《无人机复合材料结构设计与制造技术》第4章 无人机复合材料基础构件设计

无人机

复合材料结构设计与制造

（4·无人机复合材料基础构件设计）复合材料层合板的定义复合材料层合板是由一层层的单层叠加（铺层），通过粘合、压制组成的结构形式，它拥有多个纤维铺层方向，是大多数复合材料结构的内在结构形式。复合材料层合板的力学特性，既取决于组成层合板的各单层的力学性能，又取决于铺层方向、铺层序列和层数。复合材料层合板的类型（1）单向层合板。（2）正交层合板。编码是[0°/90°]n，其中n表示铺层要重复n次（3）角交层合板。由单层按方向角相等、符号相反（±θ）（4）对称层合板。编码用s表示，[0°/±45°/90°]s（5）非对称层合板。不存在对称性，[0°/90°±45°/90°/0°]t（6）反对称层合板。由相对于中面的、铺层角大小相同方向相反，且

材料和体积含量相同的铺层构成的层合板，θ(z)=θ(-z)，θ为

铺层角，z为铺层数。（7）均衡层合板。可有多对铺层角[0°/±30°/±45°/±60°/90°]（8）均衡对称层合板。铺层结构上既对称又均衡的层合板（9）均衡非对称层合板。铺层结构上均衡但非对称的层合板（10）缠绕层合板。采用缠绕工艺制造的层合板结构复合材料层合板的特点（1）层合板设计更容易发挥设计师的创造性，设计师

可通过良好的铺层裁剪及铺层结构设计，实现强

度、刚度、重量、性能及生产性的统一。（2）层合板结构的总体和局部刚度好，减少了连接铆

钉的数量，且蒙皮不易失稳，机翼表面更加光滑（3）便于密封，减少了密封材料的用量，为整体油箱

提供了有利条件。（4）生产流程减少，整体式复合材料层合件的蒙皮与

长桁连接可以通过共固化和二次胶接来完成，减

少了连接件的数量和装配工作量，减少了应力集

中和对板截面的削弱，减轻了连接件重量。复合材料层合板设计的一般原则1）铺层均衡对称原则2）铺层定向原则：铺层方向数应尽量少，以简化设计和施工量。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，以充分利用纤维沿其轴向的高强度和高刚度。4）铺层顺序原则：避免将同一铺层角的铺层集中放置，不超过4层。5）铺层最小比例原则：任一方向的最小铺层比例应≥6%~8%6）冲击载荷区设计原则：配置一定数量的±45°铺层进行局部加强7）连接区设计原则：使与钉载方向成±45°的铺层比例≥40%，与钉载方向一致的铺层比例大于25%8）变厚度设计原则：在厚度变化（刚度变化）的部位，应有铺层递减（或递增）的过渡区，避免厚度突变。9）开口区铺层原则：开口形状应尽可能采用圆孔复合材料层合板设计准则1）腐蚀控制准则2）公差控制准则3）表面翘曲稳定性控制准则4）疲劳控制准则5）冲击损伤控制准则6）热膨胀控制准则复合材料层合板设计方法1）等代设计法：将准各向同性层合板等刚度替换其他材料（如铝合金板），再作强度校核。减重效果可达10%~15%2）准网络设计法：不考虑机体的刚度和强度，仅考虑纤维的刚度和强度，按应力方向和大小确定铺层比例和总数的设计方法3）毯式曲线设计法：以经典层合板理论为依据进行的以刚度为主的设计方法。首先利用经典层合板理论，画出毯式曲线；然后对于设计给定刚度或强度要求的层合板，利用毯式曲线确定各定向单层的比例和层数4）排序法设计法：利用计算机排列出不同顺序[0°/±45°/90°]系列层合板性能，供设计选择5）气动弹性剪裁法：利用层合板刚度的可设计性，控制翼面结构气动弹性变形6）多约束目标优化设计法：满足刚度、强度、稳定性、振动、气动弹性等多约束目标最小结构重量的铺层优化设计方法，也是一种广义的气动弹性剪裁设计复合材料加筋板定义和分类1）复合材料加筋板的定义在层合板垂直于面板方向使用加筋条，以提高面板和整体结构的承载能力，加筋条和面板为整体结构2）复合材料加筋板的分类（1）按应用部件划分，可分为机翼壁板、尾翼壁

