1、名詞術(shù)語

(1)各向同性：材料性能與方向無關(guān)的一種特性。

(2)各向異性：材料性能因方向不同而改變的一種特性。

(3)正交各向異性：材料具有三個互相垂直的彈性對稱平面的特性，這些平面的法線方向稱為材料主方向。

(4)橫向各向同性：具有正交各向異性特性的材料，若有一個各向同性平面時，稱之為橫向各向同性。單向復(fù)合材料即具有此種特性。

(5)耦合：外力引起與其不對應(yīng)的摹本變形的效應(yīng)稱為耦合。

(6)拉剪耦合、拉彎耦合、彎扭耦合：分別指由正應(yīng)力引起剪應(yīng)變的耦合，由正應(yīng)力引起彎曲應(yīng)變的耦合；由彎矩引起扭轉(zhuǎn)應(yīng)變的耦合。三者均為各向異性材料所特有。

(7)正軸：與材料主方向重合的參考坐標軸。

(8)偏軸：與構(gòu)料主方向不重合，有一個偏轉(zhuǎn)角的參考坐標軸。

(9)鋪層：復(fù)合材料制件中一層單向帶或織物稱為一個鋪層，是復(fù)合材料制件中一個最基本單元。

(10)層合板：由單向或多向鋪層壓制而成的復(fù)合材料板。

(11)鋪向角(鋪層角)：每一鋪層的纖維方向與制件參考坐標X軸之間的夾角，由X軸到纖維方向逆時針旋轉(zhuǎn)角度為鋪層角。

(12)鋪層組：一組具有相同鋪層角的連續(xù)鋪層。

(13)鋪層順序：鋪貼中具有各種不同鋪向角的鋪層的排列次序。

(14)子層合板：在層合板內(nèi)一個多次重復(fù)的多向鋪層組合。

(15)對稱層合板：全部鋪層及其各種特性和參數(shù)相對于板的幾何中面對稱的層合板。

(16)均衡層合板：鋪層的各種特性和參數(shù)相同，鋪向角為-θ和θ的鋪層數(shù)相等的層合板，且可包含任意數(shù)量的0°層和90°層。如[45°／-45°]，[0／45°／90／-45°]。

(17)均衡對稱層合板：即均衡又對稱的層合板。如[45°／-45°]。

(18)正交層合板：只有0°和90°鋪層的雙向?qū)雍习?，如[0°／90°]。

(19)斜交層合板：只含有-θ和θ鋪層的雙向?qū)雍习?，如[45°／-45°]。

(20)準各向同性板：面內(nèi)各個方向的彈性常數(shù)相同的對稱層合板，如[30／60／一30／一60]。

(21）n／4層合板：具有四個鋪層方向，彼此相隔45°(即n／4)，且各鋪層組可具有任意厚度的對稱層合板。如[0／45／90／一45／0]。

(22)一般層合板：主要是指非對稱層合板，還可以包括有不同層板組成的組合式層合板，或有不同鋪層材料組成的混合式層合板。如[0／45／一45／45／90／0]。

(23)層間應(yīng)力：除層板的三個面內(nèi)應(yīng)力分量外，沿兩個鋪層之間的界面上產(chǎn)生的、與厚度方向有關(guān)的三個應(yīng)力分量，zx,τzy,σz。其中兩個剪切分量稱層間剪應(yīng)力，也稱橫向剪應(yīng)力。

(24)失效準則：復(fù)雜應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)下，材料失效的判據(jù)。

(25)許用值：計算中允許采用的材料性能值，由一定的試驗數(shù)據(jù)確定。

(26)強度比：材料的強度極限與結(jié)構(gòu)所受對應(yīng)應(yīng)力之比。

2、層合板的表示法

(1)一般層合板：每一鋪層的方向用纖維與x軸的夾角示出，彼此用“／”分開，全部用[ ] 括上，并按由下而上或貼膜面向外的順序?qū)懗?，如[0／45／30／一45／90]。

(2)對稱層合板：只寫出一半，括號外加下標s。若為奇數(shù)層，對稱中面鋪層上加頂標“一”。如[0／90]s或[0／45／90]s。

(3)具有連續(xù)重復(fù)鋪層時：連續(xù)鋪層的層數(shù)用數(shù)字下標示出，如[0／45n／90]。

(4)由多個子層板構(gòu)成時：子層板重復(fù)數(shù)用數(shù)字下標示出，如[0／90]n。

(5)由織物鋪成的層合板：織物的經(jīng)緯方向用“( )”示出，如[(土45)／(0，90)]。

(6)混雜復(fù)合材料層合板：分別用下標表示。C：碳纖維，K；芳綸纖維，G：玻璃纖維．如[0C／45G]。

(7)夾層板：用c表示夾芯，下標數(shù)字表示夾芯厚度的毫米數(shù)，面板鋪層表示法同前，如[0／90／Cn]。

碳纖維復(fù)合材料鋪層設(shè)計要點

隨著時代的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料在航天航空、汽車高鐵、體育用品、機械制造等領(lǐng)域隨處可見，在其制品制造的過程中，由于碳纖維復(fù)合材料在工藝與性能方面有很大差異，導(dǎo)致其與傳統(tǒng)材料的設(shè)計也存在較大區(qū)別，其中鋪層設(shè)計是碳纖維復(fù)合材料設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容。

