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干货丨复合材料结构设计知识共享系列之四——复合材料结构设计的经验教训

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1  引言

复合材料结构设计与金属结构设计差别很大,欧美有丰富经验的复合材料结构设计师已总结了40多年来飞机复合材料结构设计、分析、制造、试验验证和使用维护的经验教训,并发表在CMH-17《复合材料手册》第3卷第7章《复合材料设计》中,其中很多内容已列入国内飞机型号的复合材料结构设计准则,这些经验教训不仅适用于飞机结构,大部分内容也适用于其他领域复合材料结构设计,特别是以杆板壳结构形式为主的交通运输车辆结构设计。考虑到不是所有复合材料结构设计人员都拥有CMH-17《复合材料手册》,即使拥有,也不一定关注这部分内容,因此将这部分内容作为复合材料结构设计知识共享系列之四供广大复合材料结构设计师分享。


2  复合材料设计的特殊问题(引自CMH-17-3G《复合材料手册》第3卷“复合材料应用、设计与分析”第7章“复合材料设计”)

金属和复合材料结构设计的根本区别在于复合材料设计过程包括材料设计,这涉及到基本纤维和基体材料结合的结构形式。结构是由一层层铺层材料形成的,或者是由纤维预成形件注射树脂材料制成的更新的复合材料形式。


相对金属结构设计的另一个根本区别是对环境影响的差异。复合材料的力学性能对温度的变化远比金属的力学性能更敏感。虽然金属材料易受腐蚀,但不吸湿,而聚合物基复合材料正好相反。因此,复合材料设计在选择树脂和确定设计许用值时必须考虑热/湿的问题。


金属和复合材料在很多结构分析的细节上也不同。最根本的区别包括复合导致的材料正交各向异性、认识到复合材料尺度效应的重要性(不能仅使用纤维和基体组分特性在理论上预测结构响应),并使用合适的结构分析方法和许用强度。虽然,特殊层压板的各向异性更为复杂,但设计师能够剪裁成所需的偏转特性结构。这已被应用于机翼蒙皮的气动弹性剪裁。尺度效应通常被认为是由经验为主产生的各种长度-尺度(单层板,层压板,元件,全尺寸件等)的许用强度。在本手册几个不同的地方,非常详细地探讨了合适的结构分析方法和强度许用值。


复合材料必须在各种工程学科之间并行设计。设计的细节取决于模具加工以及装配和检测工艺。零件和工艺是密不可分的,难以按设计和制造阶段的次序来进行工作。


事实上,所有采用先进复合材料的产品,都包括金属以及复合材料结构。因此,必须关注复合材料与金属的兼容性问题,例如热膨胀系数的不匹配性、电偶腐蚀的防护和钻孔/去毛刺的工艺要求等。


复合材料在应用于大型、相对连续的结构时是最有效的,它们的成本与元件、零件的数量以及所需紧固件的数量有关,这两个因素推动设计师将具有整体特征的结构设计成大型共固化结构,复合材料的性质使这成为可能。良好的设计,高质量的模具将降低制造和检测成本及废品率,生产出高质量的零件。


经验教训

A  设计与分析

经验教训

理由或后果

A-1  并行工程,由设计师、应力分析、材料和工艺、制造、质量控制、后勤保障工程师(可靠性、维护性和生存性)以及成本估算师组成的团队联合、并行地研制新产品或新系统,现已成为公认的设计方法。

为了提高质量和性能,并降低复杂系统的研制和生产成本。

 

 

