复合材料铺层设计项目说明指导书.doc

复合材料铺层设计复合材料制件最基本单元是铺层。铺层是复合材料制件中一层单向带或织物形成复合材料单向层。由两层或多层同种或不同种材料铺层层合压制而成复合材料板材称为层合板。复合材料层压构造件基本单元正是这种按各种不同铺层设计要素构成层合板。本章重要简介由高性能持续纤维与树脂基体材料构成层合构造和夹层构造设计基本原理和办法，也简介复合材料构造在导弹构造中应用。一、层合板及其表达办法(1)铺层及其方向表达铺层是层合板基本构造单元，其厚度很薄，普通约为0.1～0.3mm。铺层中增强纤维方向或织物径向纤维方向为材料主方向（1向：即纵向）；垂直于增强纤维方向或织物纬向纤维方向为材料另一种主方向（2向：即横向）。1—2坐标系为材料主坐标系，又称正轴坐标系，x-y坐标系为设计参照坐标系，如图10.1.1所示。铺层是有方向性。铺层方向用纤维铺向角（铺层角）θ表达。所谓铺向角（铺层角）就是铺层纵向与层合板参照坐标X轴之间夹角，由X轴到纤维纵向逆时针旋转为正。参照坐标系X-Y与材料主方向重叠则为正轴坐标系。X-Y方向与材料主方向不重叠则称偏轴坐标系，如图10.1.1（b）所示。铺层正轴应力与偏轴应力也在图10.1.1中标明。（2）层合板表达办法为了满足设计、制造和力学性能分析需要，必要简要地表达出层合板中各铺层方向和层合顺序，故对层合板规定了明确表达办法，如表10.1.1所示。二、单层复合材料力学性能单层力学性能是复合材料基本力学性能，即材料工程常数。由于单层很薄，普通仅考虑单层面内力学性能，故假设为平面应力状态。单层在材料主轴坐标系中普通是正交各向异性材料，在其主方向上某一点处正应变ε1、ε2只与该点处正应力σ1、σ2关于，而与剪应力τ12无关；同步，该点处剪应变γ12也仅与剪应力τ12关于，而与正应力无关。材料工程常数共9个：纵向和横向弹性模量Ε1和Ε2、主泊松比ν12、纵横剪切弹性模量G12，共四个弹性常数；尚有纵向拉伸和压缩强度X1、X2，横向拉伸与压缩强度Y1、Y2，纵横剪切强度S共五个强度参数。这9个工程常数是通过单向层合板单轴实验拟定。普通状况下，单层力学性能有明显方向性，与增强纤维方向密切有关，即Ε1>>Ε2，X>>Y；并且拉伸与压缩强度不相等，即X1≠X2，Y1≠Y2；纵横剪切性能与拉伸、压缩性能无关，即S与X、Y无关。由于单层复合材料是复合材料基本，故往往用它性能来阐明复合材料性能。但应当指出：单层性能不能代替实际使用层合复合材料性能。普通说，实际使用层合复合材料性能要低于单向复合材料纵向性能。复合材料性能与材料中具有纤维数量有很大关系，因此在规定性能数据时，普通还应给定材料所含纤维量，通惯用纤维所占体积比例V来表达。V称为纤维体积分数或纤维体积含量，其值普通控制在60%左右。三、复合材料构造制造与成形工艺（1）制造与成形工艺分类、特点与合用范畴树脂基复合材料构导致形工艺办法各种各样，各有所长。工艺办法分类见图10.1.2,各种工艺办法特点与合用范畴见表10.1.3。图10.1.2中，属于改进RTM办法有：真空铺助RTM(VRTM)、差压RTM（DP–RTM）、热膨胀RTM（TERTM）、自动化RTM（ARTM）、持续化RTM（CRTM）等。（2）惯用成形工艺办法1）热压罐成形预浸料热压罐成形法是当前广泛应用先进复合材料构导致形工艺办法。基本工艺过程是，将预浸料（预先浸渍树脂单层）按设计规定铺叠在模具上形成构件叠层毛胚，并与其她工艺铺料一起构成真空袋组合系统，如图10.1.3(a)所示，用罐体内部均匀温度场和空气压力对复合材料预浸料叠层毛坯施加温度与压力，如图10.1.3(b)所示，以达到固化目。2）真空袋成形法真空袋成形工作原理如图10.1.4所示。其重要设备是烘箱、成形模具以及真空系统。3）软模成形法软模成形是运用膨胀橡胶在一定温度下可控膨胀量所产生压力对预浸料叠层毛坯加压固化工艺办法，图10.1.5是飞机活动翼面成形示意图。4）缠绕法成形纤维缠绕法如图10.1.6所示,办法要点是持续纤维纱束浸渍树脂后,在张力控制下按预定途径精准地缠绕在转动模芯上,按一定规范固化,固化后脱模。5)树脂转移模塑成形法（RTM）这是一种可不采用预浸料，并在很大限度上不采用热压罐成形办法。RTM成形工艺一方面用编织、缝纫或胶粘等办法将增强纤维或织物按构造设计规定制成预成形件，将其置于四周严格密封模具中，尔后注入树脂。树脂在模腔内流动并浸渍预成形件，随着树脂固化，制成复合材料构造。树脂引入可以通过树脂注射法、树脂反映性注射法、弥撒树脂粉末法等办法实现。图10.1.7是树脂转移模塑成形工艺示意图。6）树脂膜熔浸成形（RFI）工艺RFI成形工艺原理示意图如图10.1.8所示。稠状树脂或固态片状树脂被置于预成形件下面，受热后粘度迅速减少，在真空压力作用下