板、机身壁板、舱门壁板等。（2）按形状特征划分，可分为单曲度壁板（如机

翼、尾翼壁板）、双曲度壁板等。（3）按结构形式划分，可分为单向加筋板、格栅

壁板、多腹板壁板等。复合材料加筋板结构形式

加筋条剖面形状分为开剖面的L型、T型、J型、工字型等；闭剖面的帽型、泡型、∏型等。加筋板的承载能力与结构的型式有直接关系，不同剖面型式及结构参数具有不同承载能力。开剖面加强筋工艺性明显优于闭剖面加强筋；反过来闭剖面加强筋的扭转刚度和弯曲稳定性能大大优于开剖面加强筋复合材料加筋板设计一般原则（1）在设计载荷下，应变水平不得超过设计许用应变（2）稳定性要求：要满足在使用载荷下不得屈曲，在

设计载荷下允许后屈曲但不能发生破坏。对于如

整体油箱等有功能要求的重要部位，在设计载荷

下也不允许屈曲。（3）加筋条与蒙皮之间应刚度、泊松比匹配，以使固

化内应力和翘曲变形减至最小，以利于整体共固

化成型。（4）加筋条与蒙皮结合处、加筋条端部等细节设计应

避免应力集中，以防止发生脱胶、分层等破坏。复合材料加筋板设计要点（1）合理分配蒙皮和加筋条承载比例。（2）选择合适的加筋条剖面形状，满足稳定性要求。（3）蒙皮与加筋条刚度要匹配。（4）调节加筋条间距，满足加筋板总体稳定性要求。（5）加筋条端头处增加止裂紧固，加长端头过渡区。（6）工字型加筋条背对背贴合顶角处会形成内空腔，

应用填充料充填并压实。（7）加筋条与蒙皮结合转角处填充胶粘剂等。（8）当加筋条与蒙皮共固化成型时，在加筋条下应铺

设一层预固化条带，以确保成型工艺质量。复合材料夹层结构定义夹层结构由作为上下面板的层合板与夹芯材料构成，用胶粘剂把面板和芯子连接在一起，是一种结构复合型材料。具有轻质、比强度高、比刚度高的特点。并且具有消声、透波、隔热、保温，以及良好的减震吸能性能。夹芯材料的定义夹层结构由强度很高的上下面板和强度较低的轻质夹芯材料组成，夹芯材料位于上下面板之间。夹芯材料体积大、重量轻，可提高弯曲强度、降低重量，能降低单位体积的成本、削弱噪音与震动、增加耐热、抗疲劳和防火性能等。夹芯材料结构特点夹层结构的材料主要有两大部分，一是上下面板材料，二是夹芯材料。面板材料可以是金属材料，多用铝、钛合金和不锈钢薄板材。而复合材料面板多用纤维增强的复合材料层合板，包括玻纤、碳纤或其他纤维增强的复合材料层合板。芯材的主要作用是尽量增大两个表皮之间的间距，以尽可能小的重量换取更大的层板刚度，同时抵抗结构承受载荷时产生的剪切力。刚度大概与厚度的平方成正比，低密度芯材可以有效增大复合材料的厚度，仅增加非常小的重量就可以显著提高复合材料的刚度。夹芯材料的分类1．按使用要求分类1）非结构芯材2）准结构芯材3）结构芯材2．按芯材材质和芯材结构分类1）泡沫铝芯材2）聚合物泡沫芯材3）蜂窝和异型芯材结构泡沫铝夹芯材材的性能特点（1）吸能及抗冲击性能：

