复合材料整体结构设计一课件.ppt

1、复合材料结构设计复合材料结构设计（十二）（十二）程小全北航飞机设计研究所2OUT LINEq 复合材料结构设计特点复合材料结构设计特点q 结构设计选材结构设计选材q 材料性能与测试技术材料性能与测试技术q 复合材料典型结构复合材料典型结构q 结构设计原则与方法结构设计原则与方法q 连接技术连接技术q 整体结构设计整体结构设计q 结构试验技术结构试验技术3复合材料结构设计的一般要求复合材料结构设计的一般要求复合材料设计许用值的确定复合材料设计许用值的确定复合材料结构设计的步骤复合材料结构设计的步骤层合板设计的一般原则层合板设计的一般原则层合板的设计方法层合板的设计方法层合板尺寸公差层合板尺寸公差

2、结构细节设计结构细节设计五、复合材料结构设计五、复合材料结构设计46-1 层合件尺寸公差选用原则层合件尺寸公差选用原则q 层压件尺寸公差主要是厚度公差。层压件尺寸公差主要是厚度公差。q 受多种因素影响，公差分散性较大。受多种因素影响，公差分散性较大。q 公差选用一般原则：公差选用一般原则：等代设计的层合件应与原金属件公差相同；等代设计的层合件应与原金属件公差相同；有装配或配合关系的构件，公差选用不会造成装配困难或有装配或配合关系的构件，公差选用不会造成装配困难或 需对构件进行补充加工；需对构件进行补充加工；无装配或配合要求的构件，在不降低产品性能的前提下，无装配或配合要求的构件，在不降低产品性

3、能的前提下，应给尽可能大的公差。应给尽可能大的公差。6.层合板尺寸公差层合板尺寸公差5 不同的工艺方法，不同的模具，得到不同的公差。不同的工艺方法，不同的模具，得到不同的公差。a.采用对合模压制的构件，厚度公差控制在采用对合模压制的构件，厚度公差控制在4。b.采用热压罐真空成形法的厚度尺寸偏差一般为：采用热压罐真空成形法的厚度尺寸偏差一般为：厚度厚度2mm零件：公差为零件：公差为8厚度厚度 厚度厚度2mm零件：公差为零件：公差为1020厚度厚度 厚度公差控制。厚度公差控制。设计上公差有严格要求而成形工艺难以保证其尺寸公差的构设计上公差有严格要求而成形工艺难以保证其尺寸公差的构件，拟在控制公差部

4、位的外表面布置专供加工的玻璃布辅助铺层，件，拟在控制公差部位的外表面布置专供加工的玻璃布辅助铺层，达到精确控制厚度公差。达到精确控制厚度公差。6.层合板尺寸公差层合板尺寸公差6-2 公差的控制公差的控制66-3 铺层方向公差铺层方向公差 铺层以图样规定的坐标为基准，按图样要求的角度铺设在模铺层以图样规定的坐标为基准，按图样要求的角度铺设在模具上。单向带铺层铺设方向公差为具上。单向带铺层铺设方向公差为3；织物铺层铺设方向公；织物铺层铺设方向公差为差为5。6-4 铺层拼接要求铺层拼接要求 除图样规定的铺层拼接外，施工中只允许单向铺层沿纤维方除图样规定的铺层拼接外，施工中只允许单向铺层沿纤维方向拼接

5、，即拼接缝平行于纤维方向。拼接接缝处，铺层的间隙或向拼接，即拼接缝平行于纤维方向。拼接接缝处，铺层的间隙或搭接宽度不大于搭接宽度不大于1mm，相邻铺层拼接接缝间距应大于，相邻铺层拼接接缝间距应大于10mm。织。织物搭接宽度不小于物搭接宽度不小于20mm。6.层合板尺寸公差层合板尺寸公差76.层合板尺寸公差层合板尺寸公差8Non-Crimp Fabrics(NCF)无无皱皱褶纤维褶纤维Modified Vacuum Infusion process(MVI)改进的真空灌注工艺改进的真空灌注工艺6.层合板尺寸公差层合板尺寸公差9复合材料结构设计的一般要求复合材料结构设计的一般要求复合材料设计许用值

6、的确定复合材料设计许用值的确定复合材料结构设计的步骤复合材料结构设计的步骤层合板设计的一般原则层合板设计的一般原则层合板的设计方法层合板的设计方法结构细节设计结构细节设计五、复合材料结构设计五、复合材料结构设计10与金属结构一样，细节设计能直接影响结构的耐久性和损伤容限，与金属结构一样，细节设计能直接影响结构的耐久性和损伤容限，但复合材料结构有自己的特点。复合材料结构大都是层合结构，但复合材料结构有自己的特点。复合材料结构大都是层合结构，刚度突变、应力集中、传力不连续、偏心、连接区、有面外载荷刚度突变、应力集中、传力不连续、偏心、连接区、有面外载荷或制造缺陷等容易引起分层损伤，以致降低结构的性

