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复合材料层压板铺层设计的方法及试验验证结果

引言
结构设计是指根据结构设计的原始条件,按照结构设计的基本要求,提出合理的设计方案以及进行具体的细节考虑,绘制出结构图纸,在需要时还须写出相应的技术文件,以使生产单位能根据这些数模/ 图纸和技术文件进行生产。结构所受到的载荷、设计方法是结构布局与结构元件尺寸设计的基本依据,飞机结构必须保证足够的强度、刚度、疲劳寿命和损伤容限设计要求。
在进行民用飞机复合材料层压板结构铺层设计时,主要按复合材料地板稳定性分析方法开
展。飞机结构中没有绝对的纯剪板,也没有单向的承拉/ 压板,对于复合受载的结构,设计师在对结构功能和传载路经进行分析后,根据工程经验忽略小载荷,结合成熟经典的设计理论和方法,布置结构并设计出具体的截面形式。下面将阐述复合材料层压板铺层设计的方法及试验验证结果:
1 层压板屈曲分析
用常用的工程算法为结构元件设计提供支持。
1. 1 铺层设计参数
目前,机体结构复合材料层压板的常用设计方法是采用对称均衡铺层,主要采用0°、±45°、±90°的标准铺层角。这四个铺层角一般可以满足载荷设计要求,同时也能简化分析和制造。
基本铺层设计准则有:
(1)要有足够多的铺层,其纤维轴线与内力拉压方向一致,以最大限度利用纤维的高强度、高刚度特性。
(2)应避免相同取向的铺层叠置。如难以满足此要求,则不能将4 层以上取向相同的铺层叠置,以减小边缘分层现象发生。
(3)对于较厚的(一般6 ~ 16 层)层压板,相邻的铺层角度变化一般不要超过6°毅,也就是说不要用0°和90°,或45°和-45°的相邻铺层,以避免固化应力产生的微观裂纹和有利于层间剪切应力的传递。
( 4) 0°、±45°、±90°四种铺层中每一种至少要占10%,以防止任何方向的基体直接受载。
(5)避免采用90°的层组(载荷为0°方向时),而用0°或±45毅°的层将它隔开,以减小层间的剪切与法向应力。
1. 2 四边简支正交各向异性矩形层压平板复合受载屈曲分析
(1)单向受压
大多数情况下机体壁板分析时主要考虑某一方向的主载荷,当另一垂直方向的线载荷小于主载荷的1/5(参考)时可以忽略其影响仅考虑单向受载。这种简化可以简化强度分析工作量且不影响结构安全性。四边简支板单向受压图如图1 所示,其屈曲载
荷的计算公式为:
式中:Nx 为沿x 方向单位长度上的压力;Dij 为层压板弯曲刚度系数;m 为沿板的方向屈曲半波数;a 为板的长度;b 为板的宽度。计算时,可取m =1,2,3…,计算相应的一组Nx ,
其中最小的Nx 即为板的屈曲载荷Nxcr。

(2)双向受压
在Nx 、Ny 作用下,Ny / Nx 比值保持不变时,可用
下式计算屈曲载荷,受载情况如图2 所示。

式中:Ny 为沿y 方向单位长度上的压力。对于已知的比值Ny / Nx ,取m=1,2,3…,及n=
1,2,3,…,由上式可计算一系列的Nx ,其中最小的Nx 即为屈曲载荷Nxcr。

(3)纯剪
正交各向异性矩形层压平板的剪切屈曲分析,图3 中四边简支和四边固支情况下,剪切屈曲载荷计算公式均为:

(4)压剪复合
图5 为单压+剪切复合受载情况,压剪复合屈
曲载荷一般按下式计算:
Rx +R²xy =1 (5)
式中,Rx =Nx / N0xcr,Rxy =Nxy / N0xycr,N0xcr、N0xycr 分别为单轴压和纯剪切情况的屈曲载荷。当作用载荷Nx 、Nxy给定后,现求出Rx 、Rxy ,可得图6 中M 点,连接OM,得与相关曲线的交点N,则屈曲安全裕度为:
MS = ON/OM-1 (6)
也可用通过公式获得安全裕度,计算如下:

2 试验验证
上述的计算分析设计方法将通过梁腹板参数选型试验加以验证。运用该方法设计试验件,通过分析试验结果获得结构参数和铺层设计经验。试验件如图8 所示,图9 为试验件加载示意图,试验件夹持如图10 所示。按照前述屈曲分析方法,对四边简支梁腹板的稳定性进行工程分析,研究铺层顺序的影响,可得以下结论:为提高屈曲载荷,应将依45毅层放于蒙皮
最外层,此时均比0°和90°置于最外层效果好;0°和90°层相比,90°层置于外层效果更好,0°层更适合于置于中面附近。

3 结论
通过改变蒙皮铺层顺序和铺层比例的方法,研究铺层对加筋板初始屈曲能力的影响。经典理论计算分析与试验结果都能得到以下结论:
(1)蒙皮铺层顺序不同,加筋板的屈曲模态形状会受到影响。
(2)为提高屈曲载荷,应将±45°层放于蒙皮最外层。
(3)0°和90°层相比,0°层置于外层效果更好,90°层更适合于置于中面附近,但实际上载荷提高并不是很大。
(4)提高±45°铺层比例,初始屈曲载荷会有很大的提高。
(5)0°和90°层相比,提高90°比例有利于提高初始屈曲载荷。
(6)需控制蒙皮与长桁(腹板和支柱)等效刚度、柏松比的差异,避免出现层间破坏失效模式。
(7)板的几何尺寸、边界条件和载荷类型等因素对铺层顺序和稳定性之间的关系有影响。总之,对于层压板的稳定性而言,不存在确定最佳铺层顺序的通用法则,只能针对特定的结构和
载荷情况建立铺层顺序与稳定性之间的关系。