層合板設計的一般原則 (1)均衡對稱鋪設原則 除了特殊需要外,結構一般均設計成均衡對稱層合板形式,以避免拉-剪、拉-彎耦合而引起固化後的翹曲變形。如果設計需要採用非對稱或非均衡鋪層,應考慮工藝變形限制。將非對稱和非均衡鋪層靠近中面,可減小層合板工藝變形。 (2)鋪層定向原則 在滿足受力的情況下,鋪層方向數應儘量少,以簡化設計和施工的工作量。一般多選擇 0°、 90° 和 ±45°等4種鋪層方向。如果需要設計成準各向同性層合板,可採用 或 層合板。對於採用纏繞成形工藝製造的結構,鋪層角(纏繞角)不受上述 角度的限制,但一般採用 纏繞角。 (3)鋪層取向按承載選取原則 鋪層的纖維軸嚮應與內力的拉壓方向一致,以最大限度利用纖維軸向的高效能。具體地說,如果承受單軸向拉伸或壓縮載荷,纖維鋪設方向一致;如果承受雙軸向拉伸或壓縮載荷,纖維方向按受載方向 0°、90°正交鋪設;如果承受剪下載荷,纖維方向按 +45°、 -45°成對鋪設;如果承受拉伸(或壓縮)和剪下的複合載荷情況,則纖維方向應按 0°、90°、+45°、-45°多向鋪設。90°方向纖維用以改善橫向強度,並調節層合板的泊松比。 (4)鋪設順序原則 主要從三方面考慮:應使各定向單層儘量沿層合板厚度均勻分佈,避免將同一鋪層角的鋪層集中放置。如果不得不使用時,一般不超過4層,以減少兩種定向層的開裂和邊緣分層。如果層合板中含有 ±45° 層、 0° 層和 90° 層,應儘量在 +45° 層和 -45° 層之間用 0° 層或 90° 層隔開,在 0° 層和 90° 層之間用 +45° 層或 -45° 層隔開,並應避免將 90° 層成組鋪放,以降低層間應力。對於暴露在外的層合板,在表面鋪設織物或 ±45° 層,將具有較好的使用維護性,也可以改善層合板和壓縮和抗衝擊性能。另外,鋪設順序對層合板穩定性承載能力影響很大,這一因素也應考慮。 (5)鋪層最小比例原則 為使複合材料的基體沿各個方向均不受載,對於由方向為 0° 、 90° 、 ±45° 鋪層組成的層合板,其任一方向的最小鋪層比例應≥6%~10% 。 (6)衝擊載荷區設計原則 對於承受面內集中力衝擊部位的層合板,要進行區域性加強。應有足夠多的纖維鋪設在層合板的衝擊載荷方向,以承受區域性衝擊載荷。還要配置一定數量與載荷方向成 ±45° 的鋪層以便將集中載荷擴散。另外,還需採取區域性增強措施,以確保足夠的強度。對於使用中容易受到面外衝擊的結構,其表面幾層纖維應均佈於各個方向,相鄰層的夾角儘可能小,以減小基體受載的層間分層。對於仍不能滿足抗衝擊要求的部位,應區域性採用混雜複合材料,如芳綸或玻璃纖維與碳纖維混雜。 (7)連線區設計原則 應使與釘載方向成±45°的鋪層比例≥40%,與釘載方向一致的鋪層比例大於25%,以保證連線區有足夠的剪下強度和擠壓強度,同時也有利於擴散載荷和減少孔 的應力集中。 (8)變厚度設計原則 在結構變厚度區域,鋪層數遞增或遞減應形成臺階逐漸變化,因為厚度的突變會引起應力集中。要求每個臺階寬度相近且≥60°,臺階高度不超過寬度的1/10。然後在表面鋪設連續覆蓋層,以防止臺階外發生剝離破壞。 (9)開口區鋪層原則 在結構開口區應使相鄰鋪層的夾角≤60°,以減少層間應力。開口形狀應儘可能採用圓孔,因為圓孔邊應力集中較小。若必須採用矩形孔,則拐角處要採用半徑較大的圓角。另外在開口時,切斷的纖維應儘可能少。
