第04章 复合材料结构设计基础ppt课件.ppt

复合材料结构设计基础,张纪奎继教楼205,提纲,结构设计过程材料与工艺选择层合板设计结构设计,复合材料结构设计过程,结构设计目标：创建满足特定要求的结构，同时具有令人满意的特定品质。,典型的设计要求,配合、形状和功能 作用的载荷 耐腐蚀、耐油液等环境要求 热膨胀系数匹配 频率配置,希望结构具备的品质,最小重量 最低成本 维护修理简单 装配过程中的互换性,结构设计分析流程,关于考试,时间：6月7日 18：0020：00 地点：主M301 考试形式：开卷 注意事项：带上计算器,复合材料结构设计的内容,材料与铺层设计,结构设计与工艺选择,复合材料结构设计的内容,材料选择 工艺选择 铺层设计 结构设计,材料选择-纤维,增强纤维是复合材料的承载主体，增强纤维品种及其体积含量一旦选定，由纤维控制的复合材料的力学性能就基本确定。已在飞行器结构中应用的纤维有碳纤维、凯芙拉（Kevlar）、玻璃纤维（S玻璃、E玻璃）和硼纤维等。对纤维类别的选择，应按比强度、比刚度、延伸率、热稳定性、性能价格比等指标，结合结构的使用要求综合考虑。,材料选择-纤维,碳纤维由于性能好，纤维类型和规格多，成本适中，在飞行器结构中应用最广。凯芙拉（Kevlar）性能虽然尚佳，但在湿热环境下性能明显下降，一般不用于主承力结构中玻璃纤维由于刚度低，通常只用于整流罩、雷达罩、舱内装饰结构等一些次要结构中。硼纤维因其直径太粗且刚硬，成形和加工比较困难，且价格十分昂贵，故应用不多。,常用纤维的性能,材料选择-树脂,树脂基体是复合材料的另一组分材料，它对纤维起着支撑、保护并传递载荷的作用。基体性能对复合材料的横向力学性能、压缩和剪切性能、耐老化性能、耐湿/热性能、介电性能、阻燃性能、耐腐蚀性能等有决定性的影响复合材料成形工艺性能，如流变性能、粘性和铺覆性、凝胶时间、预浸料贮存稳定性、成形温度、压力、时间等是由树脂基体直接支配的,常用树脂性能比较,材料选择-选材原则,按机体结构分类（主承力结构还是次承力结构）、受载情况和工作环境条件，选择具有良好耐使用环境性（耐湿热、耐冲击、耐介质等）的复合材料品种类型。所选复合材料的性能应与结构设计性能要求相匹配。,B-2选材分析,材料选择-选材原则,按机体结构成形工艺选择与工艺相对应的树脂体系。即所选复合材料的成型工艺与结构成形工艺方法相匹配。所选材料应满足结构特殊性能要求。如民机内装饰材料应满足阻燃、烟雾、毒性等要求。个别结构部位应满足电磁屏蔽、搭接电阻、防静电等电磁性能要求。,材料选择-选材原则,应具有与不同材料良好的匹配性。所选各材料体系及其固化工艺之间应匹配协调。应避免或减少碳纤维复合材料与铝合金之间出现电偶腐蚀。增加钛合金用量减少铝合金用量说明了这一点。,材料选择-选材原则,应选择经适航认证的，有使用经验的成熟的材料，尽量压缩材料品种，保证供货渠道稳定可靠。设备改造费用和环境保护要求的投资费用少,材料选择-主要考虑的材料性能,材料的长期使用温度（一般由树脂基复合材料湿态玻璃化转变温度减去30确定）反映缺陷/损伤和环境因素影响的性能，主要有：冲击后压缩强度（CAI），室温、干态下开孔拉伸强度，湿/热条件下0（纵向）压缩强度等。