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.
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。
1前言 复合材料因其高比强度、高比刚度、良好的抗疲劳性和材料铺层可设计性等优异特性，广泛应用于航天航空领域。在使用中，复合材料往往要同复合材料或金属材料连接起来。机械连接是最常见的连接方法。螺栓连接因传递载荷大在承力结构中得到广泛应用，但连接处往往是结构的薄弱环节，承载时最先破坏。因此，对螺栓连接的失效模式及连接强度进行研究很有意义。 纤维复合材料机械连接强度及破坏模式与接头的几何参数、纤维种类及铺层方向等多种因素有关，很多专家和学者对此进行了广泛的实验研究和理论分析[1~8]，得出了很多指导性的结论。普遍认为连接强度随W/D和E/D的增大而增大，但当W/D 和E/D增大到某一临界值后，其破坏模式由拉伸破坏或剪切破坏转变为挤压破坏时，再增加W/D和E/D对连接强度的提高没有明显作用。 现有的研究大多针对纤维复合材料，而对织物复合材料研究的较少。织物复合材料与纤维铺层复合材料结构及性能不同，连接设计的最佳参数也不相同。Bülent[9]研究了玻璃织物和铝箔混杂铺层复合材料销钉连接挤压强度；刘建超[10]等人实验研究了碳纤维织物复合材料销钉连接接头几何参数对连接性能的影响；Buket[11]等人对销钉连接玻璃纤维织物／环氧层合板的破坏强度进行了研究。本工作针对玻璃纤维织物复合材料螺栓连
接结构，研究了W/D及E/D对螺栓连接强度的影响，并分析了螺栓连接的破坏模式，找出使连接强度最佳的W／D和E/D临界值，为织物复合材料的结构设计及后续研究奠定了一定基础。2实验 2.1原材料 实验采用原材料为增强材料，2×2斜纹高强玻璃纤维布，面密度230g／m2，厚度0.22mm，南京玻纤院生产；树脂基体，环氧树脂体系。 2.2试样制备 复合材料层合板制作采用织物预浸布模压成型。玻璃布通过多功能浸胶机预浸胶，制作成预浸玻璃布，裁剪后在压制平板上铺设，铺设时各层织物经／纬向严格排布，铺设到要求厚度后，在热压机上热压成型。固化制度为RT70℃/3h 100℃/3h 120℃／3h 160℃/6h自然降温，成型压力为4~5MPa。固化后的层板厚度为4mm，树脂含量为38%（质量分数）。板形件脱模后按相关标准进行机加，制作试样。玻璃布层合板的力学性能见表1。
!ANSYS命令流学习笔记 14-shell 单元的铺层复合材料分析!学习重点： !1、熟悉复合材料的材料特点 工程应用中典型的复合材料为纤维增强复合材料。玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）、碳纤维、石墨纤维、硼纤维等高强度和高模量纤维。复合材料各层为正交各向异性材料 （O rthotropic ）或者横向各向异性材料（ Transversal Isotropic），材料的性能与材料主轴的取向有关。 各向异性 Anisotropic，一般的各项同性材料需要两个材料参数弹性模量而各向异性在 XYZ有着不同的材料属性，而且拉伸行为和剪切行为互相关联。程需要 21 个参数。E 和泊松比v。定义其几何方 正交各向异性 orthotropic，在XYZ有着不同的材料属性，而且拉伸行为和剪切行为无关，定义材料需要 9 个参数： Ex， Ey， Ez， Vxy， Vyz，Vxz， Gxy， Gyz， Gxz。 横向各向异性 Transversal Isotropic，属于各向异性材料，但是在某个平面上表现出二维上的各向同性。
