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      碳纖維復合材料鋪層設計要點
      時間:2022年03月02日 來源:華特碳纖  作者:佚名 瀏覽次數:

      隨著時代的發展,碳纖維復合材料在航天航空、汽車高鐵、體育用品、機械制造等領域隨處可見,在其制品制造的過程中,由于碳纖維復合材料在工藝與性能方面有很大差異,導致其與傳統材料的設計也存在較大區別,其中鋪層設計是碳纖維復合材料設計的關鍵內容。

      一、鋪層設計的內涵

      鋪層設計主要進行以下內容:
      確定鋪層的總層數。產品總厚度h=n1h1+ n2h2+ n3h3,其中n1,n2,n3為對應材料的層數,h1,h2,h3為材料固化后的單層厚度。
      確定鋪層的方向角。合理的鋪層角度,可優化局部件的力學性能以及其它性能,目前常用的標準鋪層角度:0°、45°、-45°和90° 可以滿足設計要求,也可以簡化分析和制造。除縱橫剪切強度試樣外,只在有特殊需求時采用任意鋪層角度鋪層,且所用鋪層角種類應盡可能少。
      確定鋪層各方向角所占的比例。
      確定各鋪層各方向角的堆疊順序。為了減少固化過程中的變形,整體鋪層順序應該在層壓板結構鋪層中心線兩側對稱,中心線一般位于層壓板的中部區域。并且為確保均勻的鋪層順序,不同的鋪層角度應該在鋪層順序中均勻分布。

      二、鋪層的表示


      單向帶鋪層   〔45/-45/0/-45/45/90/90/45/-45/0/-45/45〕(示例1)的表示,可以簡化為〔45/-45/0/-45/45/90〕s,其中0,45,90,-45表示鋪層角度,s表示鋪層關于中面對稱,如圖1所示。
      單向帶鋪層〔45/-45/0/-45/45/90/45/-45/0/-45/45〕(示例2)表示,可以簡化為〔45/-45/0/-45/45/90〕 ,其中表示鋪層關于中面單對稱,如圖1所示。


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      織物與單向帶混合的鋪層采用:
      〔(±45)/0/(±45)/(0,90)/(±45)/90/90/(±45)/(0,90)/(±45)/(±45)〕表示,可以簡化為〔(±45)/0/(±45)/(0,90)/(±45)/90〕s,其中(±45),(0,90)為織物的鋪層,如圖2所示。


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      圖2織物和單向帶鋪層示意圖


      當需要用鋪層表示相應的材料時,可在右下角加材料代碼的英文字母,如:
         (±45)G    表示±45度的玻纖織物
         (±45)K    表示±45度的凱夫拉芳綸織物


      三、纖維的拼接


      單向帶鋪層需要沿寬度方向拼接時,拼接間隙應小于1mm,不允許在垂直于纖維方向拼接,如圖3所示。


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      圖3單向帶拼接間隙要求


      同方向(角度)鋪層需要拼接時,兩拼縫間距應不小于25 mm,如圖4所示。


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      圖4同方向鋪層拼接間隙要


      四、典型結構設計的注意事項


      復合材料工字梁(如圖5所示)可以提供較高的抗彎剛度,鋪層時需要注意在各鋪層組的空隙區需要用相應的纖維進行填充,且各組鋪層疊加后仍保持對稱。


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      圖5工字梁鋪層組示意圖


      復合材料T型梁(如圖6所示)制造簡單,工藝性好, 但其抗扭轉性能差,為改善其抗扭轉性能,在T型梁腹板端部采用包覆纖維的方式,提高其抗扭轉性能(如圖7所示)


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      圖6 T型梁鋪層示意圖


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      針對工藝孔、定位孔的設計形式,設計成圓孔為最佳,其次為長圓孔,最差的是方孔,主要是復合材料無法像傳統金屬一樣沖孔,加工方孔工藝性差,如圖8所示


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      復合材料結構需要模具成型,圓角可以改善鋪貼工藝性,圓角大小與產品厚度以及模具形式有關,當產品厚度t小于2.5mm時,若陽模成型,最小半徑應為2倍t厚度與3mm的最大值,若陰模成型,最小半徑應滿足R ≥ 2t+1.5 mm;
      當產品厚度t大于等于2.5mm時,若陽模成型,最小半徑應為t厚度與5mm的最大值,若陰模成型,最小半徑應滿足R ≥ 2t+1.5 mm,具體見表1。產品圓角與模具關系如圖9所示。
      表1產品圓角大小選型表

       

       

       

       

       

       

       

       

       

       層合板厚度

       陽模

       陰模 

      t<2.5mm時 

       R ≥ max(2t,3.0 mm) 

       R ≥ 2t+1.5 mm

        t≥2.5mm時

        R ≥ max(t,5.0 mm)



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      圖9復合材料圓角與模具關系示意圖


      鋪層設計是碳纖維復合材料結構設計的關鍵,如何把單層結構的優異性能傳遞到復合材料結構部件上,鋪層設計起到了承上啟下的作用。
      來源:(華特碳纖)

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