A-2  通常,设计成大型的共固化/共胶接组合件。但是,大型组合件必须考虑搬运和修理问题。

由于减少零件数量和装配时间而降低了成本。但是,如果组合件还需要考虑制造的复杂因素(物流,模具),则可能提高成本。

A-3  结构设计和相关的模具应能容许由于不可避免的设计载荷增大而造成的设计变更。

为了避免修修补补的增强和类似的最后一刻的失败。

A-4  材料的选择应在对结构性能、环境、成本、进度和风险要求的全面评估基础上进行。

材料类型对性能特性以及生产性等因素有重大影响。

A-5  只有通过比较研究表明可行(降低制造成本)时,才应使用单向织物和双向织物。如果可行,可将织物用于45°层或0°/ 90°层。

织物的强度和刚度性能有所降低,其预浸料成本高于预浸单向带。对复杂形状的制件可能需要使用织物,而某些制件可能需要利用织物的铺覆性。

A-6  只要有可能,配合面应是模具表面,以便保持尺寸控制。若不可能,则应使用液体垫片补偿,如果间隙较大,也可联合使用预固化垫片和液体垫片进行补偿。

为了避免将邻接面强迫到位时产生额外的面外载荷。超过0.13mm的间隙可能需要进行验证试验。

A-7  只要有可能,零件厚度不应是一个决定性的/受控要素。

厚度容差是铺层数量的函数,与每一层厚度的变化相关。批次间的厚度变化可以达到±10%

A-8  必须在接触面处使用胶层和/或薄的玻璃纤维层,将碳纤维与铝合金或钢隔离。

碳和铝或钢之间的电化学反应会引起金属腐蚀。

A-9  设计时必须考虑制造和使用时结构的可检性。如果没有可靠的检测方法,设计复合材料结构时必须假定存在大的缺陷或损伤尺寸。

如果结构容易检查,发现问题的机会就要大得多。

A-10 进行有限元分析时,在开口附近、蒙皮铺层削减和加筋条削减处的高应力梯度区,必须采用较细密的网格。

不恰当的确定或处理不连续区附近的应力,会引起提前破坏。

A-11 只要有可能,就要消除或降低应力集中。

通常(纤维控制的)复合材料层压板到破坏以前一直呈线性。材料不会出现局部屈服和应力重新分配,因而应力集中降低了层压板的静强度。

A-12 应避免或尽量减少会产生剥离应力的设计状态,例如过分突然的层压板收边或弯曲刚度相差悬殊(即EI1》EI2)的共固化结构。

剥离应力在层压板的面外方向,因此是在最薄弱的方向。

A-13 只要充分考虑了所有其他可能失效模式,允许薄复合材料层压板出现结构屈曲。一般情况下,要避免厚层压板的失稳。

用后屈曲设计有可能得到明显的减重。

A-14 在很多情况下,把90°45°层放在外表面可改善屈曲许用值。要把45°层放在对层压板局部屈曲最危险的外表面。

增加结构的承载能力。

A-15 增加局部铺层时,要保持均衡和对称。铺层应加在同一方向的连续层之间。外表面层应是连续的。

尽量减少翘曲和层间剪切,提高铺层强度。连续表面层可尽量减少对铺层边缘的损伤,并有助于防止分层。

A-16 决不能在紧固件分布区终止铺层。

减少对骨架的仿形要求;避免制孔引起的分层;提高挤压强度。

A-17 铺层顺序应当相对于层压板中面为均衡对称;任何不可避免的非均衡或非对称的铺层应放在层压板中面附近。

避免固化后的翘曲,降低残余应力,消除耦合应力。

A-18 只要可能,就采用纤维控制的层压板。对多数主要承载结构,推荐使用[0°/±45°/90°]取向的铺层;在每个方向上,最少应当铺设10%的纤维。

纤维承载,树脂相对较弱。这会尽量减少基体和刚度的退化。

A-19 对于承受多种载荷情况的层压板,不要只对最严重的载荷情况进行优化。

只对单一载荷情况进行优化会使得其他载荷情况下树脂或基体应力过大。

A-20 如果结构采用机械方式连接,任何方向的纤维超过40%都是不妥当的。

层压板的挤压强度会受到不利影响。

A-21 尽可能保持分散的铺层顺序,并避免成组铺叠相似的层。如果必须成组铺叠,应当避免4层以上的同向铺层叠在一起。

增加强度并尽量减少分层趋势;得到较均衡的层压板;尽量减少层间应力;尽量减少使用中和使用后的基体微裂纹。

A-22 如果可能,避免将90°层成组铺设。用±45°层将90°层分开,其中是主要承载方向。

最大限度地减小层间应力和正应力,尽量减少多重横向断裂;尽量减少成组的基体控制层。

A-23 层压板中±θ°(例如±45°)的成对或分开铺设涉及两个相矛盾的要求;层压板结构应尽可能降低层间的层间剪切应力,并减少弯-扭耦合。

±θ°分开能降低层间的层间剪切应力,在层压板中将±θ°成组放在一起能减少弯-扭耦合。

A-24 每个层压板表面最少要铺放一组±45°层;织物一层就足够。

尽量减少制孔时的碎片,保护基本承载层,提高冲击损伤阻抗。

A-25 避免铺层的突然终止;每次铺层递减数尽量不应超过2层;减掉的层在层压板中不应彼此相邻。

铺层递减会引起应力集中和载荷路径的偏心,厚度的过渡会引起纤维的皱折并在受载时可能引起分层。削减不相邻的层能减小其他铺层的折曲。

A-26 在主要载荷方向,在最小间距5.1 mm内,单向带每次削减厚度不应超过0.25 mm,织物每次削减厚度不应超过0.38 mm;;如果可能,递减的铺层应相对层压板中面对称,且把长度最短的层放在最靠近层压板外表面的部位。递减铺层的定位容差应为1 mm