!2、熟悉复合材料分析所用的ANSYS单元 复合材料单元关键在于能够实现铺层。不同截面属性的梁单元（beam188, beam189, elbow290 ），2D 对称壳单元（ shell208, shell209 ），3D 铺层壳单元（ shell181, shell281, shell131, shell132），3D 铺层实体单元（ solid185, solid186, solsh190, solid278, solid279 ），均能实现复合 材料的搭建。其中Beam 单元和2D 对称壳单元很少使用。SHELL91、 SHELL99、 SOLID46、 SOLID191 用于一些以前的分析教程中，但是现在这些单元已经被淘汰，最好选择下列单元 区替代他们。用越来越少的单元做越来越多的事情也是趋势。 Shell208 和 shell209， 2D 对称壳单元 前者为 2 节点 3 自由度单元，后者为 3 节点 3 自由度单元，均能用于薄板和中厚板结构 （L/h > 5-8 ）。能够用于复合材料铺层，三明治结构建模。 shell181 和 shell281, 3D 铺层壳单元 前者为 4 节点 6 自由度单元，后者为 8 节点 6 自由度单元，均能用于薄板和中厚板结构 （L/h > 5-8）。能够用于复合材料铺层，三明治结构建模。复合材料计算精度由一阶剪切变 形理论决定。 shell131, shell132 为热分析单元，单元类型分别类似于shell181， shell281。 [注：经典变形理论假设变形后的中位线仍然垂直于中面，且长度不变。一阶变形理论 假设变形后的法线仍然为直线且长度不变。三阶阶变形理论假设变形后的法线为三阶曲线。] solid185 和 solid186, 3D 铺层实体单元 前者为 8 节点 3 自由度单元，后者为 20 节点料分析，均为六面体单元，均可退化为六棱柱单元。3 自由度单元，用于厚板和实体的复合材 Solid278, solid279 为热分析单元，单元 类型分别类似于solid185 ，solid186 。 Solsh190， 3D 铺层实体壳单元 8 节点 3 自由度单元，类似实体单元，但是用于薄板和中厚度板的壳结构分析，其结构 行为遵循一阶剪切变形理论。 !3、熟悉复合材料的失效准则 失效准则用于获知在所加载荷下，各层是否失效。用户可从三种预定义好了的失效准则中选择失效准则，或者自定义多达六种的失效准则。三种预定义失效准则是：
7．5 复合材料结构设计 一、复合材料结构设计一般原则 本节主要介绍层压结构和由层压面板构成的夹层结构的设计原则．复合材料结构设计的一般原则从总的方面说与金属结构相似，但其具体内容则有所同，有所不同。相同之处，如传力路线最短等受力构件布置的一些基本原则，又如细节设计中要避免受载偏心，尽量避免开口，开口时注意其形状等一些内容，但由于复合材料与金属材料性质、性能上的不同，在设计原则 的具体内容上必然有很多不同之处。以下我们主要就不同的方面作简要介绍。 1．提高结构效率 针对复合材料的特点，除上述与金属相同的原则外，还应从以下几方面着手： (1)铺层设计中要扬长避短，充分利用复合材料沿纤维方向的优良性能，避免使用其弱的横向性能和剪切性能。 (2)与单纯的层合板不同，对于层压结构耍注意选择合理的结构形式和层板构形，对某些敏感区的局部铺层设计：如在连接区、局部冲击区、集中力作用点、开口附近等处的铺层一般应进行局部调整，在结构尺寸和结构外形突变区注意铺层过渡问题。要注意复合材料层压性带来的某些区域易产生分层，从而可能引发的结构承载能力下降或失效的问题，尽可能采取相应措施(详见本节的三)。 (3)提高结构整体性。复合材料比金属更易制造出形状复杂的构件，并具有可采用共固化工艺制造大型整体件的优点。设计中在不增加工装复杂程度的情况下应尽量减少零件数量，设计成整体件，如大块机翼整体壁板。这样可不用紧固件或减少紧固件的数量，减轻结构重量，提高结构效率，并可减少钻孔、装配的工作量和由孔引起的应力集中以及制造成本。 2．要保证结构中各元件之间的载荷传递 复合材料构件与金属构件不同，除具有一定的形状外，还可以具有不同的层板构形。要使各构件之间(如蒙皮和桁条、冀肋、翼粱之间)和各构件的各个部分之间(如梁的绿条和腹板之间)的承载路径尽量连续。连接的形式与方法应与需传递的载荷性质(拉压、剪切)和方向相适应，尽量避免偏心和切口效应。同一构件须拼接时，其纤维取向也应连续。 3．结构要求良好的工艺性 设计必须保证能制作出保证质量和低成本的结构，尽量避免成形和装配时可能出现的各种缺陷。包括以下各点： (1)避免铺层设计不合理带来的工艺性问题。如铺层、装配不对称或同一铺向角的铺层数集中过多使构件在固化过程中引起弯—拉—扭耦合而产生翘曲变形、树脂裂纹，