泡沫铝是一种优良的吸能材料，可有效衰减冲

击波超压。（2）抗侵彻性能：

泡沫铝夹芯材料具有一定的抗侵彻能力。（3）减震性能：

泡沫铝是一种轻质高阻尼材料，应用于减震结

构中。聚合物泡沫材料的性能特点聚合物泡沫材料具有质量轻、比强度高、抗疲劳性能好、具有良好的冲击吸能特性以及隔音、绝热和减震性能。与其他材料相比，聚合物泡沫作为夹芯材料的芯材构成复合结构的材料，不但降低了成本，而且还提高了材料的整体力学性能和尺寸稳定性，增强了抗冲击性能。泡沫聚合物夹芯结构的破坏模式有面材剥离、局部出现剪切裂纹、夹芯破碎等几种形式。另外，高聚物结构对成型性能影响明显，增加面板表面的粗糙度和适当加大粘合压力，可改善层压复合材料的成型性。蜂窝夹芯材材的性能特点蜂窝式结构的夹芯材料作为一种应用广泛的轻质材料，可吸收更高冲击能量，并且具有高的结构完整性和刚性。从吸能的角度看，由两个或三个基板组成的锥形板是最有效的设计具有优良的吸能特性。结构密度是影响结构耐撞性能的关键因素；夹芯层高度对结构的耐撞性影响不大，但是增加结构夹芯层的高度结构使吸能增加。异型夹芯材料的性能特点一般将非蜂窝结构的型材夹芯结构归结为点阵夹芯结构，包括I型夹芯结构、O型夹芯结构、V型夹芯结构、波纹夹芯结构等。异型夹芯材料具有超轻、比刚度高、比强度大、可控的优化设计能力，以及隔热、降噪、吸能、制动等多种优异的性能。夹芯板系统（SPS）具有高的吸能性能。同时，研究发现通过增加V型芯材的高度，在夹芯板质量增加很少的情况下，可以明显提高夹芯板的硬度和抗弯强度。复合材料夹层结构设计原则（1）面板通常采用均衡对称铺层。（2）芯子应有足够高度（厚度）。（3）芯子应有足够的弹性模量和平压强度，以及足够的芯子与面

板平拉强度。（4）胶黏剂必须有足够的胶接强度，同时还要考虑耐湿热老化和

其他耐环境性能。（5）芯格形状由结构形状和纵向与横向剪切应力比（强度比）确

定。芯格尺寸要保证在设计载荷下芯格壁不失稳及面板不发

生格间塌陷。（6）避免夹层结构承受垂直于面板的平拉或平压局部集中载荷（7）必须考虑电性能、阻燃、毒性和烟雾等特殊设计要求性能（8）碳纤维层合面板与铝蜂窝芯子胶接面要注意防止电偶腐蚀问题复合材料夹层结构细节设计（1）

（1）边缘闭合设计：边缘闭合是夹层结构设计特有的问题，若边缘处还需与其他结构件连接，则要补强。边缘闭合有两种基本形式：边缘斜面闭合设计和边缘连接件闭合设计复合材料夹层结构细节设计（2）2）芯子增强设计：当夹层结构由于垂面载荷作用或强度、刚度要求等原因，需要芯子增强时，一般采取充填树脂胶、局部芯子加密、加入垫块或成型件等办法增强芯子。复合材料夹层结构细节设计（3）3）蜂窝夹层结构防潮密封设计：（1）面板表面涂密封剂，如H101～H103封孔剂，W06-2Ⅱ

