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復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下一般原則。
(1)綜合考慮性能、工藝、成本、使用經(jīng)驗(yàn)等多方面因素，合理選材。
(2)所采用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件應(yīng)能體現(xiàn)發(fā)揮復(fù)合材料的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。如壁板、梁、肋宜采用復(fù)合材料,而翼面主接頭一般不宜或慎重考慮采用復(fù)合材料。
(3)根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果,考慮濕熱環(huán)境因素和目視勉強(qiáng)可檢沖擊損傷后，確定合適的設(shè)計(jì)許用應(yīng)變水平。
(4)一般按設(shè)計(jì)許用值設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，遵循使用載荷設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)載荷校核的原則。按其他方法設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)保證結(jié)構(gòu)在使用載荷下有足夠的強(qiáng)度和剛度,設(shè)計(jì)載荷下安全裕度應(yīng)大于零。設(shè)計(jì)所用彈性模量取設(shè)計(jì)所對(duì)應(yīng)濕度區(qū)間的試驗(yàn)結(jié)果平均值。對(duì)于有特殊要求的部位,如連接、開口、金屬/復(fù)合材料混合使用結(jié)構(gòu)部位,應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，并附以試驗(yàn)來確定設(shè)計(jì)原則。
(5)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是避免或減少層合板結(jié)構(gòu)承受面外載荷、剛度突變、應(yīng)力集中、大開口、傳力不連續(xù)等直接影響復(fù)合材料強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命的關(guān)鍵部位。
(6)結(jié)構(gòu)的工藝性、可修理性、可更換性在初步設(shè)計(jì)階段就應(yīng)予以考慮。
(7)在初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮避免因選材和設(shè)計(jì)不當(dāng)而導(dǎo)致過高制造成本和維修更換成本。
(8)結(jié)構(gòu)的特殊性能要求應(yīng)穩(wěn)妥可靠,如電磁性能、阻燃防毒性能、雷擊防護(hù)措施等。
結(jié)構(gòu)工藝性 與設(shè)計(jì)的關(guān)系
結(jié)構(gòu)的工藝性是結(jié)構(gòu)的基本屬性之一，從根本上講,結(jié)構(gòu)的工藝性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所賦予的,結(jié)構(gòu)工藝性的好壞是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。
經(jīng)驗(yàn)表明,結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)階段貫徹工藝性要求所獲得的效果,大約相當(dāng)于設(shè)計(jì)生產(chǎn)全過程中保證工藝性措施所獲得效果的70%，詳細(xì)設(shè)計(jì)階段所獲得的效果約占總效果的20% ~ 25% ,設(shè)計(jì)圖樣發(fā)出后生產(chǎn)部門]進(jìn)行工藝性改進(jìn),其潛力僅占5%~ 10%。所以,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特別是總體設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)階段，對(duì)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的工藝性進(jìn)行分析研究,認(rèn)真貫徹工藝性要求,是極其必要的。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)始終考慮的問題是:
(1)使用較便宜的材料;
(2)簡化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì),排除難以制造或制造費(fèi)用昂貴的設(shè)計(jì)特征,盡量采用更多的整體結(jié)構(gòu),減少零件和裝配,結(jié)構(gòu)的鋪疊過程盡量能采用自動(dòng)化設(shè)備;
(3)采用簡單有效的工裝、多功能夾具、通用設(shè)備;
(4)設(shè)計(jì)中給出結(jié)構(gòu)有效的檢查方法;
(5)在質(zhì)量和工藝之間進(jìn)行協(xié)調(diào),通過分析和試驗(yàn)制訂現(xiàn)實(shí)有效的質(zhì)量檢查技術(shù)要求，允許有缺陷及返修后結(jié)構(gòu)的使用,使產(chǎn)品報(bào)廢率降到低。
提高結(jié)構(gòu)工藝性的設(shè)計(jì)措施
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)(包括鋪層設(shè)計(jì))對(duì)結(jié)構(gòu)工藝性有著決定性的影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程均需考慮結(jié)構(gòu)的工藝性問題。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)階段,一般考慮以下幾方面的工藝性問題。