最大限度地减小引入铺层递减产生层间剪应力的载荷。有助于获得光滑外形;尽量减小应力集中。

A-27 蒙皮铺层递减不应跨越梁、肋或框突缘。

提供较佳的传力路线和零件之间的装配条件。

A-28 在载荷引入区,应当在中面两侧铺设同等数量的+45°和-45°层。

均衡对称成对的±45°层,对载荷引入点通常出现的面内剪切载荷有最强的抗力。

A-29 铺贴时,连续层不应沿垂直载荷的方向拼接。

在载荷路径上出现薄弱环节。

A-30 铺设时,如果层的拼接被至少4层任意方向的铺层分开,连续层可以沿与载荷平行的方向进行拼接。

消除了在铺层拼接处出现薄弱环节的可能性。

A-31 如果隔开同一方向各层拼接点的其他方向铺层的层数少于4层,则拼接点至少必须交错15  mm

最大限度地减少在层拼接处出现的薄弱环节。

A-32 在拼接处,不允许层与层搭接;拼接间隙不应超过2 mm

铺层会出现架桥间隙,但必须在搭接处拼接。


B  夹层结构设计

经验教训

理由或后果

B-1   夹层结构薄面板的设计应使人员在搬运和维护零件时引起的损伤减到最少。

薄蒙皮蜂窝结构非常容易因粗暴操作产生损伤。

B-2   夹层结构设计时,尽可能避免在层压板蜂窝夹层结构的夹芯一侧进行装配。

尽可能减少对蜂窝夹芯的机械加工。

B-3   夹芯边缘的倒角不应超过20°(以水平面为基准;大的角度可能要求夹芯稳定性,柔性夹芯比刚性夹芯更敏感。

防止夹芯在固化周期内塌陷。

B-4   复合材料夹层结构中,只能使用非金属或耐腐蚀金属蜂窝夹芯、或泡沫夹芯。

防止夹芯腐蚀,特别是采用碳纤维复合材料薄面板时。

B-5   选择蜂窝夹芯密度时,应满足其热压罐胶接或共固化时所承受固化温度和压力的强度要求。对非行走表面,夹芯密度的最小值为50g/m3

防止夹芯压塌。

B-6   对用作行走表面的夹层结构,推荐使用的夹芯密度为98 g/m3

50g/m3的夹芯密度会导致在行走时鞋后跟损伤夹层结构表面。

B-7   对共固化夹层结构组件,不要使用芯格尺寸大于4.8 mm蜂窝夹芯(优先选用3.2 mm的芯格)。

防止薄面板出现凹坑。

B-8   当需要在螺栓孔周围等处充填蜂窝夹芯时,应采用经批准的充填剂,充填范围距螺栓中心不小于2D

防止安装螺栓时出现夹芯压塌和可能的层压板损伤.