一、鋪層設(shè)計的內(nèi)涵

鋪層設(shè)計主要進行以下內(nèi)容：

1、確定鋪層的總層數(shù)。產(chǎn)品總厚度h=n1h1+ n2h2+ n3h3，其中n1，n2，n3為對應(yīng)材料的層數(shù)，h1，h2，h3為材料固化后的單層厚度。

2、確定鋪層的方向角。合理的鋪層角度，可優(yōu)化局部件的力學(xué)性能以及其它性能，目前常用的標準鋪層角度：0°、45°、-45°和90° 可以滿足設(shè)計要求，也可以簡化分析和制造。除縱橫剪切強度試樣外，只在有特殊需求時采用任意鋪層角度鋪層，且所用鋪層角種類應(yīng)盡可能少。

3、確定鋪層各方向角所占的比例。

4、確定各鋪層各方向角的堆疊順序。為了減少固化過程中的變形，整體鋪層順序應(yīng)該在層壓板結(jié)構(gòu)鋪層中心線兩側(cè)對稱，中心線一般位于層壓板的中部區(qū)域。并且為確保均勻的鋪層順序，不同的鋪層角度應(yīng)該在鋪層順序中均勻分布。

二、鋪層的表示

單向帶鋪層〔45/-45/0/-45/45/90/90/45/-45/0/-45/45〕（示例1）的表示，可以簡化為〔45/-45/0/-45/45/90〕s，其中0，45，90，-45表示鋪層角度，s表示鋪層關(guān)于中面對稱，如圖1所示。

單向帶鋪層〔45/-45/0/-45/45/90/45/-45/0/-45/45〕（示例2）表示，可以簡化為〔45/-45/0/-45/45/90〕 ，其中表示鋪層關(guān)于中面單對稱，如圖1所示。

??織物與單向帶混合的鋪層采用:〔(±45)/0/(±45)/(0,90)/(±45)/90/90/(±45)/(0,90)/(±45)/(±45)〕表示，可以簡化為〔(±45)/0/(±45)/(0,90)/(±45)/90〕s，其中(±45)，(0,90)為織物的鋪層，如圖2所示。

圖2織物和單向帶鋪層示意圖

當(dāng)需要用鋪層表示相應(yīng)的材料時，可在右下角加材料代碼的英文字母，如：

（±45）G表示±45度的玻纖織物

（±45）K表示±45度的凱夫拉芳綸織物

三、纖維的拼接

單向帶鋪層需要沿寬度方向拼接時，拼接間隙應(yīng)小于1mm，不允許在垂直于纖維方向拼接，如圖3所示。

圖3單向帶拼接間隙要求

同方向（角度）鋪層需要拼接時，兩拼縫間距應(yīng)不小于25 mm，如圖4所示。

圖4同方向鋪層拼接間隙要求

四、典型結(jié)構(gòu)設(shè)計的注意事項

復(fù)合材料工字梁（如圖5所示）可以提供較高的抗彎剛度，鋪層時需要注意在各鋪層組的空隙區(qū)需要用相應(yīng)的纖維進行填充，且各組鋪層疊加后仍保持對稱。

圖5工字梁鋪層組示意圖

復(fù)合材料T型梁（如圖6所示）制造簡單，工藝性好， 但其抗扭轉(zhuǎn)性能差，為改善其抗扭轉(zhuǎn)性能，在T型梁腹板端部采用包覆纖維的方式，提高其抗扭轉(zhuǎn)性能（如圖7所示）

針對工藝孔、定位孔的設(shè)計形式，設(shè)計成圓孔為最佳，其次為長圓孔，最差的是方孔，主要是復(fù)合材料無法像傳統(tǒng)金屬一樣沖孔，加工方孔工藝性差，如圖8所示。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需要模具成型，圓角可以改善鋪貼工藝性，圓角大小與產(chǎn)品厚度以及模具形式有關(guān)，當(dāng)產(chǎn)品厚度t小于2.5mm時，若陽模成型，最小半徑應(yīng)為2倍t厚度與3mm的最大值，若陰模成型，最小半徑應(yīng)滿足R ≥ 2t＋1.5 mm；

當(dāng)產(chǎn)品厚度t大于等于2.5mm時，若陽模成型，最小半徑應(yīng)為t厚度與5mm的最大值，若陰模成型，最小半徑應(yīng)滿足R ≥ 2t＋1.5 mm，具體見表1。產(chǎn)品圓角與模具關(guān)系如圖9所示。

表1產(chǎn)品圓角大小選型表

層合板厚度

陽模

陰模

t＜2.5mm時

R ≥ max（2t，3.0 mm）

R ≥ 2t＋1.5 mm

t≥2.5mm時

R ≥ max（t，5.0 mm）

圖9復(fù)合材料圓角與模具關(guān)系示意圖

鋪層設(shè)計是碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(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，鋪層設(shè)計起到了承上啟下的作用。

(來源：索辰信息、華特碳纖)

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