与固化成形工艺有关的参数,材料选择-选材试验矩阵,材料的分散性,材料的分散性,A基准-99%试验结果大于该值 B基准-90%试验结果大于该值 单传力途径结构或主结构用A基准值 多传力途径结构或次结构用B基准值 刚度或弹性常数用典型值或平均值,工艺选择-工艺方法,工艺选择,结构外形构造及尺寸大小 满足材料性能和结构质量要求 生产批量大小，供货时间长短 工艺设备及技术水平 经济成本,层合板设计,又称铺层设计，最能体现复合材料应用单层与方向相关特性，是复合材料结构设计特有的内容。设计内容 设计原则 设计方法,层合板设计内容,铺层角 铺层比例 铺层顺序,层合板设计的一般原则,均衡对称原则结构一般均设计成均衡对称层合板形式，以避免拉-剪、拉-弯耦合而引起固化后的翘曲变形。如果设计需要采用非对称或非均衡铺层，应尽可能将非对称和非均衡铺层靠近中面，可减小层合板工艺变形。,层合板设计的一般原则,铺层定向原则 在满足受力的情况下，铺层方向数应尽量少，以简化设计和施工的工作量。一般多选择 0,90和 45等4种铺层方向。如需要设计成准各向同性层合板，可采用0/45/90/-45S或60/0/-60S层合板。,层合板设计的一般原则,对采用缠绕工艺制造的结构，铺层角不受上述/4角度的限制，但一般采用缠绕角。,层合板设计的一般原则,铺层取向按承载选取原则,层合板设计的一般原则,铺层的纤维轴向应与内力的拉压方向一致，以最大限度利用纤维轴向的高性能若承受单轴向拉伸或压缩载荷，纤维铺设方向与载荷一致；如果承受双轴向拉伸或压缩载荷，纤维方向按受载方向 0、90正交铺设；若承受剪切载荷，纤维按+45、-45成对铺设；如果承受拉伸（或压缩）和剪切的复合载荷情况，则纤维方向应按 0、90、+45、-45多向铺设,层合板设计的一般原则,铺层顺序原则 应使各定向单层尽量沿层合板厚度均匀分布，避免将同一铺层角的铺层集中放置。如果不得不使用时，一般不超过4层，以减少两种定向层的开裂和边缘分层。,层合板设计的一般原则,铺层顺序原则 如果层合板中含有 45层、0层和 90层，应尽量在+45层和-45层之间用 0层或 90层隔开，在 0层和 90 层之间用+45层或-45层隔开，并应避免将 90层成组铺放，以降低层间应力。,层合板设计的一般原则,对于暴露在外的层合板，在表面铺设织物或 45层，将具有较好的使用维护性，也可以改善层合板和压缩和抗冲击性能。另外，铺设顺序对层合板稳定性承载能力影响很大，这一因素也应考虑。,层合板设计的一般原则,对于暴露在外的层合板，在表面铺设织物或 45层，将具有较好的使用维护性，也可以改善层合板和压缩和抗冲击性能。另外，铺设顺序对层合板稳定性承载能力影响很大，这一因素也应考虑。,层合板设计的一般原则,铺层最小比例原则为使复合材料的基体沿各个方向均不受载，对于由方向为 0、90、45铺层组成的层合板，其任一方向的最小铺层比例应6%10%,层合板设计的一般原则,冲击载荷区设计原则局部加强 配置一定数量的45层,层合板设计的一般原则,连接区设计原则 应使与钉载方向成45的铺层比例40%，与钉载方向一致的铺层比例大于25%，以保证连接区有足够的剪切强度和挤压强度，同时也有利于扩散载荷和减少孔的应力集中。,层合板设计的一般原则,变厚度设计原则 在结构变厚度区域，铺层数递增或递减应形成台阶逐渐变化，因为厚度的突变会引起应力集中。要求每个台阶宽度相近且60，台阶高度不超过宽度的1/10。然后在表面铺设连续覆盖层，以防止台阶外发生剥离破坏。,层合板设计的一般原则,开口区铺层原则 在结构开口区应使相邻铺层的夹角60，以减少层间应力。开口形状应尽可能采用圆孔，因为圆孔边应力集中较小。若必须采用矩形孔，则拐角处要采用半径较大的圆角。