7、能，因此细或制造缺陷等容易引起分层损伤，以致降低结构的性能，因此细节设计非常重要。节设计非常重要。法向受载 7.结构细节设计结构细节设计11结构变厚度区设计结构变厚度区设计 桁条和蜂窝板端头设计桁条和蜂窝板端头设计 10 2.5 好 可接受 差 角形加强件与角形加强件与蒙皮的胶接蒙皮的胶接 7.结构细节设计结构细节设计12夹层结构边缘夹层结构边缘闭合件形式闭合件形式 开口区设计对比开口区设计对比 7.结构细节设计结构细节设计13OUT LINEq 复合材料结构设计特点复合材料结构设计特点q 结构设计选材结构设计选材q 材料性能与测试技术材料性能与测试技术q 复合材料典型结构复合材料典型结构q

8、结构设计原则与方法结构设计原则与方法q 连接技术连接技术q 整体结构设计整体结构设计q 结构试验技术结构试验技术14 复合材料连接主要分为复合材料连接主要分为胶接连接胶接连接、机械连接机械连接和和混合连接混合连接等三等三种类型。种类型。机械连接主要包括螺栓连接和铆钉连接，混合连接是指胶铆机械连接主要包括螺栓连接和铆钉连接，混合连接是指胶铆或胶螺连接。胶接和机械连接是最常用的两种连接形式，混合连或胶螺连接。胶接和机械连接是最常用的两种连接形式，混合连接采用较少。接采用较少。u 胶接连接是借助胶粘剂将零件连接成不可拆卸整体的连接方胶接连接是借助胶粘剂将零件连接成不可拆卸整体的连接方法，它适用于传递

9、载荷较小的部位。法，它适用于传递载荷较小的部位。u 机械连接借助于紧固件，把两个以上零件连接成一个整体的机械连接借助于紧固件，把两个以上零件连接成一个整体的连接方法，它适用于传递较载荷较高或可靠性高的部位。连接方法，它适用于传递较载荷较高或可靠性高的部位。连接技术连接技术15胶接连接与机械连接的优缺点比较 胶接连接胶接连接机械连接机械连接优点优点 无钻孔引起的应力集中，连接效率高，结构轻；无钻孔引起的应力集中，连接效率高，结构轻；抗疲劳、密封、减振及绝缘性能好；抗疲劳、密封、减振及绝缘性能好；有阻止裂纹扩展作用，破损安全性好；有阻止裂纹扩展作用，破损安全性好；能获得光滑气动外形；能获得光滑气动

10、外形；不同材料连接无电偶腐蚀问题。不同材料连接无电偶腐蚀问题。便于检查质量、保证连接的可靠性；便于检查质量、保证连接的可靠性；在制造、更换和维修中可重复装配和拆卸；在制造、更换和维修中可重复装配和拆卸；对零件连接表面准备及处理要求不高；对零件连接表面准备及处理要求不高；无胶接固化产生的残余应力；无胶接固化产生的残余应力；受环境影响较小。受环境影响较小。缺点缺点 缺少可靠的无损检测方法，胶接质量控制比较缺少可靠的无损检测方法，胶接质量控制比较困难；困难；胶接强度分散性大，剥离强度低，不能传递大胶接强度分散性大，剥离强度低，不能传递大载荷；载荷；胶接性能受湿、热、腐蚀介质等环境影响大，胶接性能受湿

11、、热、腐蚀介质等环境影响大，存在一定的老化问题；存在一定的老化问题；胶接表面在胶接前需作特殊的表面处理，工艺胶接表面在胶接前需作特殊的表面处理，工艺要求严格；要求严格；被胶接件间配合公差要求严，需加温加压固化被胶接件间配合公差要求严，需加温加压固化设备，修补较困难；设备，修补较困难；胶接后不可拆卸。胶接后不可拆卸。由于复合材料的脆性和层合板的各向异性，层合板由于复合材料的脆性和层合板的各向异性，层合板制孔后导致孔周的局部应力集中，降低了连接效率；制孔后导致孔周的局部应力集中，降低了连接效率；为了弥补基本层合板制孔后强度下降的影响，层合为了弥补基本层合板制孔后强度下降的影响，层合板可能需局部加厚

