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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，树脂沿厚度方向由下向上浸渍预成形件，待完全充填后，升高温度使树脂固化。RFI成形工艺办法被以为是当前行之有效低成本、高质量制造技术。

（3）复合材料构造件机械加工
成形脱模复合材料构造件,由于工艺与装配因素需要在零件上开口或进行边沿切割与修磨,因而对其进行切割加工是不可避免。成形复合材料构造切割加工时，所有切割边沿都应完整光滑，以避免边沿分层而引起构造提前破坏。为防止总体变形，必要时应将零件固定在型架上进行切割。切割与修磨过程中，应及时清除切屑粉尘，以防止零件划伤，减少污染，所有切割、修磨暴露表面都必要用相应树脂或漆料、密封剂等封口。复合材料构件切割加工有砂轮片切割、超声波切割、高压水切割、激光切割等办法，每种办法均有其优缺陷，应依照设计规定、既有条件限制和成本规定，选取适当加工办法。

四、复合材料构造质量控制

制造过程质量控制可分为工序质量管理和成品质量管理，前者是复合材料构造制造质量高低核心。

工序质量管理涉及厂房等环境管理、人员及作业管理和成形过程管理等环节。复合材料厂房分普通工作场地和超净工作间，它们各有相应环境指标规定。普通工作场地是辅助工序、固化和机械加工工序实现场合，超净工作间是预浸料制备、下料、铺层、胶接等操作场合。普通工作场地与超净工作间相通之处应有过渡间，整个生产过程在同一厂房内持续进行。人员素质、设备状态与管理水准是高质量生产三要素。人员培训、技术档案、检测制度和工艺质量流程卡（工序质量控制）构成了质量科学管理办法重要内容。

复合材料成形是质量控制过程中重要环节，是保证制件质量满足设计规定，达到规定目的核心。成形工艺过程是由每道工序构成，因而，工序操作管理是成形工艺质量保证基本。对于常规零件和构件其作业流程大体为：

除了工序质量管理和成品质量管理外，采用先进生产工艺，增长生产自动化限度，是质量控制又一项重要办法。例如，采用TRM成形工艺、电子束固化技术、自动下料技术、自动铺丝束带技术等。

五、复合材料构造设计普通规定与设计环节

（1）复合材料构造设计普通规定
复合材料导弹构造设计规定与金属构造基本相似。鉴于复合材料自身特点，进行复合材料构造设计时，还应考虑如下几项规定。

① 复合材料构造按许用应变设计构造时，采用使用载荷设计、设计载荷校核原则。无论采用何种办法设计，要注意复合材料在性能、失效模式、耐久性、制造工艺、质量控制等方面与金属材料有较大差别，应保证构造在使用载荷下有足够强度和刚度，在设计载荷下，剩余强度系数应不不大于1。
② 在拟定复合材料构造设计许用值时，必要考虑环境对材料性能影响。环境因素涉及温度、湿度、紫外线辐射、冰雹和外来物冲击、雷电、风沙、腐蚀介质等，其中最重要因素是温度、湿度以及在生产和使用中也许浮现最大不可见冲击损伤。
③ 复合材料构造安全水平，不能低于同类金属构造。
④ 复合材料构造中，应特别注意防止与金属零件接触时电偶腐蚀。
⑤ 由于复合材料导电性能远不如金属材料高，对复合材料飞行器构造必要进行防雷击、防静电和电磁兼容设计与实验验证。导弹头部以及翼面构造尖端和前缘等部位易受雷击，应进行防雷击设计与验证。对复合材料弹翼与电子设备舱必要进行防静电起火和防电磁屏蔽防护设计和验证明验。
⑥ 应尽量将复合材料构造设计成整体件，并采用共固化或二次固化、二次胶接技术，以利减重和提高产品质量，但应注意共固化引起构造畸变和胶接质量问题。
除了以上规定外，复合材料飞行器构造设计在静强度设计、耐久性设计和构造工艺性等方面尚有某些不同于金属构造特殊规定，设计时均应考虑。

（2）复合材料构造设计环节
综合设计思想在复合材料构造设计中体现非常突出。普通状况下，金属构造设计是依照手册提供性能数据，选取所需材料牌号和规格，然后进行详细构造设计。而复合材料构造设计选材时就必要同步考虑材料机械性能、使用环境和工艺性（如树脂体系固化温度、固化时间和工艺办法）等因素。由于复合材料是构造设计与材料设计同步进行，材料与构造一次成形，因此在设计时既要对构成构件各某些层合板参数进行设计，还要选取构件构造形式和几何尺寸。在初步设计阶段就应对构造可维护性、可修理性和维修费用进行考虑与评估。
复合材料构造设计，一方面应明确设计条件，之后进行设计选材和层合板设计，然后进行构造设计。在整个设计过程中，应视不同阶段进行相应实验，涉及某些工艺实验。其中材料试样、元件、组合件和部件四个层次积木式办法验证明验，在保证复合材料构造满足构造设计规定方面占有重要地位。
设计条件涉及对构造性能规定、载荷状况、环境条件和工艺条件等四个方面。载荷状况是指所设计构造承受载荷性质，如静载荷或动载荷。动载荷分为冲击载荷和交变载荷。冲击是碰撞引起载荷，它对复合材料极易导致损伤，特别是低能量冲击导致损伤不易察觉，潜在威胁大，因而对此类载荷作用部位构造，设计时要特别注意。交变载荷作用下构造应具备需要疲劳强度和寿命。环境条件是指构造使用区域大气、气象及其她物理化学环境。工艺条件外括了预浸料制作或预制件（二维、三维编织或缝编预制件）制作、固化成形、机械加工和装配，以及修补等几种方面设备条件和人员素质等。
设计选材和层合板设计涉及组分材料选用、铺层性能拟定以及层合板设计。构造设计则包括构造形式拟定、构造元件设计、构造细节设计和连接设计等内容。这两项设计工作要涉及到应力、应变分析和失效判断，以保证构造满足规定强度与刚度规定。对飞机设计最后还要进行损伤容限评估，以保证构造满足完整性规定。
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