开口时，切断的纤维应尽可能少,层合板设计方法,等代设计法 准网络设计法 排序设计法 毯式曲线法 气动剪裁设计 优化设计法 特殊设计,等代设计法,在载荷和使用环境基本不变的情况下，稍微考虑一些复合材料的特点，采用相同形状(或适当改变形状)的复合材料构件代替其他材料，并用原来的设计方法进行设计。一般采用等刚度设计后，再作强度校核。减重效果可达10%15%。,准网络设计法,不考虑机体的刚度和强度，仅考虑纤维的刚度和强度，按应力方向和大小确定铺层比例和总数的设计方法。又称应力比设计方法。适用于面内变形下的层合板设计。,毯式曲线设计法,毯式曲线：复合材料的工程弹性常数或强度随层合 板铺层比例变化所构成的列阵图。,毯式曲线设计法,毯式曲线设计法:对于设计给定刚度或强度要求的层合板，利用毯式曲线确定各定向单层的比例和层数。步骤：利用经典层合板理论，画出毯式曲线确定铺层比例和铺层数,毯式曲线设计法,毯式曲线设计法,毯式曲线设计法,毯式曲线设计法,毯式曲线设计法,毯式曲线设计法,气动弹性剪裁法,气动弹性剪裁法则是利用复合材料的各向异性及其各种耦合效应进行铺层设计，以获得预期的结构柔度特性或产生某种希望的特定变形规律来提高设计性能和静、动气动弹性特性(如提高机翼的颤振速度；防止前掠翼的扭转扩大并提高其发散临界速度)。,气动弹性剪裁法,前掠机翼布局虽有其特有的优点，但当采用金属材料时，因无法克服扭转扩大的静气动弹性问题而无法采用。复合材料前掠翼则可利用气动弹性剪裁设计使之成为可能。如美国早期研制的x29A前掠翼验证机的机翼外侧部位蒙皮的铺层就是通过气动弹性剪裁设计，利用了对称非均衡层合板的拉剪耦合和弯扭耦合效应。,气动弹性剪裁,结构设计,结构设计的一般原则 结构设计应考虑的工艺要求 许用值与安全系数 典型构件的设计,复合材料设计的一般原则,按限制载荷设计，按极限载荷校核 安全系数=极限载荷/限制载荷限制载荷：正常使用过程中可能出现的最大载荷 要求结构在该载荷下不产生残余变形极限载荷：设计中用来进行强度计算的载荷 要求结构在该载荷下刚开始或接近破坏,复合材料设计的一般原则,复合材料的许用值分为 许用值-试验测定 设计值-设计师规定许用值数据分散性处理与选用 A基准值(95%,99%)-主承力或单传力途径 B基准值(95%,90%)-次承力或多传力途径复合材料的许用值是指许用应变，金属一般是许用应力,复合材料设计的一般原则,强度准则只适用于复合材料单层，未规定强度准则时，一般选用蔡-吴张量准则,复合材料设计的一般原则,当结构使用范围很宽或材料在不同温度下性能变化较大时则应力分析选取的力学性能数据应按温度区间选取 弹性常数选取相应温度区间测定的平均值 强度计算采用材料在相应温度区间的许用值 外载荷应选取相应温度区间各工况情况的最大使用载荷,复合材料设计的一般原则,复合材料结构在限制载荷作用下，不允许结构有永久变形。有刚度要求的一般部位，材料弹性常数的数值可选取对应温度区间的平均值；对于刚度有严格要求的重要部位，需要选取对应温度区间的B基准值。,复合材料设计的一般原则,结构的可修理性和可更换性在初步设计阶段就应予以考虑安排，可修理性设计应有试验支持,复合材料设计的一般原则,雷电防护措施应安全可靠EADS公司的CEO路易斯.加卢瓦曾反对复合材料机身设计，认为不利于防雷击。工程人员提出了金属内部构架和复合材料蒙皮混合结构，通过金属结构网络形成“电网”，解决这一问题。