昨天跟英國TWI的專家交流，探討了用碳纖維復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料，尤其在制造重要的結(jié)構(gòu)部件中的思路。發(fā)現(xiàn)需要考慮的因素太多，以致無法確定主次先后。今天就列一個(gè)清單，細(xì)數(shù)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
內(nèi)容所有涉及的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一般是指碳纖維預(yù)浸料鋪層結(jié)構(gòu)。
強(qiáng)度與剛度
既然是結(jié)構(gòu)部件，那么設(shè)計(jì)者首先要考慮的是強(qiáng)度和剛度。部件在外力載荷的作用下，有抵抗變形與破壞的能力，但是這個(gè)能力又是有限度的。
如何確定部件的使用載荷，不會(huì)超出部件的能力極限，是通過材料力學(xué)計(jì)算得出。而部件的這個(gè)能力極限，就是碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者需要考慮的問題。
通過合理的搭配纖維和樹脂，優(yōu)化纖維排布，用最少的材料，滿足設(shè)計(jì)需求，體現(xiàn)了復(fù)合材料設(shè)計(jì)者精湛的技巧。不過決定復(fù)合材料強(qiáng)度與剛度的因素，不但與纖維和樹脂的種類有關(guān)，還與碳纖維的鋪層方向以及層與層之間結(jié)合搭配有關(guān)。
所以，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件時(shí)，需要考慮三個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。
由基體和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的單層材料，其力學(xué)性能決定于組分材料的力學(xué)性能、相幾何(各相材料的形狀、分布、含量)和界面區(qū)的性能。
由單層材料層合而成的層合體，其力學(xué)性能決定于單層材料的力學(xué)性能和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪設(shè)方向、鋪層序列) 。
最頂層結(jié)構(gòu)是指通常所說的工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能決定于層合體的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)幾何。
穩(wěn)定性
除了強(qiáng)度與剛度要求，設(shè)計(jì)者還需考慮復(fù)合材料部件的失穩(wěn)，尤其是對(duì)一些細(xì)長桿結(jié)構(gòu)，在受壓時(shí)，應(yīng)該能夠保證其原有的直線平衡狀態(tài)。對(duì)于一些框架結(jié)構(gòu)部件，如果鋪層不均勻，也會(huì)產(chǎn)生翹曲失穩(wěn)，所以在制造過程中尤其注意。最好采用對(duì)稱鋪層，以防變形不均勻。
一般情況下，在部件沒有達(dá)到極限載荷之下，不允許產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。但是如果對(duì)于一些特殊要求，可以產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，那么設(shè)計(jì)過程中，要考慮失穩(wěn)過程不會(huì)因此影響極限載荷。
鋪層結(jié)構(gòu)
鋪層結(jié)構(gòu)是碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，如何把單層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能傳遞到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件上，鋪層結(jié)構(gòu)起到承上啟下的作用。關(guān)于復(fù)合材料鋪層應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1. 樹脂是碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的短板，所以盡量避免將載荷直接加到層間或者樹脂之間。也就是說，0°、±45°、90°的纖維都要有，否則載荷會(huì)將部件從沒有纖維排布的方向撕裂。
2. 為了防止層合板邊緣開裂，盡量避免重復(fù)單一方向的鋪層，設(shè)計(jì)時(shí)最多不超過5層。
3. 為了防止最外層鋪層的剝離，在部件的主載荷方向，應(yīng)鋪放±45°纖維，而不能鋪放0°和90°纖維。另外，避免最外層鋪層間斷或不完整。
4. 若使用非對(duì)稱鋪層，每層因同方向上熱膨脹系數(shù)不同會(huì)出現(xiàn)翹曲，因此，一般要采用對(duì)稱鋪層。
5. 當(dāng)增加補(bǔ)強(qiáng)鋪層時(shí)，每層階梯最少要3.8-6.4mm，附加鋪層也應(yīng)盡量采用對(duì)稱鋪層。
連接
碳纖維復(fù)合材料部件開發(fā)過程中，不太可能都采用整體成型技術(shù)，需要進(jìn)行部件與部件之間的連接的，則需要對(duì)連接形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
一般來講，碳纖維復(fù)合材料部件的連接有三種形式：機(jī)械連接、膠結(jié)連接、混合連接。機(jī)械連接適用于連接件厚度大、可靠性要求較高、傳遞較大集中載荷的情況。膠結(jié)主要是利用粘結(jié)劑將零件連接成不可拆分的整體。
疲勞與沖擊損傷
復(fù)合材料的疲勞與金屬材料相比，必須考慮溫度、濕度、沖擊損傷等因素。大多數(shù)情況下，沖擊損傷在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中覆蓋了疲勞問題。
疲勞
一般情況下，復(fù)合材料的拉伸疲勞優(yōu)于金屬。在正交層合板時(shí)疲勞或交變載荷作用下的開裂相對(duì)穩(wěn)定，比金屬開裂擴(kuò)展的慢。對(duì)復(fù)合材料必須注意受沖擊后的壓縮、剪切以及層間剪切在交變載荷作用下，引起的疲勞破壞。疲勞引起的早期破壞要因如下：
1. 缺口，尖角
2. 截面突變
3. 突起
4. 極端的偏心載荷
5. 螺栓連接接頭
6. 快速擺動(dòng)
沖擊損傷
對(duì)于碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，一般應(yīng)將CAI強(qiáng)度（沖擊后壓縮強(qiáng)度）作為設(shè)計(jì)參數(shù)之一。飛機(jī)上確定損傷容限就是這么考慮的。損傷容限就是部件中允許的損傷范圍，如果超出這個(gè)限度，損傷將會(huì)顯著影響部件的性能。碳纖維復(fù)合材料的沖擊損傷容限必須在可檢測到的范圍內(nèi)，作為設(shè)計(jì)參數(shù)之一加以考慮。
即使存在肉眼不可見的損傷，也要確保結(jié)構(gòu)不發(fā)生CAI強(qiáng)度的下降。改善沖擊損傷的損傷容限，可以在碳纖維材料中加入芳綸纖維或者玻璃纖維。
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