B-9   在芯子收边(边缘斜削)处的内模线上应额外加2层胶膜;胶膜长度应距内蒙皮和斜坡上边缘带交界处不小于15 mm,离这点到边缘带的距离不小于5 mm

固化压力会使内蒙皮在该区域引起架桥,从而在胶层(蒙皮和夹芯胶接)中产生空隙。

B-10 必须按预期的用途、环境、可检性、可修理性和用户能否接受这几方面,仔细地评定蜂窝夹层结构的应用。

薄蒙皮蜂窝结构易于受到冲击损伤、结冰/融化循环引起的水分侵入,并且很难修理。

B-11 在需要进行重要结构连接的所有范围内,夹层结构应逐渐变尖形成实心层压板。

提高结构连接效率,降低需要在安装紧固件处充填蜂窝时所灌注的重量。

B-12夹层结构应逐渐变尖形成实心层压板,形成一个边缘带。

防止水分进入夹芯以及薄面板和夹芯间的胶层。

B-13 设计夹层结构薄面板时,应至少具有3层复合材料或包括隔离膜。

防止允许水分进入夹芯以及薄面板和夹芯间的胶层后引起微裂纹。


C  螺栓连接

经验教训

理由或后果

C-1   首先设计连接,然后扩展到基本结构。

首先对基本结构进行优化,兼顾连接设计,会使总的结构效率比较低。

C-2   连接分析应包括图样允许的限制用垫片填补间隙的影响。

用垫片填补间隙可能降低连接强度。

C-3   螺栓连接设计要考虑容纳下一级较大的紧固件尺寸。

要容许常规的维护修理大纲和修理工作。

C-4   螺栓连接强度随纤维分布中层百分数的变化,远小于无缺口层压板的强度。

应力集中系数Kt层密切相关。

C-5   最佳的单排螺栓连接强度大约是最佳四排连接强度的四分之三。

最佳单排连接的工作挤压应力高于最佳多排连接中受载最高的一排。

C-6   复合材料螺栓连接设计中常见的错误是采用的螺栓太少,间距过大,螺栓直径太小。

不要使层压板强度最高。

C-7   连接设计通常并不由紧固件的额定剪切强度控制。

螺栓直径通常是由不超过层压板许用挤压应力的要求所控制。

C-8   螺栓孔周围的环向峰值拉伸应力大致等于平均挤压应力。

要保持层压板高的拉伸强度,就要求保持层压板低的挤压应力。

C-9   应控制螺栓的最大拧紧力矩值,特别是对大直径紧固件。

避免压损复合材料。

C-10 复合材料中的螺栓弯曲比金属中的更重要。

(对给定的载荷)复合材料要更厚些,并(由于其脆性失效模式)对非均匀挤压应力更敏感。

C-11 多排螺栓连接的最佳W/d比随连接长度而变。第一排的W/d=5传载最小,最后一排的W/d=3传载最大,对中间螺栓W/d=4

使连接强度最高。

C-12 紧固件应用密封剂或胶黏剂进行湿装配。

避免水分渗入到复合材料。减少在含有碳纤维的复合材料处紧固件的电偶腐蚀。

C-13 螺栓连接中,应在碳纤维/环氧树脂壁板与铝合金的接触面使用一层玻璃纤维(至少0.13mm厚)或带织物载体的胶黏剂。

避免铝合金的电偶腐蚀。

C-14 应该仔细分析螺栓应力,特别是对允许的制造参数的影响,例如孔的垂直度(±10°)、填隙垫片、松配合孔。

螺栓故障日益成为当前高强度复合材料应用的薄弱环节

C-15 螺栓连接试验数据库应包括所有允许的全方位的设计特性。

确定失效模式保持一致,并确定设计参数间没有不利的相互作用影响。

C-16 设计数据库应该足以在设计所允许的全部范围内,证实所有的分析方法是有效的。

为了适当地验证分析精度。

C-17 机械连接试验数据库应包含有关耐久性问题的信息,如夹紧、界面之间的磨损和孔的伸长。也需要评定制造中允许的差异,如孔的质量、边缘光洁度和纤维拉脱。

实际存在的问题会影响强度和耐久性。

C-18 使用防止零件背面纤维折断的制孔方法。

不适当的背面支持方法或制孔方法会损伤背面的表面层。

C-19 螺栓连接中搭接板的应力应低于蒙皮的应力,以防止分层。

由于螺栓弯曲,搭接板所受的夹紧要小于夹在中间的蒙皮。

C-20 最好的螺栓连接强度勉强能超过无缺口层压板强度的一半。

强度降是由紧固件孔周围的应力集中引起的。

C-21 螺栓连接中传载有效的层压板百分比:0°=30%-50%±45°=40%-60%90°=至少10%

挤压和旁路强度的最佳范围

C-22 螺栓连接复合材料,划窝深度不应超过层压板厚度的70%

划窝过深会使挤压性能退化,并增加孔的摩损。