复合材料铺层一般原则 一．层合板设计的一般原则 （1）均衡对称铺设原则 除了特殊需要外，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，应考虑工艺变形限制。将非对称和非均衡铺层靠近中面，可减小层合板工艺变形。 （2）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。如果需要设计成准各向同性层合板，可采用或层合板。对于采用缠绕成形工艺制造的结构，铺层角（缠绕角）不受上述角度的限制，但一般采用缠绕角。 （3）铺层取向按承载选取原则 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。具体地说，如果承受单轴向拉伸或压缩载荷，纤维铺设方向一致；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；如果承受剪切载荷，纤维方向按+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。90°方向纤维用以改善横向强度，并调节层合板的泊松比。 （4）铺设顺序原则 主要从三方面考虑：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。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。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。 （5）铺层最小比例原则
lsdyna复合材料铺层定义 1.引言 在工程领域中，复合材料广泛应用于各种结构和部件中，以提供更好 的性能和轻量化的设计。为了准确描述和模拟复合材料在力学行为和应力 分析方面的性能，需要定义复合材料的铺层结构。本文将介绍如何在 l s dy na中定义复合材料的铺层结构。 2. ls dyna复合材料铺层定义流程 l s dy na是一种广泛用于有限元分析的软件工具，它允许我们对复合材 料进行详细的建模和分析。下面将详细介绍在ls dy na中定义复合材料铺 层的步骤。 2.1创建材料定义文件 首先，我们需要创建一个材料定义文件，其中包含复合材料的层厚度、材料属性等信息。这个文件是ls dy na中定义复合材料铺层的基础。 2.2定义铺层结构 在材料定义文件中，我们可以按照需要定义不同层的厚度、材料属性 和层间粘结性能。通过控制每层的材料属性和顺序，我们可以模拟复合材 料在力学行为上的性能。 2.3模拟加载条件 接下来，我们需要定义加载条件，在l sdy n a中模拟复合材料的加载 过程。这包括定义施加在复合材料上的载荷和边界条件，以及模拟实际使 用环境中的温度和湿度等因素。 2.4运行仿真分析 一切准备就绪后，我们可以运行l sd yn a的仿真分析来模拟复合材料 的行为。根据定义的材料属性、层厚度和加载条件，l sd yn a将计算复合 材料在不同加载情况下的应力、变形和破坏行为。
3. ls dyna复合材料铺层定义的应用 l s dy na的复合材料铺层定义广泛应用于航空航天、汽车、船舶和建筑 等领域中。通过准确描述复合材料的铺层结构，可以帮助工程师分析和优化复合材料结构的性能。 在航空航天领域，ls d yn a的复合材料铺层定义可以用于飞机结构的设 计和分析。通过模拟不同的载荷情况和材料特性，可以评估飞机复合材料结构的强度和刚度，从而提高设计效率和飞行安全性。 在汽车领域，复合材料的应用越来越广泛。通过l sd yn a的复合材料 铺层定义，可以分析汽车车身和零部件的刚度、轻量化设计和碰撞安全等方面的性能，为汽车制造商提供更好的产品设计和改进方向。 