碳纤维复合材料结构设计要点
By www.carbonfiber.com.cn
跟英国TWI的专家交流，探讨了用碳纤维复合材料代替传统金属材料，尤其在制造重要的结构部件中的思路。发现需要考虑的因素太多，以致无法确定主次先后。今天就列一个清单，细数碳纤维复合材料结构部件的设计要点。
内容所有涉及的复合材料结构一般是指碳纤维预浸料铺层结构。
强度与刚度
既然是结构部件，那么设计者首先要考虑的是强度和刚度。部件在外力载荷的作用下，有抵抗变形与破坏的能力，但是这个能力又是有限度的。
如何确定部件的使用载荷，不会超出部件的能力极限，是通过材料力学计算得出。而部件的这个能力极限，就是碳纤维复合材料结构设计者需要考虑的问题。
通过合理的搭配纤维和树脂，优化纤维排布，用最少的材料，满足设计需求，体现了复合材料设计者精湛的技巧。不过决定复合材料强度与刚度的因素，不但与纤维和树脂的种类有关，还与碳纤维的铺层方向以及层与层之间结合搭配有关。
所以，设计者在设计碳纤维复合材料结构部件时，需要考虑三个层级结构的力学性能。
由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能。
由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的厚度、铺设方向、铺层序列) 。
最顶层结构是指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。
稳定性
除了强度与刚度要求，设计者还需考虑复合材料部件的失稳，尤其是对一些细长杆结构，在受压时，应该能够保证其原有的直线平衡状态。对于一些框架结构部件，如果铺层不均匀，也会产生翘曲失稳，所以在制造过程中尤其注意。最好采用对称铺层，以防变形不均匀。
一般情况下，在部件没有达到极限载荷之下，不允许产生失稳现象。但是如果对于一些特殊要求，可以产生失稳现象，那么设计过程中，要考虑失稳过程不会因此影响极限载荷。
铺层结构
铺层结构是碳纤维复合材料结构设计的关键，如何把单层结构的优异性能传递到复合材料结构部件上，铺层结构起到承上启下的作用。关于复合材料铺层应注意以下几点：
1. 树脂是碳纤维复合材料力学性能的短板，所以尽量避免将载荷直接加到层间或者树脂之间。也就是说，0°、±45°、90°的纤维都要有，否则载荷会将部件从没有纤维排布的方向撕裂。
2. 为了防止层合板边缘开裂，尽量避免重复单一方向的铺层，设计时最多不超过5层。
3. 为了防止最外层铺层的剥离，在部件的主载荷方向，应铺放±45°纤维，而不能铺放0°和90°纤维。另外，避免最外层铺层间断或不完整。
4. 若使用非对称铺层，每层因同方向上热膨胀系数不同会出现翘曲，因此，一般要采用对称铺层。
5. 当增加补强铺层时，每层阶梯最少要3.8-6.4mm，附加铺层也应尽量采用对称铺层。
连接
碳纤维复合材料部件开发过程中，不太可能都采用整体成型技术，需要进行部件与部件之间的连接的，则需要对连接形式进行设计。
一般来讲，碳纤维复合材料部件的连接有三种形式：机械连接、胶结连接、混合连接。机械连接适用于连接件厚度大、可靠性要求较高、传递较大集中载荷的情况。胶结主要是利用粘结剂将零件连接成不可拆分的整体。
混合连接是胶结和机械连接的组合，它可以提高抗剥离、抗冲击、抗疲劳、抗蠕变等性能。
疲劳与冲击损伤
复合材料的疲劳与金属材料相比，必须考虑温度、湿度、冲击损伤等因素。大多数情况下，冲击损伤在结构设计中覆盖了疲劳问题。
疲劳
一般情况下，复合材料的拉伸疲劳优于金属。在正交层合板时疲劳或交变载荷作用下的开裂相对稳定，比金属开裂扩展的慢。对复合材料必须注意受冲击后的压缩、剪切以及层间剪切在交变载荷作用下，引起的疲劳破坏。疲劳引起的早期破坏要因如下：
1. 缺口，尖角
2. 截面突变
3. 突起
4. 极端的偏心载荷
5. 螺栓连接接头
6. 快速摆动
冲击损伤
对于碳纤维复合材料结构，一般应将CAI强度（冲击后压缩强度）作为设计参数之一。飞机上确定损伤容限就是这么考虑的。损伤容限就是部件中允许的损伤范围，如果超出这个限度，损伤将会显著影响部件的性能。碳纤维复合材料的冲击损伤容限必须在可检测到的范围内，作为设计参数之一加以考虑。
即使存在肉眼不可见的损伤，也要确保结构不发生CAI强度的下降。改善冲击损伤的损伤容限，可以在碳纤维材料中加入芳纶纤维或者玻璃纤维。
