复合材料铺层设计准则的一些理解.docx

复合材料铺层设计准则的一些理解摘要：该文介绍了复合材料飞机结构铺层设计的一些常用设计准则特别针对最重要的对称性和均衡性设计准则基于经典层合板理论进行了分析同时对其它一些准则也作了一定的解释。关键词：复合材料飞机结构铺层设计准则层合板理论中图分类号：V261文献标识码：A文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0057-02自20世纪70年代以来现代复合材料凭借着优良的比刚度和比强度及其它的特性如良好的疲劳性能等在航空结构上得到了越来越多的应用例如最新的波音B787以及空客A350XWB在机翼和机身等主结构中大量地使用了复合材料。复合材料有多种结构形式其中以层合板（主结构的蒙皮大梁肋板以及加强筋等）和蜂窝结构（一些次结构件的蒙皮结构等）最为常见。针对层合板的结构形式参考[1]中给出了一些设计准则。本文引用了一些常用的铺层设计准则并结合自身设计经验以及一些参考文献进行了理解说明尤其是对于最常用的对称性和均衡性准则基于经典层合板理论进行了较详细的解释对复合材料结构的铺层设计具有一定的参考意义。本文介绍的复合材料铺层采用的是常用的（0°/45°/-45°/90°）四个方向的铺层。1层合板铺层设计准则复合材料飞机结构铺层设计的一些常用设计准则有如下几点。（1）层合板整体铺层须对称于中性面同时须遵循均衡性原则即每一个+45°铺层对应一个-45°铺层。这是为了避免出现拉弯扭耦合防止加工过程中出现翘曲变形。下一章将对这一准则从理论上进行较详细的解释。（2）四个方向铺层保证任一方向至少有10%的铺层比例（有些文献上要求至少8%）。这个准则有多方面考虑：首先是考虑垂直于主受力方向的泊松效应以及其它载荷直接作用在基体上其次是损伤容限的考虑另外还要考虑到将来有可能需对螺栓连接进行修补。（3）在螺栓连接区域±45°铺层应至少占40%这样做主要是为了最大化挤压强度（考虑打孔时对铺层的破坏）。（4）尽量将不同的铺层角度均匀分布在整个铺层厚度中避免相同角度铺层连续铺设。这个准则是为了避免出现应力集中和内部微裂纹。（5）表面铺层应当连续并且采用±45°铺层这样做主要是考虑到±45°铺层有良好的损伤容限特性。（6）相邻铺层方向应当小于60°这样做是为了减小层间剪力避免出现疲劳问题。（7）对于二次固化的铺层靠近固化位置的铺层应当避免垂直于受力方向这是为了增强连接强度。（8）当铺层有厚度变化时注意应当逐层（相邻层间隔过渡）过渡同时满足坡度角度要求（10°）。需要特别注意：过度区域容易出现加工过程中的富胶现象以及应力集中和疲劳问题。以上列举了一些常用铺层准则以及理解说明下一章主要针对对称性和均衡性这一准则进行详细理论说明。2对称性和均衡性准则本章将针对复合材料层合板铺层设计的对称性以及均衡性准则运用经典层合板理论进行详细分析。经典层合板理论首先来考虑单层板的应力应变方程（0°方向）：对于层合板考虑如下假设[2]：层合板变形前的中面法线变形后仍垂直于中面铺层之间没有滑移；层合板厚度不变；各铺层处于平面应力状态；层合板各铺层的与其它应力相比可以忽略。层合板的刚度方程如下所示：（方程的详细推导见参考[3]）面内力通过拉剪刚度阵与中面应变关联弯矩和扭矩通过弯曲刚度阵与弯曲和扭曲变形关联然而由于耦合刚度阵的存在层合板的面内力会产生弯曲和扭曲变形同时弯矩和扭矩会产生中面的面内拉伸和剪切变形。进一步细看A16和A26的存在会产生中面内的拉剪耦合而D16和D26的存在会产生弯扭耦合。在设计的时候要尽量避免这种耦合以免结构工作中产生意想不到的载荷和变形尤其是面内力和弯曲扭曲变形的耦合会造成复合材料结构加工过程中（环境温度变化）产生翘曲变形从而影响加工精度甚至在装配的时候造成较大的装配应力。设计时首先要考虑如何令耦合刚度阵为零。对称铺层层合板对称铺层的层合板指的是几何和材料属性均沿中面对称也就是说离中面距离为和的铺层材料方向和铺层厚度均相等。图2所示为一简单对称铺层实例。由公式（3）可知由于各铺层各项属性均对称于中面那么两两对称于层合板中面的铺层的中面坐标将等值反号这样可以得到：即耦合刚度阵为零这也就解释了为什么要采用对称性铺层准则。均衡铺层均衡铺层是指铺层设计中每出现一个+45°铺层则对应有一个-45°铺层即±45°层数相同图2为同时满足对称性和均衡性准则的实例。上一节中利用了对称性准则使得耦合刚度阵为零从而消除了