此外，在船舶和建筑领域中，复合材料的应用也在不断增长。通过 l s dy na的复合材料铺层定义，可以对船舶结构和建筑材料进行强度和刚 度分析，以满足不同的工程需求和提高结构的耐久性。 4.总结 本文介绍了在ls dy na中定义复合材料铺层的流程和应用。通过准确 描述复合材料的层厚度、材料属性和加载条件，l sd yn a可以模拟复合材 料在不同工况下的应力和变形行为，为工程师提供性能分析和优化的基础。 l s dy na的复合材料铺层定义在航空航天、汽车、船舶和建筑等领域中 有着广泛的应用。它可以帮助工程师分析和改进复合材料结构的性能，从而提高产品的设计效率和安全性。 通过不断的研究和实践，ls dy na的复合材料铺层定义将在未来的工程 领域中发挥更重要的作用，为各行各业的工程师提供更准确、高效的分析和设计工具。
复合材料常见的铺层角度 复合材料是由两种或更多种不同材料组合而成的材料，在现代工程领 域中得到广泛应用。其中，铺层角度是在制作复合材料时需要考虑的 重要因素之一。不同的铺层角度可以影响复合材料的性能和力学行为。本文将深入探讨复合材料常见的铺层角度，并分析其对材料性能的影响。 一、铺层角度的基本概念 铺层角度指的是复合材料中纤维层的相对排列角度。在制作复合材料时，可以选择纤维层与基材平行（0°角）或垂直（90°角）排列，也可以选择其他角度。不同的铺层角度会影响复合材料的力学性能和性质。 二、常见的铺层角度 1. 0°角：0°角是指纤维层与基材平行排列。这种铺层角度可以使材料 在拉伸方向上具有很高的强度和刚度，但在横向上的强度和韧性相对 较低。0°角的复合材料适用于需要高强度和刚度的应用，例如航空航 天领域的部件制造。 2. 90°角：90°角是指纤维层与基材垂直排列。这种铺层角度可以使材 料在横向上具有较高的强度和韧性，但在拉伸方向上的强度和刚度相 对较低。90°角的复合材料适用于需要高韧性和抗冲击性能的应用，例如汽车制造中的车身部件。
3. 45°角：45°角是指纤维层与基材成45°角排列。这种铺层角度可以在拉伸和横向受力情况下都具有较好的强度和韧性。45°角的复合材料适用于需要兼顾强度和韧性的应用，例如体育用品的制造。 4. 其他角度：除了0°角、90°角和45°角外，还可以选择其他角度来铺设纤维层。通过选择不同的铺层角度，可以调整复合材料的性能，以满足特定的工程要求。 三、铺层角度对性能的影响 铺层角度的选择会对复合材料的性能产生重要影响。不同的铺层角度会改变复合材料的强度、刚度、韧性和疲劳寿命等性能。具体来说：1. 0°角的复合材料在拉伸方向上具有很高的强度和刚度，但在横向上的性能较差。适合承受拉伸应力的结构。 2. 90°角的复合材料在横向上具有较高的强度和韧性，适合承受弯曲和剪切等横向应力的结构。 3. 45°角的复合材料能够在拉伸和横向受力情况下都具有较好的性能，适合多种综合应力情况下的结构。 四、个人观点和理解 铺层角度的选择在复合材料的设计和制造中非常重要。通过合理选择铺层角度，可以使复合材料具有更好的力学性能和综合性能。不同的应用领域和工程需求需要考虑不同的铺层角度，以实现最佳的性能匹配。在实际工程中，需要综合考虑各种因素，如强度、刚度、韧性、成本等，来选择最合适的铺层角度。
复合材料铺层表示方法 一、材料类型 表示复合材料铺层时，首先需要明确使用的材料类型。不同的复合材料具有不同的性能，因此选择合适的材料是至关重要的。常见的复合材料类型包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等，它们可以单独使用或以不同的组合方式使用。 二、铺层厚度 铺层厚度是复合材料层合板的重要参数，它决定了材料的承载能力和刚度。铺层厚度可以用单层厚度或总厚度来表示。在表示铺层厚度时，应注明各层材料的厚度，以便于理解和分析。 三、铺层方向 铺层方向是指纤维在复合材料中的排列方向。对于层合板，铺层方向决定了其主要性能的取向。通常情况下，应选择与受力方向一致的铺层方向以提高材料的承载能力。不同的铺层方向可以通过角度表示，如0°、90°、±45°等。
