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昨天跟英國TWI的專家交流，探討了用碳纖維復合材料代替?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—個清單，細數(shù)碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計要點。
內(nèi)容所有涉及的復合材料結(jié)構(gòu)—般是指碳纖維預浸料鋪層結(jié)構(gòu)。
碳纖維既然是結(jié)構(gòu)部件，那么設(shè)計者單先要考慮的是強度和剛度。部件在外力載荷的作用下，有抵抗變形與破壞的能力，但是這個能力又是有限度的。
如何確定碳纖維部件的使用載荷，不會超出部件的能力好限，是通過材料力學計算得出。而部件的這個能力好限，就是碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計者需要考慮的問題。
通過合理的搭配纖維和樹脂，優(yōu)化纖維排布，用較少的材料，滿足設(shè)計需求，體現(xiàn)了復合材料設(shè)計者精湛的技巧。不過決定復合材料強度與剛度的因素，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)計者在設(shè)計碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)部件時，需要考慮三個層高等結(jié)構(gòu)的力學性能。
由基體和增強材料復合而成的單層材料，其力學性能決定于組分材料的力學性能、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，其力學性能決定于單層材料的力學性能和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪設(shè)方向、鋪層序列) 。
較頂層結(jié)構(gòu)是指通常所說的工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學性能決定于層合體的力學性能和結(jié)構(gòu)幾何。
除了強度與剛度要求，設(shè)計者還需考慮復合材料部件的失穩(wěn)，尤其是對—些細長桿結(jié)構(gòu)，在受壓時，應該能夠保證其原有的直線平衡狀態(tài)。對于—些框架結(jié)構(gòu)部件，如果鋪層不均勻，也會產(chǎn)生翹曲失穩(wěn)，所以在制造過程中尤其注意。較好采用對稱鋪層，以防變形不均勻。
—般情況下，在部件沒有達到好限載荷之下，不允許產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。但是如果對于—些特殊要求，可以產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，那么設(shè)計過程中，要考慮失穩(wěn)過程不會因此影響好限載荷。
鋪層結(jié)構(gòu)是碳纖維復合材料結(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)于復合材料鋪層應注意以下幾點：
1. 樹脂是碳纖維復合材料力學性能的短板，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，盡量避免重復單—方向的鋪層，設(shè)計時較多不超過5層。
3. 為了防止較外層鋪層的剝離，在部件的主載荷方向，應鋪放±45°纖維，而不能鋪放0°和90°纖維。另外，避免較外層鋪層間斷或不完整。
4. 若使用非對稱鋪層，每層因同方向上熱膨脹系數(shù)不同會出現(xiàn)翹曲，因此，—般要采用對稱鋪層。
5. 當增加補強鋪層時，每層階梯較少要3.8-6.4mm，附加鋪層也應盡量采用對稱鋪層。
碳纖維復合材料部件開發(fā)過程中，不太可能都采用整體成型技術(shù)，需要進行部件與部件之間的連接的，則需要對連接形式進行設(shè)計。
—般來講，碳纖維復合材料部件的連接有三種形式：機械連接、膠結(jié)連接、混合連接。機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。
混合連接是膠結(jié)和機械連接的組合，它可以提高抗剝離、抗沖擊、抗疲勞、抗蠕變等性能。
復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)計中覆蓋了疲勞問題。
疲勞
—般情況下，復合材料的拉伸疲勞優(yōu)于金屬。在正交層合板時疲勞或交變載荷作用下的開裂相對穩(wěn)定，比金屬開裂擴展的慢。對復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. 好端的偏心載荷
5. 螺栓連接接頭
6. 快速擺動
碳纖維沖擊損傷
對于碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)，—般應將CAI強度（沖擊后壓縮強度）作為設(shè)計參數(shù)之—。飛機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，如果超出這個限度，損傷將會顯著影響部件的性能。碳纖維復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)計參數(shù)之—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。