作者 苏格拉伟
跟英国TWI的专家交流，探讨了用碳纤维复合材料代替传统金属材料，尤其在制造重要的结构部件中的思路。发现需要考虑的因素太多，以致无法确定主次先后。今天就列一个清单，细数碳纤维复合材料结构部件的设计要点。
内容所有涉及的复合材料结构一般是指碳纤维预浸料铺层结构。
强度与刚度
既然是结构部件，那么设计者首先要考虑的是强度和刚度。部件在外力载荷的作用下，有抵抗变形与破坏的能力，但是这个能力又是有限度的。
如何确定部件的使用载荷，不会超出部件的能力极限，是通过材料力学计算得出。而部件的这个能力极限，就是碳纤维复合材料结构设计者需要考虑的问题。
通过合理的搭配纤维和树脂，优化纤维排布，用最少的材料，满足设计需求，体现了复合材料设计者精湛的技巧。不过决定复合材料强度与刚度的因素，不但与纤维和树脂的种类有关，还与碳纤维的铺层方向以及层与层之间结合搭配有关。
所以，设计者在设计碳纤维复合材料结构部件时，需要考虑三个层级结构的力学性能。
由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能。
由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的厚度、铺设方向、铺层序列) 。
最顶层结构是指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。
稳定性
除了强度与刚度要求，设计者还需考虑复合材料部件的失稳，尤其是对一些细长杆结构，在受压时，应该能够保证其原有的直线平衡状态。对于一些框架结构部件，如果铺层不均匀，也会产生翘曲失稳，所以在制造过程中尤其注意。最好采用对称铺层，以防变形不均匀。
一般情况下，在部件没有达到极限载荷之下，不允许产生失稳现象。但是如果对于一些特殊要求，可以产生失稳现象，那么设计过程中，要考虑失稳过程不会因此影响极限载荷。
铺层结构
铺层结构是碳纤维复合材料结构设计的关键，如何把单层结构的优异性能传递到复合材料结构部件上，铺层结构起到承上启下的作用。关于复合材料铺层应注意以下几点：
1. 树脂是碳纤维复合材料力学性能的短板，所以尽量避免将载荷直接加到层间或者树脂之间。也就是说，0°、±45°、90°的纤维都要有，否则载荷会将部件从没有纤维排布的方向撕裂。
2. 为了防止层合板边缘开裂，尽量避免重复单一方向的铺层，设计时最多不超过5层。
3. 为了防止最外层铺层的剥离，在部件的主载荷方向，应铺放±45°纤维，而不能铺放0°和90°纤维。另外，避免最外层铺层间断或不完整。
4. 若使用非对称铺层，每层因同方向上热膨胀系数不同会出现翘曲，因此，一般要采用对称铺层。
5. 当增加补强铺层时，每层阶梯最少要3.8-6.4mm，附加铺层也应尽量采用对称铺层。
连接
碳纤维复合材料部件开发过程中，不太可能都采用整体成型技术，需要进行部件与部件之间的连接的，则需要对连接形式进行设计。
一般来讲，碳纤维复合材料部件的连接有三种形式：机械连接、胶结连接、混合连接。机械连接适用于连接件厚度大、可靠性要求较高、传递较大集中载荷的情况。胶结主要是利用粘结剂将零件连接成不可拆分的整体。
混合连接是胶结和机械连接的组合，它可以提高抗剥离、抗冲击、抗疲劳、抗蠕变等性能。
疲劳与冲击损伤
复合材料的疲劳与金属材料相比，必须考虑温度、湿度、冲击损伤等因素。大多数情况下，冲击损伤在结构设计中覆盖了疲劳问题。
疲劳
一般情况下，复合材料的拉伸疲劳优于金属。在正交层合板时疲劳或交变载荷作用下的开裂相对稳定，比金属开裂扩展的慢。对复合材料必须注意受冲击后的压缩、剪切以及层间剪切在交变载荷作用下，引起的疲劳破坏。疲劳引起的早期破坏要因如下：
1. 缺口，尖角
2. 截面突变
3. 突起
4. 极端的偏心载荷
5. 螺栓连接接头
6. 快速摆动
冲击损伤
对于碳纤维复合材料结构，一般应将CAI强度（冲击后压缩强度）作为设计参数之一。飞机上确定损伤容限就是这么考虑的。损伤容限就是部件中允许的损伤范围，如果超出这个限度，损伤将会显著影响部件的性能。碳纤维复合材料的冲击损伤容限必须在可检测到的范围内，作为设计参数之一加以考虑。
即使存在肉眼不可见的损伤，也要确保结构不发生CAI强度的下降。改善冲击损伤的损伤容限，可以在碳纤维材料中加入芳纶纤维或者玻璃纤维。
作者 苏格拉伟