四、铺层比例 铺层比例是指各层材料在层合板中所占的比例。通过调整不同材料的铺层比例，可以获得所需的性能组合。例如，通过增加某一方向的铺层数量可以提高该方向的承载能力。 五、铺层顺序 铺层顺序是指层合板中各层的叠加顺序。合理的铺层顺序可以有效地提高材料的性能，并降低缺陷的可能性。通常，应遵循先铺设承载力较小的材料，再铺设承载力较大的材料的顺序。 六、连接方式 复合材料的连接方式包括机械连接和胶接等。机械连接是指通过螺钉、铆钉等将各层材料连接在一起，而胶接则是使用胶粘剂将各层材料粘合在一起。不同的连接方式对材料的性能有一定的影响，应根据实际需求选择合适的连接方式。 七、表面处理 对于某些复合材料，需要进行表面处理以提高其粘附力和耐腐蚀性。
常见的表面处理方法包括打磨、喷砂、涂装等。在进行表面处理时，应选择合适的处理方式并注意保护纤维不受损伤。 八、其他特殊要求 在复合材料的表示方法中，可能还需要考虑其他特殊要求，如热处理、防腐处理、防火处理等。这些特殊要求应根据具体需求和相关标准进行确定和实施。
复合材料“U”型梁的数字化铺层设计 2 南昌工程学院江西南昌 330024 摘要：本文针对复合材料“U”型梁类结构，应用FiberSIM软件，对它进行数字化铺 层设计和铺放分析，生成下料机可读数据，实现自动下料。论文最后对开发工作进行了总结。 关键词：“U”型梁；数字化铺层设计；自动下料 1、复合材料数字化铺层概述 复合材料以其突出的优点广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。 FiberSIM不仅具有铺层设计和可制造性分析等功能，还能生成用于自动下料机、激光投影仪以及自动铺放机的相关数据[1]。FiberSIM软件独有的复合材料仿 真技术和可视化功能，能够预测复合材料在铺贴后的变形、纤维的偏转以及与复 杂表面的贴合情况,并把结果形象地表示出来[2]。 “U”型是继平板类结构之后在飞行器上应用最多的结构，本文选取一典型 的复合材料“U”型梁，介绍如何运用FiberSIM软件快速、准确地进行铺层设计、分析，并输出机器可执行数据。 2、“U”型梁结构及数字化铺层设计流程 “U”型梁是一种比较常用的受力结构，因其截面类似字母“U”而得名。在 制造该类结构时需要一块定制的芯模，然后在芯模上铺贴铺层组，如图1左图所示。 FiberSIM有两个工程复合材料设计模块：CEE（工程复合材料环境）和 ACEE(高级工程复合材料环境)。CEE适于铺层简单，自动化程度相对较低，不能 自动生成梯层（在不等厚的区域间形成）的形状。一般地，CEE模块能满足基本 的铺层设计要求，其铺层设计流程与手工铺贴过程相对应，如图1右图所示。
图1 “U”型梁结构及铺层设计流程图 3、FiberSIM铺层设计 3.1 创建层合板（Laminate） 启动FiberSIM，创建层合板A：选中左侧功能树上的Laminate,在面板右侧 空白处右键点击Create new, Sequence标签定义层合板顺序，用字母A 表示，name为LAM001，在Geometry 标签里定义贴模面、设计边界、制造边界。 3.2 创建坐标系（Rosette） 创建层合板后要建立坐标系：选中左侧功能树上的Rosette，在面板右侧空 白处右键点击Create new, Standard 标签中“Laminate”选对应层合板“A”，“hand direction”中定义坐标系使用“right”（右手定则），“MappingType”定义纤维的映射类型为Standard；Geometry 标签定义“Origin”（原点）以及“Direction”（0°方向线），需链接CATIA 中创建的对应几何要素。 3.3 创建铺层组（Plies）
