jù)選擇材料，然后進行結(jié)構(gòu)設(shè)計；復(fù)合材料是結(jié)構(gòu)與材料一次成型，作為材料的層合板機械性能也具有可設(shè)計性）。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計限制/許用值一般取許用應(yīng)變，不是許用應(yīng)力（結(jié)構(gòu)未失效時，各鋪層應(yīng)變應(yīng)該一致但各層應(yīng)力大小不同）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計許用值可能遠低于材料許用值。（保證結(jié)構(gòu)完整性——破壞機理復(fù)雜、分析和預(yù)測理論不完善、設(shè)計和使用經(jīng)驗不足）許用值：表征材料性能，在一定的載荷和環(huán)境條件下，由試樣、元件或細節(jié)件等試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計分析后確定的、具有一定置信度和可靠度的性能表征值。設(shè)計許用值：用于結(jié)構(gòu)設(shè)計，在設(shè)計載荷/極限載荷下，為保證整個結(jié)構(gòu)的完整性具有高置信度，在許用值的基礎(chǔ)上，由設(shè)計師規(guī)定的設(shè)計限制值。設(shè)計許用值/應(yīng)變確定原則：拉伸：帶孔和緊固件的試樣的干態(tài)試驗數(shù)據(jù)壓縮：含沖擊損傷和孔的試樣在濕/熱環(huán)境下剪切：濕/熱環(huán)境下（典型鋪層開孔的直徑6.35mm）隨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%設(shè)計許用值的數(shù)值基準：“A”基準：給出的性能值是一個極限值，要求在95%置信度下至少有99%數(shù)值群的性能值高于它?！癇”基準：給出的性能值是一個極限值，要求在95%置信度下至少有90%數(shù)值群的性能值高于它。金屬結(jié)構(gòu)——因性能數(shù)據(jù)分散性小，常采用A基準復(fù)合材料結(jié)構(gòu)——根據(jù)具體情況采用A基準或B基準（不進行結(jié)構(gòu)試驗的構(gòu)件、單路傳力構(gòu)件、主受力件——A基準；

多路傳力、具有破損安全特性的構(gòu)件、次受力件——B基準）設(shè)計選材1、選材原則（綜合考慮）比強度和比剛度高（減重明顯）滿足結(jié)構(gòu)使用環(huán)境要求綜合成本低（全壽命：材料、加工制造、使用維護）沖擊損傷不敏感加工工藝性好滿足結(jié)構(gòu)特殊要求2、纖維選擇大致原則：強度剛度要求高：碳纖維和硼纖維抗沖擊和韌性好：玻璃纖維和芳綸纖維強度剛度要求高+抗沖擊和韌性好：碳纖維中加入玻璃纖維或芳綸纖維（混雜復(fù)合材料：用一種纖維優(yōu)點彌補另一種的缺點）透波性好：玻璃纖維和芳綸纖維纖維供應(yīng)形式：織布：形狀復(fù)雜零件（不宜崩落和分層）（玻璃纖維和芳綸纖維較多）單向帶：表面平整光滑（碳纖維較多）3、基體選擇主要根據(jù)最高工作溫度選擇性能數(shù)據(jù)：是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算分析的基礎(chǔ)力學(xué)：物理：復(fù)合材料主泊松比：單層纖維增強復(fù)合材料沿正軸縱向單軸載荷作用下，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值。層合板/鋪層設(shè)計主要任務(wù)：根據(jù)層合板所受外載和選用的組分材料鋪層性能確定三個鋪層要素，即各鋪層的鋪層角

鋪層順序

定向鋪層數(shù)/層數(shù)比鋪層要素確定1、鋪層角1）纖維和受力方向一致（最大限度利用纖維方向強度和剛度）2）盡量采用0o

、±45o

、90o鋪層三種鋪層角最小鋪層百分比都應(yīng)大于6%-10%（盡量使基體不受載）0o鋪層：承受軸向載荷±45o鋪層：承受剪切載荷90o鋪層：承受側(cè)向載荷提高構(gòu)件抗屈曲受軸壓構(gòu)件（如梁緣條和蒙皮）——較大比例0o鋪層，少量±45o鋪層（表面）受剪構(gòu)件（如腹板）——較大比例±45o鋪層，少量90o鋪層（抗失穩(wěn)）其它受集中力部位要局部加強（逐漸增厚、金屬嵌入等）集中沖擊力：需一定數(shù)量與載荷成±45o鋪層（將集中載荷擴散）承受垂直于層合板平面的低能量沖擊構(gòu)件：最外層鋪設(shè)±45o鋪層或加一層玻璃布（抗沖擊、防剝離）2、鋪層順序通常采用均衡對稱層合板（避免各向異性耦合效應(yīng)產(chǎn)生翹曲）同一鋪向角的鋪層盡量均勻分布，不宜太集中相鄰鋪層間夾角越小越好（若超過4層，易在兩種定向鋪層組的層間出現(xiàn)分層）彎曲剛度同鋪層順序有關(guān)（面內(nèi)剛度只同鋪層比和鋪層角有關(guān)）3、各定向鋪層數(shù)通過計算或圖表確定（先確定層數(shù)比，再算出各鋪向角的層數(shù)）應(yīng)力比法（只考慮纖維承載能力）：確定應(yīng)力比：按準各向同性計算出層合板應(yīng)力σx，σy，τxy，得出應(yīng)力比σx：σy：τxy=1：a：b確定層數(shù)比：將σx：σy：τxy分別對應(yīng)于0o