,许用值与安全系数,许用值(Allowables)设计值(Design Values)安全系数,许用值-定义,通常指在一定的载荷类型与环境条件下，主要由试样试验数据，按规定要求统计分析后确定的具有一定置信度和可靠度的材料性能表征值由层合板或单层级试验数据确定的概率基础上的材料性能值A基准值，具有95%置信度、99%存活率B基准值，具有95%置信度、90%存活率试验量取决于数理统计的（或基准值）需要,许用值,许用值是材料在结构设计中应用的技术基础，也用于材料验收、等同性评定和质量控制确定许用值是材料使用方的责任。材料供应商仅提供材料基本信息。许用值的测定应按适航认定的标准和程序进行，承试单位需经适航当局认证(民用),材料弹性模量：E1、E2、v12、G12 平均值 强度：X、X、Y、Y、S 基准值,采用0、(45)ns、90三种试样，拉伸、压缩、纵横剪切三种载荷，常温/干态试验测得。,单层性能材料工程常数,模量、强度、短梁剪切强度，弯曲性能环境影响干/冷、湿/热试验缺陷、孔、冲击损伤对强度影响准各向同性层合板带孔/充填孔、冲击损伤试样挤压强度和挤压/旁路性能层间断裂韧性G1C、G2C疲劳性能按工程项目需要而定,许用值-层合板级,设计值,材料、结构元件和结构细节的性能。由试验数据并以保证整个结构的完整性具有高置信度而选择确定的。这些值最通常是以许用值为基础，考虑实际结构状态进行调整而得，并用于计算安全裕度的分析。设计值涉及到材料、结构元件、典型结构件多个层次，是结构设计思想、设计要求的具体体现和设计师设计经验与教训的结晶。复合材料结构设计值通常以设计许用应变给出,设计值的确定,从结构传力路线考虑，单传力路线结构件不具备破损安全特性,比多传力路线结构件要求更高的可靠性,以保证结构安全。按强度、刚度、稳定性等不同结构设计准则设计的结构件，应力水平不同、破坏模式不同，对应的设计许用应变也应有不同结构复杂程度不同、成形工艺方法不同，自然对结构性能（承载能力）的影响也不同十分重要的一点是设计师的设计经验,设计值-拉伸,采用结构用典型铺层的开孔（6.35mm孔径）和紧固件的试样，室温大气环境下进行单轴拉伸试验，并用一定数量同种试样，在最严重的使用环境条件（通常为干冷环境）下，进行同样的试验，测定它们的极限强度和断裂应变。所有这些数据进行数理统计处理，并考虑最严重的环境条件引起的性能退化。在所有这些数据的基础上确定拉伸设计许用值,设计值-压缩,对设计时可以不计屈曲的结构，将足够数量结构用典型铺层的开孔（6.35mm孔径）和含冲击损伤（冲击损伤的尺寸按所考虑结构部位的损伤容限要求而定）的试样，在室温大气环境进行单轴压缩试验。所有这些数据进行数理统计处理，在所有这些数据的基础上确定压缩设计许用值，可不必进一步考虑环境条件引起的压缩性能退化。,设计值-压缩,对于必须考虑屈曲的薄蒙皮结构,除按上述方法确定其含开孔合冲击损伤试样的损伤容限许用值外,还必须考虑含具体结构形式的结构元件压缩(或压剪复合)试验,或由试验数据支持的分析方法,来确定该结构的屈曲许用值。在此基础上由设计师确定适用于该结构的压缩设计许用值。