复合材料铺层 复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的新材料，具有优异的综合性能。而复合材料铺层则是指将不同种类的材料按照一定的顺序和规则进行堆叠组合，以满足特定的工程需求。在实际工程应用中，复合材料铺层技术被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑领域等，其优异的性能使其成为众多领域的热门选择。 首先，复合材料铺层的设计需要考虑到材料的性能和应用环境。不同的工程应 用对复合材料的性能要求各不相同，因此在进行铺层设计时需要充分考虑到材料的强度、刚度、耐热性、耐腐蚀性等特性。同时，应用环境的温度、湿度、压力等因素也需要被纳入考虑范围，以确保复合材料在实际工程中能够稳定可靠地发挥作用。 其次，复合材料铺层的工艺技术也是至关重要的。在进行铺层过程中，需要严 格控制材料的堆叠顺序、层数、厚度等参数，以确保复合材料的性能和稳定性。同时，还需要注意铺层过程中的气泡、裂纹、层间粘接等质量问题，通过合理的工艺技术和设备手段来保证铺层质量。 此外，复合材料铺层的质量检测也是不可或缺的环节。通过对铺层后的复合材 料进行非破坏性检测、力学性能测试、热性能测试等手段，可以全面了解复合材料的质量状况，及时发现并解决潜在的质量问题，以确保复合材料在工程应用中能够发挥预期的效果。 总的来说，复合材料铺层是一项复杂而又重要的工程技术，其设计、工艺和质 量检测都需要高度重视。只有通过科学合理的设计、精湛的工艺技术和严格的质量管理，才能够制备出性能优异、稳定可靠的复合材料铺层制品，为各个领域的工程应用提供有力支撑。 在实际工程中，我们需要充分认识到复合材料铺层的重要性，加强对其设计、 工艺和质量检测等方面的研究和探索，不断提高复合材料铺层技术水平，为我国工
一、碳纤维复合材料的概念 碳纤维复合材料是由碳纤维和树脂胶粘剂混合而成的一种复合材料。 碳纤维具有高强度、高模量、低密度和优异的热稳定性等特点，被广 泛应用于航空航天、汽车制造、体育用品等领域。在碳纤维复合材料中，±45°铺层是一种常见的铺层方式，其抗剪切原理具有重要的理论 和应用价值。 二、±45°铺层的特点 在碳纤维复合材料中，±45°铺层是指将碳纤维布以±45°的角度交叉铺设在基体上，然后与树脂固化形成复合材料。相比于其他铺层方式， ±45°铺层具有以下特点： 1. 增强弯曲性能：±45°铺层的交叉角度可以有效地增强碳纤维复合材料的弯曲性能，使其在受力时更加均匀分布，减少应力集中的可能性。 2. 提高剪切强度：由于±45°铺层中的碳纤维布是以斜向交叉铺设的，可以在一定程度上提高碳纤维复合材料的剪切强度，增加其抗剪切性能。 三、±45°铺层的抗剪切原理 在碳纤维复合材料的制备过程中，±45°铺层可以有效地提高复合材料 的抗剪切性能，其原理主要包括以下几个方面： 1. 多向力的作用：由于±45°铺层中的碳纤维布是以±45°的交叉角度铺设的，这样在受到外力作用时，碳纤维布可以有效地承受多向拉伸和 剪切力，从而提高复合材料的抗剪切能力。
2. 纤维方向的变化：在±45°铺层中，碳纤维的方向是多样化的，不仅可以承受沿纤维方向的拉伸力，还可以承受垂直于纤维方向的剪切力，这样可以使复合材料在受力时具有更好的各向力学性能。 四、±45°铺层的应用 由于±45°铺层能够有效提高碳纤维复合材料的抗剪切性能，因此在航 空航天、汽车制造、体育用品等领域有着广泛的应用价值。在实际工 程中，工程师们可以根据具体的使用要求和受力情况，合理选择和设 计±45°铺层结构，以充分发挥碳纤维复合材料的抗剪切性能。 五、结语 在碳纤维复合材料中，±45°铺层作为一种重要的铺层方式，其具有良 好的抗剪切特性，可以有效提高复合材料的耐久性和性能稳定性。深 入研究和理解±45°铺层的抗剪切原理，对于进一步推动碳纤维复合材 料的发展和应用具有重要意义。希望通过本文的介绍，能够为工程师 和科研人员提供一定的参考和指导，促进碳纤维复合材料在各个领域 的更广泛应用。六、±45°铺层的优化设计 在实际应用中，工程师们需要针对具体的工程和材料需求进行±45°铺 层的优化设计，以充分发挥其抗剪切性能。优化设计包括不同纤维角 度的选择、纤维布的材质和厚度等方面。 1. 纤维角度的选择：±45°铺层中的纤维角度对于复合材料的力学性能影响很大，工程师们可以根据具体的受力情况选择最合适的纤维角度。在增强抗剪切性能的可以在±45°铺层的基础上引入其他角度的纤维，