C-23 紧固件端距和间距:在主载荷方向采用端距3D;采用边距2.5D+0.06D是紧固件直径)。

连接强度最高。

C-24 对螺栓连接中的非结构填隙垫片使用要求是,相接触零件之间的间隙不应超过0.8 mm

过大的加垫间隙引起螺栓的过度弯曲、非均匀挤压应力和载荷路线的偏心。

C-25 对螺栓连接,任何超过0.13 mm的间隙都应加垫片。

使由夹紧引起的层间应力最小。

C-26 在阳极化铝骨架外面的碳纤维/环氧树脂口盖上使用定位成形的垫圈,要求密封厚度至少为0.25 mm±0.13 mm

防止铝合金的腐蚀。

C-27 对碳纤维增强复合材料,只使用钛合金、A286PH13-8 Mo、蒙乃尔合金或PH17-4不锈钢紧固件。

防止电偶腐蚀。

C-28 不要锤击复合材料结构中的铆钉。

锤击力能使层压板产生损伤。

C-29 在复合材料结构设计允许采用干涉配合紧固件之前,应仔细核实。

如果在装配干涉配合紧固件之前,不装上松配合的衬套,会使层压板产生损伤。

C-30 必须评估和控制复合材料主结构连接紧固件与孔的尺寸公差。

紧配合的紧固件促使单个紧固件孔中产生均匀的挤压应力,在多紧固件连接中容易得到合适的载荷分配。

C-31如在尾部一侧使用垫圈,可以采用压铆。

垫圈有助于保护孔。

C-32 当与复合材料骨架进行盲连接时,采用盲侧大底角紧固件。

通过锁紧紧固件的环套,防止对复合材料骨架产生损伤。

C-33 对大多数复合材料应用情况,最好使用抗拉头紧固件。抗剪头紧固件只可用在应力许可的特殊结构。

抗剪头紧固件没有足够大的底角,不能防止紧固件在高剪切载荷下的旋转和弯曲。

C-34 避免紧固件螺纹处于层压板的挤压中。

紧固件螺纹能使层压板出现沟槽或损伤。

C-35 复合材料螺栓搭接连接应该采用斜削的搭接板,逐排对载荷传递进行剪裁,使最危险一排的挤压应力最小。

等厚度元件之间的多排螺栓连接,会在最外排的紧固件处出现峰值挤压载荷。


D  胶接连接

经验教训

理由或后果

D-1   受载较小的薄复合材料结构广泛采用胶黏剂胶接连接方式,与较厚、受载较大的结构连接时限制采用机械紧固件连接方式。(厚板:大于6.4mm

降低成本;减少复合材料结构零件的钉孔数。通过消除为紧固件划窝和为提高挤压强度所需的增强,达到减重。

D-2   决不能使胶接设计成为结构中的薄弱环节。胶接接头应该总是强于所胶接的元件。

使结构强度最高。胶接可能作为薄弱环节合并,也可能因局部缺陷而突然撕开。

D-3   厚胶接结构需要复杂的阶梯搭接连接来获得足够的效果。

大载荷需要很多台阶来传递载荷,并保证胶黏剂提供粘合强度。

D-4   预先考虑到要通过降低应变水平(最大典型值3000με4000με,但取决于材料/设计。)来对厚的结构进行螺栓连接修理。

除了一次性使用和用后抛弃的情况外,对厚的结构采用胶接修理是不实际的。

D-5   对导弹和无人机等无需进行修理的情况,即使对厚的复合材料结构,也可采用胶接来获得极高的结构效率。

传递载荷时不必制紧固件孔。

D-6   适当的表面处理是必须的。谨防清洗的溶剂和剥离层,因为其中一些含有污染物。机械打磨更可靠。选择的工艺需要通过试验来确认。

保持连接强度与被胶接表面的状态密切相关。

D-7   在进行胶接修理前,必须使层压板保持干燥。

在修理时对层压板加热,会使任何存在的水分变成蒸汽并引起水泡。

D-8   被胶接件的搭接不得低于规定的最小尺寸。

胶接连接耐久性的关键是一些胶层必须是低应力,以抵抗蠕变。

D-9   胶接搭接在湿/热环境条件下通常会改变尺寸。

高温和潮湿会使胶黏剂的强度和刚度发生退化。

D-10 胶接连接强度在寒冷环境下也会退化,此时胶黏剂呈脆性。

胶的脆性限制了连接强度。

D-11 胶接搭接的斜削端应以1:10的斜率减至0.51 mm的最大厚度。

尽可能降低会引起提前破坏的剥离应力。

D-12 复合材料胶接连接设计必须使面外应力最小。

胶黏剂工作最好受剪切,剥离很弱且不可预测,但复合材料的层间张力更弱。

D-13 (对接近准各向同性的碳纤维复合材料)简单、等厚度胶接搭接是很简单的设计:对双剪连接采用搭接长度30t,对单搭接连接采用搭接长度80t,对斜面连接采用1:50的斜率。

