碳纤维复合材料铺层设计要点

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。

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。

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。

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。

图4同方向铺层拼接间隙要求四、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。

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）

图6 T型梁铺层示意图

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。

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 mmt≥2.5mm时R ≥ max（t，5.0 mm）

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）