复合材料失效准则 复合材料在航空、汽车、建筑等领域有着广泛的应用，但在实际使用中会因为各种因素导致失效。因此，复合材料失效准则成为复合材料设计和使用的重要技术。本文将分步骤介绍复合材料失效准则。 一、强度失效准则 复合材料的强度失效准则包括最大应力准则、最大应变准则和最大能量释放率准则三种。其中，最大应力准则是指材料失效时，被应力状态下的最大应力达到材料的强度极限；最大应变准则则是指材料失效时，被应力状态下的最大应变达到材料的强度极限；最大能量释放率准则则是指材料失效时，释放的裂纹扩展能量达到材料的强度极限。 二、强度和变形失效准则 强度和变形失效准则是指在复合材料承受外部载荷时，既发生强度失效又发生变形失效时的准则。其中，最大应力和最大应变同时失效准则是指材料在承受外力时，同时达到最大应力和最大应变失效准则；最大应力和能量释放率同时失效准则是指在承受载荷时，同时达到最大应力和最大能量释放率失效准则；最大应变和能量释放率同时失效准则则是指材料在承受载荷时，同时达到最大应变和最大能量释放率失效准则。 三、疲劳失效准则 疲劳失效准则是指由于物理疲劳作用导致材料失效的准则。这种失效准则可以通过应变应力曲线来描述，通常用疲劳寿命表示，即复合材料在承受特定幅值载荷下的循环次数上限。疲劳失效准则还可以根据裂纹扩展情况分为线性疲劳准则、非线性疲劳准则和统计疲劳准则等。 四、损伤失效准则 损伤失效准则是指由于复合材料中微结构变化导致复合材料性能下降而失效的准则。常见的损伤失效准则包括温度和湿度等条件下的
环境老化失效准则、冲击失效准则、层间剪切失效准则等。 五、综合失效准则 综合失效准则是指将不同的失效准则进行综合，当多个失效准则同时满足时，判断复合材料是否失效。常用的综合失效准则包括哈曼准则和克莱斯特准则等。 综上所述，复合材料失效准则是复合材料设计和使用不可或缺的技术。了解不同的失效准则可以有效地预测和控制复合材料失效，提高复合材料的性能和使用寿命。
复合材料丢层设计-概述说明以及解释 1.引言 1.1 概述 概述部分的内容主要介绍复合材料丢层设计这个话题的背景和重要性。 复合材料丢层是指在复合材料制造过程或使用过程中，不同层间的粘合失效导致层间分离或剥离的现象。复合材料具有轻、强、刚等优点，广泛应用于航空航天、汽车、建筑和电子等领域。然而，复合材料丢层问题对其性能和使用寿命产生严重影响。 本文将讨论复合材料丢层的定义、原因、影响和危害，并重点探讨复合材料丢层设计的重要性及其方法和策略。了解和解决复合材料丢层问题，对于提高复合材料的可靠性、安全性和性能至关重要。 复合材料丢层设计的重要性在于，它能够提供解决复合材料丢层问题的有效手段。通过合理的设计和制造工艺，可以最大限度地减少复合材料丢层的发生和发展。这不仅可以提高制品的质量和可靠性，还能延长其使用寿命，降低维修和更换成本。 复合材料丢层设计的方法和策略包括合适的材料选择、适当的层间粘结方式、优化的层压序列、合理的工艺参数控制等。通过使用高强度的胶
粘剂、加强界面黏结、提高固化工艺等手段，可以有效防止复合材料的丢层问题。另外，合理的结构设计、优化的应力分布以及可靠的品质控制也是确保复合材料丢层设计成功的关键。 通过深入研究和应用合理的复合材料丢层设计方法，可以克服复合材料丢层问题带来的困扰，提高产品的性能和可靠性，满足现代工业的要求。本文将对这一问题进行全面的剖析和探讨，希望能为相关领域的研究者和工程师提供一些有益的参考和指导。 1.2 文章结构: 本文将按照以下结构进行讨论复合材料丢层设计： 1. 引言部分：首先，我们会对复合材料丢层设计的背景和意义进行概述，介绍复合材料丢层问题的重要性和影响。同时，我们也会给出本文的目的，即通过深入分析复合材料丢层的定义、原因、影响等方面，来探讨有效的丢层设计方法和策略。 2. 正文部分：其次，我们会详细介绍复合材料丢层的定义和原因。在这一部分，我们将解释什么是复合材料丢层，并列举可能导致丢层的一些常见原因，如接触问题、粘结问题、工艺问题等等。我们将通过深入分析复合材料丢层的各个方面，帮助读者理解复合材料丢层的本质和产生的原因。