(1 )選擇合理的產(chǎn)品外形
產(chǎn)品外形對(duì)結(jié)構(gòu)的工藝性影響很大,既要滿足使用要求,又要有利于結(jié)構(gòu)工藝性。外形選擇盡可能減少工裝、下料和裝配,簡化模具，有利于自動(dòng)化生產(chǎn)。一般盡量選擇平面、圓柱形、旋轉(zhuǎn)體等規(guī)則外形。
(2)選擇合理的分離面
好的分離面設(shè)計(jì)有利于提高產(chǎn)品的裝配工藝性。產(chǎn)品的分離面一般分為使用分離面(或設(shè)計(jì)分離面)和工藝分離面。使用分離面是按使用要求為維護(hù)、裝拆設(shè)備和運(yùn)輸方便而設(shè)計(jì)的分離面,其必須是可拆卸的。使用分離面不宜過多,否則會(huì)造成結(jié)構(gòu)重量的增加。圖5-1為A380飛機(jī)的使用分離面。
工藝分離面是根據(jù)批產(chǎn)量、批量的要求,按照產(chǎn)品各部件能單獨(dú)或并行制造而布置的分離面。圖5-2為A380 飛機(jī)的工藝分離面。
一般按下列原則布置工藝分離面:
a.便于分段裝配，盡可能實(shí)現(xiàn)壁板化，以便并行作業(yè)和采取機(jī)械化、自動(dòng)化裝配技術(shù);
b.將需要特殊加工、裝配安裝周期較長的結(jié)構(gòu)劃分為單獨(dú)的組件;
c.選擇不同材料結(jié)構(gòu)的交界處(如金屬結(jié)構(gòu)和非金屬結(jié)構(gòu)之間)作為結(jié)構(gòu)的工藝分離面;
d.有時(shí)也可選擇承力結(jié)構(gòu)和非承力結(jié)構(gòu)之間作為工藝分離面;
e.亦可選擇簡單結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)之間作為工藝分離面;
f.工藝分離面應(yīng)盡可能選取在單曲度外形和雙曲度外形的轉(zhuǎn)變處或外形急劇變化處。
圖5-3為A380 飛機(jī)部件從工藝分離面裝配到使用分離面的過程。
(3)選擇合理的連接方法
選擇合理的連接是提高工藝性的重要途徑。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)零件的連接應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和材料的性能來選擇鉚接、螺接和膠結(jié)。如圖5-4為波音787復(fù)合材料機(jī)身蒙皮、 長桁、框和豎梁的鉚接與膠結(jié)。部件之間的連接在滿足結(jié)構(gòu)完整性要求的前提下盡可能做到:
a.無需或盡可能采用簡單的夾具,來確定部件的相互位置并滿足公差要求;
b.無需部件之間的過渡或過渡區(qū)便于修正加工;
c.有通暢的施工通道;
d.互換性好,裝卸方便。
(4)提高結(jié)構(gòu)的整體性
減少連接件、裝配件的數(shù)量,節(jié)省連接、裝配工作量,是提高結(jié)構(gòu)工藝性的有效措施。圖5-5為A380 飛機(jī)復(fù)合材料水平尾翼整體壁板。圖5-6為波音787全復(fù)合材料機(jī)身前段、中段和后段,提高了機(jī)身結(jié)構(gòu)的整體性之后，大大地減少了連接件、減少了裝配工時(shí)。
(5)結(jié)構(gòu)的繼承性和規(guī)格化
在系列化產(chǎn)品中，采用已有產(chǎn)品的成熟的部件、組合件、零件圖樣;在新產(chǎn)品開發(fā)中，盡可能使部件、組合件、零件規(guī)格化(設(shè)計(jì)成圖樣圖號(hào)完全相同)，減少生產(chǎn)準(zhǔn)備、工藝試驗(yàn)量,縮短試制周期;盡可能減少非標(biāo)準(zhǔn)件的使用等是提高結(jié)構(gòu)工藝性的重要措施。
(6)應(yīng)用設(shè)計(jì)補(bǔ)償和工藝補(bǔ)償。為了有利于保證設(shè)計(jì)分離面的互換性和工藝分離面的協(xié)調(diào)性,在設(shè)計(jì)分離面處的結(jié)構(gòu)時(shí)可考慮應(yīng)用設(shè)計(jì)補(bǔ)償和工藝補(bǔ)償措施。
在結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,應(yīng)從以下幾方面考慮工藝性問題。
(1)對(duì)于外形復(fù)雜的結(jié)構(gòu),在外形變化區(qū)應(yīng)采用光滑過渡，用織物代替無緯布以減少外形變化區(qū)內(nèi)的纖維間劈裂。結(jié)構(gòu)零件的拐角應(yīng)具有較大的圓角半徑，以避免在拐角處出現(xiàn)纖維斷裂、富脂、纖維架橋等缺陷。圖5-7為機(jī)翼 上具有圓角半徑彎邊的復(fù)合材料翼肋。
(2)在鋪層設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮到，由于不同鋪層角的鋪層之間，在給定方向上存在剛度特性和膨脹特性上的差異,但存在鋪層不對(duì)稱、裝配不對(duì)稱或同一鋪層角的單向帶集中過多時(shí)，會(huì)引起翹曲變形甚至分層。
(3)在熱壓罐尺寸和工藝允許的情況下，盡量設(shè)計(jì)成整體件并采用共固化或二次固化、二次膠接工藝成形,以減少組裝工作量。
(4)對(duì)有表面質(zhì)量要求的結(jié)構(gòu)表面，應(yīng)作為貼模面。當(dāng)該表面不能作貼模面時(shí),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置應(yīng)當(dāng)考慮加勻壓板以提高表面質(zhì)量。
(5)對(duì)于制件壁厚大于7.5mm的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用零吸膠的預(yù)浸料制造工藝，也可采用多次預(yù)吸膠工藝。
(6)對(duì)具有封閉內(nèi)腔需要用氣囊加壓的結(jié)構(gòu)，應(yīng)在受力較小的部位留出合適的工藝孔。
(7)為保證鉆孔質(zhì)量，在孔的鉆出一側(cè)，應(yīng)鋪一層織物或玻璃布。