、90o、±45o鋪層，鋪層數(shù)比滿足n0

：n90：n±45=1：a：b迭代計算（按照得到的層合板設(shè)計重復(fù)前兩步，直到應(yīng)力比同1：a：b誤差小于5%）確定層數(shù)：總層數(shù)取決于受載狀況（2層~1000多層）根據(jù)外載和設(shè)計許用應(yīng)力得到總厚度，再根據(jù)層數(shù)比1：a：b得到各厚度，除以單層厚度即得層數(shù)毯式曲線法（初步設(shè)計中采用較多）結(jié)構(gòu)元件設(shè)計：1、層壓結(jié)構(gòu)件層板構(gòu)型（整體結(jié)構(gòu)）整體結(jié)構(gòu)優(yōu)點：減輕結(jié)構(gòu)重量A-310-300的復(fù)合材料垂尾安定面整體結(jié)構(gòu)零件數(shù)95——鋁合金2076

（減重22%）AV-8B前機身整體結(jié)構(gòu)零件數(shù)88和緊固件數(shù)2450——鋁合金零件數(shù)237和緊固件數(shù)6440

（減重25.2%）無敏感界面，可減緩腐蝕傳力路線連續(xù)，結(jié)構(gòu)效率高

787蒙皮與桁條連接結(jié)構(gòu)機身復(fù)合材料整體成型蒙皮與桁條一起加熱固化而成737蒙皮與桁條連接結(jié)構(gòu)機身采用多塊蒙皮搭接蒙皮與桁條鉚接2、夾層結(jié)構(gòu)上下面板（薄層合板）——承受面內(nèi)載荷（軸向拉壓和面內(nèi)剪切）中間芯層

（蜂窩、泡沫、波紋板和木材等）——承受垂直于面板的剪切和壓縮應(yīng)力，支持面板防止失穩(wěn)。優(yōu)點：更符合最小重量原則比重小、剛度大（芯層支持抗彎好）、強度高（承受多軸向壓力載荷）、抗失穩(wěn)、耐久性/損傷容限能力強（裂紋擴展和斷裂韌性、抗聲疲勞）無鉚縫（故機翼表面外形質(zhì)量和氣動性能較好）簡化結(jié)構(gòu)（減少零件數(shù)目和減少裝配工作量）如：波音-360技術(shù)驗證直升機機身同等效金屬半硬殼式比，零件數(shù)減少86%，緊固件減少93%，生產(chǎn)工時減少一半絕緣性能好（可作為隔熱和隔音的絕緣體）缺點：不宜大開口，接頭設(shè)計困難宜采用部位：機翼尾翼舵面后緣、機頭雷達罩等全高度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)主要按剛度設(shè)計且本身結(jié)構(gòu)高度小的舵面、調(diào)整片等操縱面、翼尖蜂窩夾層結(jié)構(gòu)失效模式夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計的步驟：第一步：根據(jù)外載大小，初步確定夾層結(jié)構(gòu)形式及尺寸。第二步：根據(jù)初定結(jié)構(gòu)，用有限元法等確定內(nèi)力及支反力。第三步：根據(jù)第二步的分析結(jié)果，按強度準則修改芯子密度及面板厚度。第四步：根據(jù)修改后的結(jié)構(gòu)尺寸，再進行有限元應(yīng)力分析，并進行詳細的強度校核，檢查強度、剛度和穩(wěn)定性是否滿足要求。重復(fù)第三至第四步，直至得到合適的設(shè)計結(jié)果。夾層結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計：1）邊緣閉合設(shè)計2）芯子增強設(shè)計夾層結(jié)構(gòu)承受垂直于面板的局部壓縮載荷能力較差，芯子需要增強方法：充填樹脂膠、局部芯子加密、加入墊塊或成形件等3）密封防潮設(shè)計復(fù)合材料面板表面涂密封劑密封所有水分可能浸入蜂窩芯格的通道（如下圖）4）受側(cè)壓邊緣設(shè)計細節(jié)設(shè)計：主要是防止分層包邊表面鋪一層連續(xù)鋪層圓角半徑不能太小變厚度層合板設(shè)計