底漆和Wof-1Ⅱ面漆。（2）密封所有水分可能浸入蜂窝芯格的通道。（3）适当增加复合材料面板厚度，提高抗冲击分层能力，

可减少水分浸入通道。复合材料夹层结构细节设计（4）4）受侧压夹层板边缘支持的设计：夹层板受侧压作用，边缘支持设计应避免发生面板弯曲引起的平拉伸分层开裂，应在夹层板边缘处将蜂窝削成斜面、面板闭合与支持结构胶接连接，结合面承受剪切载荷。复合材料夹层结构细节设计（5）5）夹层结构连接设计：必须充分考虑夹层结构薄面板、厚蜂窝芯和弱的难以承受或传递垂直面板集中载荷等特点。采取局部增强连接接头或专用连接件。蜂窝夹芯的原材料蜂窝夹芯材料分金属和非金属两大类，金属芯材多用铝、钛合金和不锈钢。非金属夹芯材料主要用玻璃钢、泡沫塑料、蜂窝纸（如芳纶纸）等。1）玻璃纤维布：生产玻璃钢夹层结构的玻璃布分为面板布和蜂窝布两种。面板布是经过增强处理的中碱和无碱平纹布，厚度一般为0.1~0.2mm。蜂窝布选用未脱蜡的无碱平纹布，不易变形，可提高芯材的挤压强度。2）Nomex芳纶纸：有良好的树脂浸润性，高比强度、比刚度（约为钢的9倍），突出的耐腐蚀性和绝缘性，良好的透电磁波性和高稳定性3）胶黏剂：环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、有机硅树脂及邻苯二甲酸二丙烯酯等蜂窝夹芯材料制芯方法（1）展开法。（2）压力粘接成型法。（3）压力纤焊成型法。蜂窝夹芯材料芯板与板面连接方法（1）胶接法。胶接法是把板面和芯子用热固化胶在

连接成型机内加热加压复合而成。（2）缝焊法。将焊件装配成搭接或对接头，并置于

两滚轮电极之间。滚轮加压焊件并转动，连接

或断开送电，形成一条连续焊缝的电阻焊。（3）激光焊接法。利用高能量技术的激光作为热源

的一种高效精密焊接方法，具有高能量密度、

可聚焦、深穿透、高效率、高精度、适应性强

等优点。复合材料格栅结构的定义格栅结构是指用格形（方形格、菱形格）加肋骨架的加肋板或加肋壳（筒壳或锥壳）。由于格间距小，格形加肋骨架形似网状，故又称网格结构。先进复合材料格栅结构以较高的可设计性、制造的灵活性和优良的潜在性能，包括具有较高的比强度和比刚度，而且成本较低，被广泛应用到了现代无人机上。复合材料格栅结构的特性（1）格栅结构在几何形式上具有较好的拓扑优化性。（2）格栅结构是一个开放式结构，格形骨架整体性好。（3）格栅结构具有结构形式的各向异性，能更好满足结构各方

向强度与刚度的不等同要求，提高结构效率。（4）格栅结构是一个开放的复合材料空间结构形式。（5）格栅结构每一个等角形格单元都是几何不变的超静定结构（6）格栅结构对局部初始缺陷敏感性不强，一般不会发生层合

板常见的微裂纹及分层。（7）格栅结构制造工艺过程可以实现机械化、自动化生产，实

现低成本制造。复合材料格栅结构设计一般原则（1）根据结构受力情况安排加肋骨架的取向。（2）蒙皮与格形肋条应刚度匹配，以保证蒙皮有所需

要的光滑外形。（3）蒙皮与格形加肋骨架应有足够的结合强度，以提

高承载能力和减少维修。（4）要处理好格形加肋骨架端部纤维的连续和终止。（5）要解决好格栅结构的连接和拼接的难点问题。（6）要解决好质量检测和监控问题，总结好维修经验

