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碳纤维复合材料铺层设计要点
时间:2022年03月02日 来源:华特碳纤  作者:佚名 浏览次数:

随着时代的发展,碳纤维复合材料在航天航空、汽车高铁、体育用品、机械制造等领域随处可见,在其制品制造的过程中,由于碳纤维复合材料在工艺与性能方面有很大差异,导致其与传统材料的设计也存在较大区别,其中铺层设计是碳纤维复合材料设计的关键内容。

一、铺层设计的内涵

铺层设计主要进行以下内容:
确定铺层的总层数。产品总厚度h=n1h1+ n2h2+ n3h3,其中n1,n2,n3为对应材料的层数,h1,h2,h3为材料固化后的单层厚度。
确定铺层的方向角。合理的铺层角度,可优化局部件的力学性能以及其它性能,目前常用的标准铺层角度:0°、45°、-45°和90° 可以满足设计要求,也可以简化分析和制造。除纵横剪切强度试样外,只在有特殊需求时采用任意铺层角度铺层,且所用铺层角种类应尽可能少。
确定铺层各方向角所占的比例。
确定各铺层各方向角的堆叠顺序。为了减少固化过程中的变形,整体铺层顺序应该在层压板结构铺层中心线两侧对称,中心线一般位于层压板的中部区域。并且为确保均匀的铺层顺序,不同的铺层角度应该在铺层顺序中均匀分布。

二、铺层的表示


单向带铺层   〔45/-45/0/-45/45/90/90/45/-45/0/-45/45〕(示例1)的表示,可以简化为〔45/-45/0/-45/45/90〕s,其中0,45,90,-45表示铺层角度,s表示铺层关于中面对称,如图1所示。
单向带铺层〔45/-45/0/-45/45/90/45/-45/0/-45/45〕(示例2)表示,可以简化为〔45/-45/0/-45/45/90〕 ,其中表示铺层关于中面单对称,如图1所示。


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织物与单向带混合的铺层采用:
〔(±45)/0/(±45)/(0,90)/(±45)/90/90/(±45)/(0,90)/(±45)/(±45)〕表示,可以简化为〔(±45)/0/(±45)/(0,90)/(±45)/90〕s,其中(±45),(0,90)为织物的铺层,如图2所示。


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图2织物和单向带铺层示意图


当需要用铺层表示相应的材料时,可在右下角加材料代码的英文字母,如:
   (±45)G    表示±45度的玻纤织物
   (±45)K    表示±45度的凯夫拉芳纶织物


三、纤维的拼接


单向带铺层需要沿宽度方向拼接时,拼接间隙应小于1mm,不允许在垂直于纤维方向拼接,如图3所示。


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图3单向带拼接间隙要求


同方向(角度)铺层需要拼接时,两拼缝间距应不小于25 mm,如图4所示。


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图4同方向铺层拼接间隙要


四、典型结构设计的注意事项


复合材料工字梁(如图5所示)可以提供较高的抗弯刚度,铺层时需要注意在各铺层组的空隙区需要用相应的纤维进行填充,且各组铺层叠加后仍保持对称。


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图5工字梁铺层组示意图


复合材料T型梁(如图6所示)制造简单,工艺性好, 但其抗扭转性能差,为改善其抗扭转性能,在T型梁腹板端部采用包覆纤维的方式,提高其抗扭转性能(如图7所示)


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图6 T型梁铺层示意图


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针对工艺孔、定位孔的设计形式,设计成圆孔为最佳,其次为长圆孔,最差的是方孔,主要是复合材料无法像传统金属一样冲孔,加工方孔工艺性差,如图8所示


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复合材料结构需要模具成型,圆角可以改善铺贴工艺性,圆角大小与产品厚度以及模具形式有关,当产品厚度t小于2.5mm时,若阳模成型,最小半径应为2倍t厚度与3mm的最大值,若阴模成型,最小半径应满足R ≥ 2t+1.5 mm;
当产品厚度t大于等于2.5mm时,若阳模成型,最小半径应为t厚度与5mm的最大值,若阴模成型,最小半径应满足R ≥ 2t+1.5 mm,具体见表1。产品圆角与模具关系如图9所示。
表1产品圆角大小选型表

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 层合板厚度

 阳模

 阴模 

t<2.5mm时 

 R ≥ max(2t,3.0 mm) 

 R ≥ 2t+1.5 mm

  t≥2.5mm时

  R ≥ max(t,5.0 mm)



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图9复合材料圆角与模具关系示意图


铺层设计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,铺层设计起到了承上启下的作用。
来源:(华特碳纤)

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