提供一种具有良好强度性能的胶接连接。

D-14 设计厚结构的阶梯搭接连接时,要采用非线性分析程序。

阶梯搭接连接具有复杂的应力状态;具有非线性的胶黏剂特性。

D-15 用厚的胶接件试样来充分表征胶层特性,得到完整的非线性剪切应力-应变曲线。

这种试验为分析连接的剪切极限强度提供了丰富的数据。

D-16 对受高载的胶接连接,最好采用共固化、多台阶、双侧搭接形式。

非常有效的连接设计。

D-18 最好使用韧性胶黏剂,而不是脆性胶黏剂。

韧性胶黏剂有更好的适应能力。

D-19 大面积胶接最好使用胶膜,而不是糊状胶。

提供更均匀的胶缝,较容易控制固化期间胶黏剂的流动。

D-20 均衡的被胶接件的刚度可提高胶接连接强度。

降低剥离应力。

D-21 尽量减小胶接连接的偏心。

降低剥离应力。

D-22 胶接连接设计时,采用热膨胀系数相近的被胶接件。

降低残余应力。

D-23 保证胶接连接结构100%目视可检。

提高可靠性和置信度。需要强调工艺控制。


E  复合材料与金属的搭接连接

经验教训

理由或后果

E-1   金属与复合材料胶接连接:钛合金最好,合金钢是可接受的,不推荐使用铝合金。

尽量减少热膨胀系数的差异。

E-2   在复合材料与金属接头中,阶梯形搭接连接优于嵌接连接。

配合好,强度较高。

E-3   只要有可能,应将45°层(主载荷方向)放置在与胶缝相邻处;层也是可以接受的。决不能将90°层与胶缝相邻,除非它也是主载荷方向。

尽量减小胶缝与承载层间的距离。防止表面层因滚筒机理出现的破坏。

E-4   对复合材料与金属的阶梯搭接连接,端部台阶的金属厚度应该不小于0.76 mm台阶不长于9.5 mm

防止端部台阶的金属破坏。

E-5   在复合材料与金属的阶梯搭接连接中,如果可能,应将±45°层铺放在阶梯台阶的第一层和最后一层。

降低端部台阶处的峰值层间剪应力。

E-6   在复合材料与金属的阶梯搭接连接中,如果可能,在任何一个台阶上,不要终止2层以上的层(最大厚度不大于0.36 mm)。对在最后一个台阶终止的层(最长的层),采用锯齿状的边缘是有益的。