和提高维修水平。复合材料格栅结构分析1）正交格栅壁板：格形为方形格。栅格由连续的单向带和节点处不连续的低密度合成材料垫片条组合而成；栅格再与蒙皮结合在一起，形成格栅壁板。2）等角格栅壁板：又称三角格栅板。特点是有极好的损伤容限和破损安全能力，结构连续性好，可实现加工自动化，以降低成本复合材料结构连接的定义复合材料结构件之间的连接，以及复合材料结构件与其它材料结构件之间的连接。统计资料表明复合材料结构多数破坏发生在连接处（60~85%）。结构件一般可分为零件、构件和部件三大类，其中“零件”是指组成结构件的单个个体；“构件”是指结构件中具有确定运动的某个单位整体，构件可以是一个零件，也可以是连结在一起、不发生相对运动的几个零件的组合体。零件是制造的单元，而构件是系统中运动的单元；“部件”是指结构件中在构造和作用上自成系统的、可单独分离出来的部分。复合材料结构连接的类型接头的结构形式和载荷特性取决于结构件的功用和使用条件。1）铰连接和刚连接（1）铰连接。（2）刚连接。2）胶接连接、机械连接和混合连接（1）胶接连接。（2）机械连接。（3）混合连接。复合材料胶接连接的特性优点：（1）纤维连续，不削弱构件截面，因而不削弱元件的承载能力。（2）连接部位的质量较轻。（3）抗疲劳性能好。（4）可用于不同类材料的连接，无电偶腐蚀问题，耐腐蚀性好。（5）能获得光滑表面，密封性好。（6）没有磨蚀问题，永久变形小。（7）成本低。缺点：（1）胶接表面必须仔细清理，需要特殊的表面处理。（2）强度分散性大，且胶接强度受温湿环境的影响较大。（3）缺乏有效质量检测方法，胶接质量检验比较困难，可靠性差。（4）抗剥离能力差，不能传递大载荷。（5）多数情况下胶接具有不可拆卸性。（6）胶粘剂存在老化问题，受环境影响大。（7）固化时产生较高的残余应力。（8）不可拆卸。复合材料机械连接的特性优点：（1）表面无须仔细清理即可获得较大的连接强度。（2）能传递较高载荷，抗剥离性能好，强度分散性小。（3）便于质量检测、安全、可靠。（4）受环境影响较小。（5）没有胶接固化时产生的残余应力。（6）允许拆卸再装配。（7）加工简单。缺点：（1）开孔须削弱构件截面，纤维被切断引起应力集中。（2）有电化腐蚀问题，易受腐蚀和磨蚀。（3）抗疲劳性能差。（4）接头质量较大。（5）永久变形大。（6）成本高。胶接连接的基本形式复合材料结构件胶接连接的基本形式有：单搭接、双搭接、楔形搭接和阶梯形搭接四种。一般1.5~2.0mm的薄连接板可采用单搭接；4mm左右的连接板采用双搭接或双面盖板对接；6mm以上的连接板多采用楔形搭接和阶梯形搭接。胶接结构的胶层载荷形式胶接结构的胶层一般承受4种基本形式的载荷，其中以胶层承受剪切时，强度最大。因此在设计复合材料结构件胶接连接时，要使胶接面（胶层）尽可能与载荷方向平行，以使胶层承受剪切载荷，发挥胶层最大承载能力。单搭接胶接连接破坏模式在面内拉伸载荷作用下，单搭接胶接连接的破坏模式有三种：胶层剪切破坏；胶层剥离破坏；胶接连接区外连接件拉伸（或拉弯）破坏。此外，还会发生混合破坏。层合板胶接连接形式与连接强度复合材料层合板连接件厚度是层板胶接连接形式选择的主要因素。复合材料层合板胶接连接形式与连接强度关系如图所示，以供设计参考。胶接连接胶粘剂的特性胶粘剂按其剪切应力-应变特性（τ-γ曲线）可分为韧性胶粘剂和脆性胶粘剂。脆性胶粘剂宜在高温下使用，在拐点附近即断裂，疲劳寿命短。韧性胶粘宜在中温下使用，断裂应变较大，因而使胶层的应力集中较小，可承受较高的疲劳极限应力，寿命较长。结构胶粘剂的选择要求（1）胶粘剂要有较好的综合力学性能（剪切强度、剥

离强度与湿热老化性能等）。（2）胶粘剂应适用于复合材料之间，以及与其他材料

之间的胶接，有较好的粘接强度。（3）胶粘剂的使用温度应与胶接件的最高使用温度相

适应。高温工作条件下，胶粘剂的热膨胀系数应

与胶接件相近。（4）胶粘剂应有良好的韧性和耐湿、热、耐介质性能（5）选用固化温度低的胶粘剂，工艺性好，使用方便胶接连接设计一般原则（1）选择合理的胶接连接形式，以使胶接传递的载荷在胶层主

要引起剪切应力。（2）胶接强度应高于或相当于胶接件的强度，而不是低于胶接

件的强度。（3）综合胶接静强度、疲劳、耐久性要求和胶接工艺，合理选

择胶粘剂和胶接几何参数（搭接长度与胶接件厚度之比）（4）胶接细节设计必须考虑胶接件泊松比匹配、胶接件端部减