厚度變化（剛度變化）部位應(yīng)有鋪層遞減（或遞增）過渡區(qū)，避免厚度突變厚度變化過渡區(qū)，通常采用斜坡式連續(xù)過渡當(dāng)采用臺階式厚度變化過渡時，建議階梯寬度與階高之比大于10表面鋪設(shè)連續(xù)覆蓋層（防剝離）開口區(qū)設(shè)計：盡量開小口，少切斷纖維，采用應(yīng)力集中系數(shù)小的形狀開口影響區(qū)比金屬結(jié)構(gòu)大，故補強區(qū)域更大開口區(qū)采用較多±45o鋪層（應(yīng)力集中系數(shù)：0o為7，±45o為2）開口邊緣有自由邊效應(yīng)，應(yīng)防止分層連接設(shè)計：連接類型：膠接、機械連接（螺接和鉚接）、混合連接1、膠接注：盡量受剪

避免受法向力單搭接頭板件邊緣制成斜面（減少應(yīng)力集中）根據(jù)板厚選擇膠接接頭形式2、機械連接連接件：螺接——高鎖螺栓（提高接頭疲勞強度）

鉚接——環(huán)槽鉚釘、螺紋抽釘?shù)确离娕几g：選電位接近的鈦、不銹鋼連接件連接件上涂漆或密封膠與復(fù)合材料隔離其它：不多于2排的多釘連接（碳纖維脆，多釘連接時各孔承載嚴重不均）連接區(qū)加軟化帶（鋪高強玻璃纖維或芳綸鋪層等）局部增厚、增加鋪層數(shù)環(huán)槽鉚釘軟化帶：在構(gòu)件連接區(qū)沿螺栓排列線取出一定寬度的帶區(qū)，用模量較低的材料或鋪層取代原構(gòu)件中某些高模量層好處：軟化帶模量低，減小孔邊應(yīng)力集中；使多釘連接的釘載分配更均勻夾層結(jié)構(gòu)連接設(shè)計：局部填充增強專門連接設(shè)計耐久性/損傷容限設(shè)計：主要損傷類型：1）金屬（裂紋）2）復(fù)合材料（界面脫膠、分層）主要來源：制造缺陷——鋪貼和固化、機械加工和裝配沖擊損傷——高能量、低能量低能量沖擊后通常引起內(nèi)部局部分層，壓縮剩余強度大大降低沖擊分層的擴展金屬——剩余強度不馬上下降，逐漸形成疲勞裂紋，擴展至臨界裂紋復(fù)合材料——沖擊立即導(dǎo)致強度下降（即使肉眼不可見損傷），通常裂紋不增長或增長很慢金屬和復(fù)合材料耐久性/損傷容限設(shè)計特點耐久性/損傷容限設(shè)計主要考慮沖擊損傷而不是疲勞復(fù)合材料損傷容限結(jié)構(gòu)類型損傷無擴展（采用低的許用應(yīng)變值）損傷擴展（緩慢裂紋）利用可設(shè)計性改善損傷容限特性1、混雜復(fù)合材料±45o鋪層對沖擊損傷較不敏感2、鋪層設(shè)計防護設(shè)計：1、電偶腐蝕防護注意結(jié)構(gòu)密封，防水氣進入，以免積聚電解液避免小金屬件同大面積復(fù)合材料接觸（不可避免時，可之間用涂層、墊片、套管隔離）復(fù)合材料只能同經(jīng)過表面處理的鈦、不銹鋼接觸2、雷擊防護3、濕熱和化學(xué)防護（主要是基體和膠層）在金屬的電化學(xué)表中，石墨排列靠近鉑和金。石墨將成為陰極其它活潑金屬（如鋁合金）就成為陽極（將被腐蝕）。金屬的電化學(xué)順序雷擊閃電至少有一個進入點和一個離開點：通常位于飛行器的突出部位（如機頭、翼尖、升降舵和安定面的尖端、伸出的天線、發(fā)動機短艙、螺旋槳槳葉、后掠機翼和某些操縱面的前緣）閃電電流是在兩個附著點之間通過飛機的，故處在這兩點之間的結(jié)構(gòu)會通過電流。掃掠沖擊：當(dāng)前部端頭進入閃電通路時，閃電通路呈現(xiàn)出由前向后掃掠飛行器表面的現(xiàn)象。閃電通路附著點在不同的表面位置上停留不同的時間。掃掠沖擊現(xiàn)象雷擊對飛機的危害直接危害：指燒毀、腐蝕、爆炸和由于閃電電流附著引起的結(jié)構(gòu)變形，以及高壓沖擊波。間接危害：指伴隨閃電而形成的電磁場所造成的影響，以及電磁場與飛機電氣設(shè)備的互相作用。在某些情況下，飛機的同一構(gòu)件會同時受到直接和間接危害。（例如，閃電會使天線的物理性能遭到破壞（直接危害），并將具有破壞性的電流輸送給與天線相接的