拉挤成型铺层方案 一、材料参数 玻璃纤维无捻粗纱：4800tex； 玻璃纤维毡：450g/m2； 玻璃纤维双/多轴向轴布：450g/m2或750g/m2。 二、铺层方案 我司铺层方案：参考现有的铺层设计方法，综合考虑增强塑钢底板的横向性能与腹板的支撑能力，其铺层方案设计为：塑钢底板上表面（平面）最外层铺设一层纤维毡，再铺设玻璃纤维无捻粗纱，然后在距离上表面1.5mm处铺放450g/m2的纤维毡，再铺设无捻粗纱，而后在距离上表面3.5mm处铺放450g/m2的玻纤双轴布，再铺设无捻粗纱；塑钢底板的另一面（各个腹板）的最外层为玻璃纤维毡，其中该层玻璃纤维毡由若干块组成，其组成数目由腹板数量决定，而后是玻纤无捻粗纱，最中间（据腹板两侧约为2.5mm处）铺放玻璃纤维双轴布。表1给出了本方案的实际排纱根数，图1为塑钢底板的局部铺层图。 表1 实际排纱根数 图中表示铺放玻璃纤维毡 图1 塑钢底板局部铺层图
广恒设计的铺层方案：塑钢底板上表面（平面）最外层铺设一层纤维毡，再铺设玻璃纤维无捻粗纱，然后在距离上表面3.5mm处铺放750g/m2的玻纤双轴布，再铺设无捻粗纱；塑钢底板的另一面（各个腹板）的最外层为玻璃纤维毡，其中该层玻璃纤维毡由若干块组成，其组成数目由腹板数量决定，其中间铺设玻纤无捻粗纱。这里以一层较高面密度的玻纤多轴向布代替原来的两层缝编毡或玻纤布，表2给出了本方案的实际排纱根数，图2为塑钢底板的局部铺层图。 表2 实际排纱根数 图中表示铺放玻璃纤维毡 图2 塑钢底板局部铺层图 广恒报价中的铺层方案：塑钢底板上表面（平面）最外层铺设一层纤维毡，再铺设玻璃纤维无捻粗纱，然后在距离上表面3.5mm处铺放450g/m2的玻纤双轴布，再铺设无捻粗纱；塑钢底板的另一面各个腹板（地钉位置处腹板除外）的最外层为玻璃纤维毡，其中该层玻璃纤维毡由若干块组成，其组成数目由腹板数量决定，而后是玻纤无捻粗纱，最中间（据腹板两侧约为2.5mm处）铺放玻璃纤维双轴布。表3给出了本方案的实际排纱根数，图3为塑钢底板的局部铺层图。（注意这里的纱线支数为9600Tex）
复合材料铺属谡计 复金材料制件最基本的单元是铺层。铺层是复合材料制件中的一层单向带戎织杨形成的复合材料单向层。由两层或多层同种或不同种材抖铺层层合庄制而成的复合材料板材称为层合板。复合材料层庄结构件的基本单元正是这种按各种不同铺层役计要素纽成的层今核。 本章主要介绍由壽性能连续纤维与树脂基体材料构成的层仝结构和夾层结构设计的基本原理和方比，也介绍复合材抖结构在导弹结构中的应用。 一＞层合核及其表示方法 ⑴轴层及其方向的表示 铺层是层合板的基本结构单元，其厚度很萍，通帝约为0」〜0.3mmo铺层中增强纤维的方向或织杨彳至向纤维方向为材抖的主方向（1向：即纵向丿；垂直于增强纤维方向或织场的纬向纤维方向为材抖的另一个主方向（2向：印橫向丿。1—2 坐标糸为材料的主坐标糸，又称正轴坐标糸’x・y坐标糸为设计参考坐标糸，如图10.1.1所示。
3正轴坐标系和应力 图10.1.1 层材料正轴与偏轴坐标系和应力 铺层是有方向性的。铺层的方向用纤维的揣向角(铺屋角丿e表示。所谓铺向角 (铺尾角)就是铺层的纵向与层合板参考坐标X铀之间的爽角，由X铀到纤维纵向送肘针淡转为正。参考坐标糸X-Y与材抖主方向重合则为正轴坐标糸。X-Y 方向与材料主方向不重合则称偏轴坐标糸，如图10.1.1 (bj所示。铺层的正抽应力与偏軸应力也在图10.1.1中标朗。 (2) $合核的表示方法 为了满足役计.制凌和力学性能分析的需要，必须简朗地表示出层合板中各铺层的方向和层合顺序，故对层合板规定了朗确的表示方法，如表10」」所示。
二.单层复合材料的力学性能 单层的力学性能是复合材抖的基本力学性能，即材抖工程常数。由于单层很薄， 一般仅考虑单层的面力学性能，故假设为平面应力状态。单层点材料主軸坐标糸常是正交各向异性材料，A其主方向上芷一点处的正应支$只与该点处的