降低每一个台阶和连接端部的应力集中。

E-7   在复合材料与金属的阶梯搭接连接中,应该用非结构楔形件或90°层紧贴在金属被粘物的第一个台阶(即,顶端)处。

降低传力路线中断的值。

E-8   胶接连接中应避免拉伸应力和剥离应力。

胶接强度最小的方向。


F  复合材料与金属的连续连接

经验教训

理由或后果

F-1   除了耐腐蚀铝蜂窝夹芯和受载较小的次结构外,应避免碳纤维复合材料与铝合金结构的胶接连接。

由于碳纤维复合材料和铝合金之间的热膨胀系数差异大,会产生高的层间剪应力。


G  复合材料与复合材料的斜削连接

经验教训

理由或后果

G-1   对于复合材料胶接连接,除了薄结构的修理外,首选搭接连接而不是斜削连接。

搭接连接强度较斜削连接强度高。

G-2   如果存在配合问题,最好采用共固化连接而不是预固化连接,其次是胶接连接。

对配合容差不太敏感。

G-3   对预固化的复合材料零件,最好采用机械加工成的斜面而不是铺叠成的斜面。

为了改善配合。

G-4   应该按照保障性要求评定大型共固化胶接组合件的使用问题。

减少了铺贴和装配时间,但增加了返修成本。

G-5   对厚层压板,斜削胶接修理是不可接受的。

斜削比要求使胶接修理无法实现。


H  材料和工艺

经验教训

理由或后果

H-1   复合材料的选材是结构研制、制造和保障性的基础。

选择的材料会影响的一些关键因素,如零件将如何制造、检测和组装,以前的数据/经验有多少是可用的。

H-2   复合材料选材必须基于充分的分析,并在整个过程的早期进行。

不同材料有不同的优点。对于特定的用途,应选择最能满足其应用需求的材料。

H-3   聚酰亚胺基复合材料应该考虑其电解退化问题。这不需要考虑金属零件的存在。

某些这类材料会在盐水中发生电解腐蚀。

H-4   净树脂(即,无溢胶)预浸料与溢胶体系相比,能在降低成本的情况下提高质量。

最大限度地减少/消除固化过程中预浸料的溢胶量,降低树脂含量的变异性,并减少铺贴时间以及与溢胶有关的材料。

H-5   复合材料的应用必须在材料的湿态玻璃化转变温度Tg和结构最高使用温度之间保持一定的裕度(通常为28℃以上)。

防止材料在其性能大幅度降低和分散性很大的环境中工作。


I  制造和装配

经验教训

理由或后果

I-1    高度整体共固化/共胶接结构对重量和成本是有效的,但加重了模具设计的负担。

整体复合材料结构取消了零件和紧固件。但是,制造用模具很复杂,并对部件质量有很大影响

I-2    必须严格控制机械加工/制孔,包括进给量、转速、润滑及模具更换。

背面纤维崩落和分层是主要问题。复合材料与金属叠加的制孔必须避免金属碎片划伤复合材料;如果在复合材料与金属叠加制孔时,高度取向的层压板容易出现沟槽。

I-3    对于固化后的层压板,高压水切割修边是非常成功的。附加细金刚砂(例如,石榴石砂)的水流允许切割很厚的材料。但是,必须证实满足边缘质量和容差的能力。

在许多类型材料切割中,能非常迅速地形成整齐而光滑的边缘,对芳纶纤维复合材料尤其有用。

I-4    必须考虑砂纸打磨/修整时引起的面外损伤,切削方向/工具旋转必须处于与层压板相同的平面内。

如果不认真控制,这些操作往往会在层压板最弱的方向(即,通过厚度)产生作用力。

I-6    铺贴间的温度/湿度直接影响到预浸料的可操作性。不同类型的材料影响不同。

粘性和可铺覆性受预浸料温度和湿度的影响。

I-7   铺贴员工使用未经许可的护手霜会导致复合材料的大范围孔隙和污染,使用手套可以防止这些风险。

一些护手霜含有会产生污染物的成分。

I-8   铺层定位和压实用的熨斗和热风机必须经过标定。

避免过热引起铺层损伤。

I-9   在铺贴间采取外来物控制是绝对需要的。

可能导致层压板内出现外来材料。

I-10   在复合材料层压板上手工制孔会引起重大损伤。

进给量和转速的精确度比数控设备低,孔的垂直度不好。

I-11   铺层的位置公差必须满足设计要求。

强度/刚度分析基于的假设与铺层角度和位置有关。

I-12   装配夹具必须具有满足装配公差的所需尺寸的刚度。

复合材料不如金属能承受因装配不良或夹具变形所引起的拉脱应力。

I-13   应该用有详图说明的设计文件或手册来补充工程图样和技术条件。

复合材料的制造和装配操作往往很复杂,很精细。如果没有很好的说明,工厂不容易执行。

I-14   在进行胶接和共固化时应考虑二步法固化工艺。

可以缓解诸如夹芯滑移和压碎、蒙皮移动、铺层皱褶等问题。通过制造成更大结构之前的零件检查,降低风险。

I-15   对于复合材料结构,紧固件的夹持长度应考虑紧固件区域的实际厚度(包括垫片)。

复合材料层压板的厚度变异性明显高于钣金零件或机加零件。紧固件夹持长度过长不能提供合适的夹紧力,夹持长度太短会使螺纹处于挤压或者导致头部成形不当。

I-16   复合材料结构的公差要求极大影响制造和加工工艺的选取,从而对成本有很大影响。

不同的工艺有不同的公差控制。

I-17   如果可能,配合表面应该是模具表面。

保持最佳的尺寸控制。

I-18   必须非常小心地选择/设计用于复合材料制造的模制填角橡胶和橡胶贴胎模具。橡胶可以成功地作为增压器用在局部区域,如共固化结构加筋条内侧的圆弧过渡区。

橡胶模具很难取出,易于成为残留物。橡胶不耐磨。

I-19   可以通过分析以预计零件从模具中取出后的变形或回弹,这一问题通常用修改模具的试凑法来解决。金属模具较复合材料模具更容易出现回弹问题。

在成形为不同形状的复合材料层压板中积聚着残余应力或固化应力,当结构从模具中取出后,残余应力会释放出来产生回弹

I-20   包括模具选材在内的模具设计,必须是复合材料零件整个设计过程中的一个不可或缺的组成部分。