12、，使重量增加；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；由于增加了制作的工作量，可能增加成本；制孔工艺要求较高，操作要慢速平稳，否则会造成制孔工艺要求较高，操作要慢速平稳，否则会造成孔边大面积分层；孔边大面积分层；铝、钢紧固件与复合材料接触会产生电偶腐蚀，故铝、钢紧固件与复合材料接触会产生电偶腐蚀，故需选用与碳复合材料电位差较小的材料制成的紧固需选用与碳复合材料电位差较小的材料制成的紧固件。件。碳纤维复合材料沿纤维方向的线膨胀系数很小，它与金碳纤维复合材料沿纤维方向的线膨胀系数很小，它与金属胶接时，由于热膨胀系数差别较大，在高温固化后会属胶接时，由于热膨胀系数差别较大

13、，在高温固化后会产生较大残余应力和残余变形。因此，胶接连接设计时产生较大残余应力和残余变形。因此，胶接连接设计时应尽量避开与金属件胶接应尽量避开与金属件胶接(尤其是铝合金尤其是铝合金)，必要时可采，必要时可采用热膨胀系数小的钛合金零件；用热膨胀系数小的钛合金零件；碳纤维复合材料层间拉伸强度低，易在连接端部层合板碳纤维复合材料层间拉伸强度低，易在连接端部层合板的层间产生剥离破坏，因此，对较厚胶接件，不宜采用的层间产生剥离破坏，因此，对较厚胶接件，不宜采用简单的单搭接连接形式。简单的单搭接连接形式。连接板的剪切强度不随端距增大而成比例增连接板的剪切强度不随端距增大而成比例增加；加；主承力连接区的关

14、键部位一般均采用多排螺主承力连接区的关键部位一般均采用多排螺栓连接，不采用耳片或梳状形式的连接。栓连接，不采用耳片或梳状形式的连接。连接方式连接方式说明说明16(a)(b)斜削 圆弧形端头 端头削弱，填充胶粘剂 胶接件厚度对接头形式选择的影响胶接件厚度对接头形式选择的影响单搭接接头降低剥离应力的措施单搭接接头降低剥离应力的措施(a)降低应力集中的设计措施降低应力集中的设计措施(b)有横向支撑的单搭连接有横向支撑的单搭连接1.胶接连接形式胶接连接形式172.机械连接典型破坏模式及其预防措施 183.夹层结构的连接夹层结构的连接193.夹层结构的连接夹层结构的连接20OUT LINEq 复合材料结

15、构设计特点复合材料结构设计特点q 结构设计选材结构设计选材q 材料性能与测试技术材料性能与测试技术q 复合材料典型结构复合材料典型结构q 结构设计原则与方法结构设计原则与方法q 连接技术连接技术q 整体结构设计整体结构设计q 结构试验技术结构试验技术21复合材料整体结构设计复合材料整体结构设计 一、复合材料整体结构的应用一、复合材料整体结构的应用 22复合材料整体结构设计复合材料整体结构设计 二、复合材料结构整体化的技术保障用二、复合材料结构整体化的技术保障用 1整体结构设计技术整体结构设计技术复合材料整体结构设计不能只是简单取消一些连接紧固件，将原复合材料整体结构设计不能只是简单取消一些连接

16、紧固件，将原来采用的结构形式简单地拼接在一起，而应根据复合材料的传力来采用的结构形式简单地拼接在一起，而应根据复合材料的传力特点、飞行器结构设计要求以及工艺技术基础，从结构布局到具特点、飞行器结构设计要求以及工艺技术基础，从结构布局到具体工作设计，创造性地设计新的整体结构形式，这是复合材料整体工作设计，创造性地设计新的整体结构形式，这是复合材料整体结构设计的关键所在。体结构设计的关键所在。另外，还要开展整体结构静强度、疲劳、耐久性和损伤容限、可另外，还要开展整体结构静强度、疲劳、耐久性和损伤容限、可靠性和可检性等设计准则和设计方法的研究和试验验证，尤其是靠性和可检性等设计准则和设计方法的研究和

17、试验验证，尤其是损伤容限和可检性设计应该是其中的重点和关键。损伤容限和可检性设计应该是其中的重点和关键。23复合材料整体结构设计复合材料整体结构设计 二、复合材料结构整体化的技术保障用二、复合材料结构整体化的技术保障用 2整体结构可成形性分析整体结构可成形性分析纤维预制体的渗透性、孔隙或干斑的形成、残余应力和固化变纤维预制体的渗透性、孔隙或干斑的形成、残余应力和固化变形是影响复合材料制件质量的几个主要方面。对于大型整体复合形是影响复合材料制件质量的几个主要方面。对于大型整体复合材料结构件来说，一方面，结构设计对固化变形的影响更加突出；材料结构件来说，一方面，结构设计对固化变形的影响更加突出；另

