复合材料铺层设计准则的一些理解

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

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

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]）

3 结语

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以及均衡性准则，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。同时应当指出，在真实设计中，由于各方面的限制，这些设计准则不能同时满足，这就需要根据实际结构受力以及其它约束条件来决定哪些准则应当优先满足。另外，复合材料设计是一门交叉学科，本文仅仅列举了部分铺层准则，在真实设计中应当考虑雷击，温度，电化学腐蚀，加工，成本和重量等多方面因素。

参考文献

[1] Michael Chun-Y ung Niu. Composite Airframe Structures, Hong Kong Conmilit Press LTD. Sep., 1993.

[2] 张少实,庄茁.复合材料与粘弹性力学[M].机械工业出版社,2005.

[3] Ronald F. Gibson. Principles of Composite Material Mechanics, McGraw-Hill, Inc.1994.