,设计值-剪切,剪切设计许用应变的确定，应用足够数量（由数据的可靠性要求决定）45层合板在室温大气环境下进行试验，在最严重的使用环境条件下进行一定数量的试验，测定的剪切应变，经统计分析获得纵横剪切需用应变,积木式方法,积木式方法补充内容：,积木式方法,确定设计值需要进行的结构试验,加筋板冲击损伤许用应变确定实例,加筋板冲击损伤许用应变确定实例,加筋板冲击损伤许用应变确定实例,加筋板冲击损伤许用应变确定实例,加筋板冲击损伤许用应变确定实例,现有部分复合材料结构部件设计值,设计值,安全系数,限制载荷是在预定的正常条件下的最大载荷极限载荷是限制载荷乘以适当的安全系数安全系数是一个设计系数,用来防止载荷大于预定正常飞行条件下载荷的可能和设计中的不精确安全系数一般取1.5,安全系数,确定安全系数主要考虑的因素 载荷计算的精确度 环境条件，湿、热、雷击、碰撞 复材结构的性能与其制造工艺 复材结构制造与使用经验,典型飞机结构设计,翼面结构 机身结构,翼面结构形式,单块式结构 多墙（多梁）式结构 全高度夹层结构 硬壳式结构,单块式结构,波音737水平安定面复合材料翼盒结构布局,B787机翼结构设计,多墙（多梁）式结构,EAP（EF2000原型机）机翼结构图,多墙（多梁）式结构,AV-8B机翼结构图,多墙（多梁）式结构,航行者复合材料机翼,全高度夹层结构,波音-767复合材料外侧副翼,旋翼桨叶的结构形式,旋翼桨叶的结构形式,旋翼桨叶的结构形式,旋翼桨叶的结构形式,复合材料机身结构形式,结构型式与金属结构类似，多为半硬壳式结构，且大多采用共固化技术制成整体件。,机身桁/梁隔框骨架,机身开口结构设计与补强,机身对接,波音787机身对接,整体筒壳式机身结构-优点,整体筒壳机身大量减少了连接件，以达到明显减重、减少装配、降低成本的预期目的。同时还可提高组装精度，减少公差，垫片用量也显著减少。机身的气密性、疲劳和耐腐蚀性能大大提高，允许机身座舱增加压力、增加湿度和加大窗户尺寸，提高客机的乘员舒适性。缠绕和纤维自动铺放技术，可以大幅度提高生产效率，有利于降低成本。,整体筒壳式机身结构-缺点,热压罐尺寸限制了机身分段的长度，出现了机身分段多，而且在受力大的部位有机身分段对接面。每个对接接头增重80kg。难以实现机身筒体结构不同结构设计区域的铺层优化设计。较大损伤修补困难。整段机身筒壳更换几乎是不可能的。热压罐尺寸大，设备投资大。,A350-XWB中机身设计,A350机身对接,壁板组合机身结构-优点,机身筒体各分区复合材料壁板均有较好的平直度，易于加工制造，并可按照各分区结构和载荷特点进行铺层优化和加筋桁梁隔框布局机身可以根据受力情况进行分段，分为前机身段、中机身段和后机身段，从而避免在受力大的部位处进行分段之间对接，减少了两分段对接的复杂程度便于维护修理，甚至可以更换整块壁板可以充分利用、借鉴金属材料机身结构设计的经验所用热压罐直径较小，而长度加长，总投资可以削减,壁板组合机身结构-缺点,壁板之间不仅对接长度增加，而且环向对接，应力水平增加，造成结构增重明显。座舱气密性也会受到影响。组装工作量大，连接件数量大增，带来结构增重组装设备投资大。,复合材料机身的结构型式,前机身承受载荷较小，按刚度设计，结构简单 AV8B前机身结构图,复合材料直升机机体结构,直升机机体结构有构架式、桁梁式，以及有两者混合的结构型式。由于直升机飞行高度低、速度慢，载荷相对小，不存在气动热问题，这给直升机结构采用复合材料设计提供了得天独厚的条件欧洲“虎”、V-22、NH-90和最先进的RAH-66（科曼奇）等都是20世纪90年代初研制的，几乎都达到全复合材料机体结构的水平。,欧洲“虎”式直升机虎式直升机,抗坠毁结构,作业,列出毯式曲线法进行层合板设计的步骤？什么是复合材料的许用值和设计值？为什么复合材料采用按应变设计？简述复合材料结构设计的一般原则。列举复合材料机翼结构主要结构形式及受力 特点。试分析波音787和A350机身设计思想及各自的优缺点。,