18、一方面，若制造不当将导致大件报废，大幅度增加制造成本。另一方面，若制造不当将导致大件报废，大幅度增加制造成本。因此，在结构设计之初，采用工艺仿真对其进行可成形性分析是因此，在结构设计之初，采用工艺仿真对其进行可成形性分析是非常必要的。非常必要的。24复合材料整体结构设计复合材料整体结构设计 二、复合材料结构整体化的技术保障用二、复合材料结构整体化的技术保障用 3低成本复合材料技术低成本复合材料技术目前限制复合材料广泛应用的症结还是成本高。解决途径之一目前限制复合材料广泛应用的症结还是成本高。解决途径之一是从手工劳动向自动化、电子化、柔性化工艺转变。如采用自动是从手工劳动向自动化、电子化、柔性化

19、工艺转变。如采用自动铺带机铺带机(ATL)、自动铺丝束机、自动铺丝束机(AFP)和隔膜成形机等自动化铺层设和隔膜成形机等自动化铺层设备，以及自动化增强体编织机、自动化切割机、自动化钻孔机、备，以及自动化增强体编织机、自动化切割机、自动化钻孔机、紧固机和自动化检测机。自动化铺层技术是在已有缠绕和铺放技紧固机和自动化检测机。自动化铺层技术是在已有缠绕和铺放技术上发展起来的，适用于机身等大型复杂曲面形状的制造，具有术上发展起来的，适用于机身等大型复杂曲面形状的制造，具有快速、准确、节省原材料等优点，从而提高生产效率，节约成本。快速、准确、节省原材料等优点，从而提高生产效率，节约成本。25复合材料整体

20、结构设计复合材料整体结构设计 二、复合材料结构整体化的技术保障用二、复合材料结构整体化的技术保障用 4整体结构损伤检测技术整体结构损伤检测技术复合材料损伤检测包括以下几个方面：生产过程中的缺陷检测、复合材料损伤检测包括以下几个方面：生产过程中的缺陷检测、结构试验中的损伤检测、飞行过程和使用维护过程中的损伤检测。结构试验中的损伤检测、飞行过程和使用维护过程中的损伤检测。其中，无损检测是复合材料结构质量保证和制件验收的重要手段其中，无损检测是复合材料结构质量保证和制件验收的重要手段之一。大型整体复合材料结构可能拥有复杂的结构形状（如小角之一。大型整体复合材料结构可能拥有复杂的结构形状（如小角度拐角

21、）和胶接连接结构等，这些地方的无损检测难度比较大，度拐角）和胶接连接结构等，这些地方的无损检测难度比较大，而且无损检测的时间一般比较长，因此须要发展适合于大型复杂而且无损检测的时间一般比较长，因此须要发展适合于大型复杂制件的快速无损检测方法和设备。目前主要采用的是制件的快速无损检测方法和设备。目前主要采用的是C扫描和扫描和A扫扫描无损检测方法，并且朝着自动化方向发展。描无损检测方法，并且朝着自动化方向发展。26复合材料整体结构设计复合材料整体结构设计 三、后机身球面框整体结构制造技术三、后机身球面框整体结构制造技术 1A380球面框球面框 能制作能制作8m宽宽“毯毯子子”的龙门缝合系的龙门缝合

22、系统统6块块“毯子毯子”铺叠在铺叠在一起而形成的预制一起而形成的预制件件将预制件覆将预制件覆盖到阳模上盖到阳模上注入树脂并固化，布注入树脂并固化，布置加强筋后进行二次置加强筋后进行二次固化固化27复合材料整体结构设计复合材料整体结构设计 三、后机身球面框整体结构制造技术三、后机身球面框整体结构制造技术 2波音波音787球面框球面框 波音波音787机身球面框采用机身球面框采用VARTM工艺工艺制造。由于后机身球面框（制造。由于后机身球面框（4.3m4.6m）对机身的气密性与安全起着至关重要对机身的气密性与安全起着至关重要的作用，因此，波音公司过去都不敢的作用，因此，波音公司过去都不敢采用复合材料

23、结构，现在采用新的工采用复合材料结构，现在采用新的工艺和设备解决了这个问题。艺和设备解决了这个问题。28OUT LINEq 复合材料结构设计特点复合材料结构设计特点q 结构设计选材结构设计选材q 材料性能与测试技术材料性能与测试技术q 复合材料典型结构复合材料典型结构q 结构设计原则与方法结构设计原则与方法q 连接技术连接技术q 整体结构设计整体结构设计q 结构试验技术结构试验技术291.积木式试验积木式试验 Building-block approach is the industry standard practice.结构试验技术结构试验技术30积木式设计验证试验积木式设计验证试验312.元件试验元件试验 Design development tests in building-block approach.结构试验技术结构试验技术32全尺寸复合材料机翼结构元件验证试验全尺寸复合材料机翼结构元件验证试验333.部件试验部件试验 Test verifies cost-effective composite wing technology.结构试验技术结构试验技术343.部件试验部件试验 Test verifies RLV wing box technology.结构试验技术结构试验技术35The EndTHE ENDTHE ENDTHE END