模具设计取决于零件尺寸和几何形状、生产速度和数量,还取决于公司的经验。

I-21   铝合金模具已经成功地应用于小而平的复合材料零件,但要避免用于大零件和高曲度阴模。

模具和零件之间热膨胀系数的不匹配将危及零件的形状或在复合材料零件中留下过多的残余应力。对碳纤维复合材料而言更是如此。

I-22   殷钢是制造碳纤维复合材料模具的良好选择。

殷钢具有良好的耐久性和低热膨胀系数,但价格昂贵。

I-23   对复合材料零件,也可用电铸镍来制造耐用、高质量的模具。

比其他选择更昂贵。

I-24   钢、殷钢或高温复合材料模具用于固化高温树脂,如聚酰亚胺和双马来酰亚胺。

这些树脂在较高温度固化时,会增大与其他材料的热失配性。

I-25   硅橡胶模具中的气泡会导致固化后的层压板中出现鼓泡现象。

模具不能对层压板提供支持和施加均匀的压力。

I-26   树脂含量是控制复合材料零件厚度的基本要素。

无法控制树脂的流动会引起富脂和贫脂区域。

I-27   制孔过程中,必须在复合材料层压板最靠近孔区域的背面垫有支持物。

最大限度地减少背面纤维的崩裂和分层。


J  质量控制

经验教训

理由或后果

J-1    复合材料零件生产过程中要求连续的过程监测和工艺控制。

确保批产零件的变异最小。

J-2   超声C扫描是最常用的复合材料零件无损检测技术。也可辅以其他技术,如X射线、剪切干涉法和热像法。

超声波技术对于检测孔隙率、夹杂、脱胶和分层是很有用的。

J-3   复合材料零件的研发计划,需要确定和了解缺陷对零件性能的影响。

最大限度地减少生产过程中,维护修理工作的成本。

J-4   在研制阶段,对复杂的复合材料部件进行破坏性的、拆毁检测是不可替代的。在生产阶段,关键零件可能需要进行抽样的破坏性试验。

并非所有的差异都可用无损检测(NDI)方法检测出来。


K  试验

经验教训

理由或后果

K-1   复合材料结构连接试验和损伤容限的验证应包含足够的研究,以对结构细节和尺寸效应进行充分的评估。

小的细节和尺寸效应可能对复合材料结构的响应有重大影响。复合材料的损伤容限通常具有尺寸效应;而如果设计合适,螺栓和胶接连接则不会有尺寸效应。

K-2   安排得当的试验计划必须包含加速试验方法以确定湿度、温度、冲击损伤等对结构性能的影响,以便在设计阶段对他们进行考虑。

对于大多数部件,在全尺寸试验中包含实时的湿度和高温是不现实的,因此,他们必须附加在试样和元件级试验上。

K-3   实施全尺寸试验前应进行有限元分析。分析中应准确地模拟试验件、试验夹具的边界条件以及所施加的试验载荷。

为了准确地估计试验件内力和破坏预计,同样,试验也可以用来验证设计阶段使用  的分析方法。

K-4   在材料性能试验数据分析中,复合材料试验样本的材料批次、组分材料的批次、热压罐运行、平板、在板中的位置和技术人员的追溯性是很重要的。

如果不能保持和记录完整的追溯性,将难于鉴别产生异常数据点或意外失效模式的原因。因此,导致原可以合理抛弃的数据可能仍然被保留下来,从而增加了该数据组不应有的变异性。

K-5   对所有的设计/研制或概念验证试验,可以满足要求的仪器是必不可少的。应基于分析结果布置应变片、位移传感器等。

对局部失效模式以及与试验结果分析相关的认识有助于设计过程。


L  验证

经验教训

理由或后果

L-1   对于复合材料结构设计细节的研究和验证,积木式方法是一种极好的途径。

能提高对各种各样的问题和设计细节进行评价的成本效率。试验数据用于双重目的——结构设计和生产质量控制。

L-2    部件的鉴定/验证很复杂,因为严酷的设计条件包括湿热环境。通常,采取在大气环境条件下对试验件进行超载试验的方法来实现;或通过分析带有测量应变的试样失效模式来实现,试样的测量应变与次组合件湿热试验有联系。

试图对全尺寸试验件进行吸湿或加热试验通常是不切实际的。


M  保障和修理

经验教训

理由或后果

M-1   尽管非常关注复合材料对损伤的敏感性,但使用经历表明良好。应用了重要复合材料结构的多型飞机在使用中还未出现过任何破坏,大多数损伤出现在进行飞机装配或日常使用过程中。

现有的复合材料、设计方法、制造工艺和验证程序已足以能够开发出能在预期环境下使用的结构。

M-2   位于发动机尾喷口附近的复合材料部件会受到热损伤。目前尚无可接受的无损检测方法能检测基体材料的热损伤。

应该对曝露在发动机尾喷口或其他热源区的复合材料部件进行防护或隔离,使其温度降低到可接受的水平。

M-3   蜂窝夹层结构的最大问题是水分的侵入。使蜂窝夹层结构有效的稳定的薄蒙皮,也是其易于受损的原因。这些蒙皮很容易受损,于是,水分可以侵入到零件内部。

必须明智地使用轻重量的蜂窝结构设计。修理中必须考虑水分侵入夹芯的可能性。

M-4   经常要对飞机涂漆和重新涂漆,对复合材料结构除漆必须非常小心地使用溶剂,因为许多溶剂会损伤树脂基体。

多用水基漆,并希望用无溶剂的除漆方法。

塑料介质喷射(PMB)是解决某些应用的方法。

M-5 负责使用维护复合材料结构的人员应该尽快得到与复合材料零件维护修理工作和厂内修理有关的记录。

服役中的日常维护检查时,场站维护人员有时能发现缺陷和异常;对有的情况,他们已经能够确定在交付时就存在这种缺陷,而且认为是可接受的。

M-6   复合材料结构的保障性设计和修理设计必须考虑使用环境。

必须考虑使用期间设备、设施和操作人员能力的有效性。

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2018年10月10日 10:46
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