層合板設計的一般原則 (1)均衡對稱鋪設原則 除了特殊需要外,結構一般均設計成均衡對稱層合板形式,以避免拉-剪、拉-彎耦合而引起固化後的翹曲變形。如果設計需要採用非對稱或非均衡鋪層,應考慮工藝變形限制。將非對稱和非均衡鋪層靠近中面,可減小層合板工藝變形。 (2)鋪層定向原則 在滿足受力的情況下,鋪層方向數應儘量少,以簡化設計和施工的工作量。一般多選擇 0°、 90° 和 ±45°等4種鋪層方向。如果需要設計成準各向同性層合板,可採用 或 層合板。對於採用纏繞成形工藝製造的結構,鋪層角(纏繞角)不受上述 角度的限制,但一般採用 纏繞角。 (3)鋪層取向按承載選取原則 鋪層的纖維軸嚮應與內力的拉壓方向一致,以最大限度利用纖維軸向的高效能。具體地說,如果承受單軸向拉伸或壓縮載荷,纖維鋪設方向一致;如果承受雙軸向拉伸或壓縮載荷,纖維方向按受載方向 0°、90°正交鋪設;如果承受剪下載荷,纖維方向按 +45°、 -45°成對鋪設;如果承受拉伸(或壓縮)和剪下的複合載荷情況,則纖維方向應按 0°、90°、+45°、-45°多向鋪設。90°方向纖維用以改善橫向強度,並調節層合板的泊松比。 (4)鋪設順序原則 主要從三方面考慮:應使各定向單層儘量沿層合板厚度均勻分佈,避免將同一鋪層角的鋪層集中放置。如果不得不使用時,一般不超過4層,以減少兩種定向層的開裂和邊緣分層。如果層合板中含有 ±45° 層、 0° 層和 90° 層,應儘量在 +45° 層和 -45° 層之間用 0° 層或 90° 層隔開,在 0° 層和 90° 層之間用 +45° 層或 -45° 層隔開,並應避免將 90° 層成組鋪放,以降低層間應力。對於暴露在外的層合板,在表面鋪設織物或 ±45° 層,將具有較好的使用維護性,也可以改善層合板和壓縮和抗衝擊性能。另外,鋪設順序對層合板穩定性承載能力影響很大,這一因素也應考慮。 (5)鋪層最小比例原則 為使複合材料的基體沿各個方向均不受載,對於由方向為 0° 、 90° 、 ±45° 鋪層組成的層合板,其任一方向的最小鋪層比例應≥6%~10% 。 (6)衝擊載荷區設計原則 對於承受面內集中力衝擊部位的層合板,要進行區域性加強。應有足夠多的纖維鋪設在層合板的衝擊載荷方向,以承受區域性衝擊載荷。還要配置一定數量與載荷方向成 ±45° 的鋪層以便將集中載荷擴散。另外,還需採取區域性增強措施,以確保足夠的強度。對於使用中容易受到面外衝擊的結構,其表面幾層纖維應均佈於各個方向,相鄰層的夾角儘可能小,以減小基體受載的層間分層。對於仍不能滿足抗衝擊要求的部位,應區域性採用混雜複合材料,如芳綸或玻璃纖維與碳纖維混雜。 (7)連線區設計原則 應使與釘載方向成±45°的鋪層比例≥40%,與釘載方向一致的鋪層比例大於25%,以保證連線區有足夠的剪下強度和擠壓強度,同時也有利於擴散載荷和減少孔 的應力集中。 (8)變厚度設計原則 在結構變厚度區域,鋪層數遞增或遞減應形成臺階逐漸變化,因為厚度的突變會引起應力集中。要求每個臺階寬度相近且≥60°,臺階高度不超過寬度的1/10。然後在表面鋪設連續覆蓋層,以防止臺階外發生剝離破壞。 (9)開口區鋪層原則 在結構開口區應使相鄰鋪層的夾角≤60°,以減少層間應力。開口形狀應儘可能採用圓孔,因為圓孔邊應力集中較小。若必須採用矩形孔,則拐角處要採用半徑較大的圓角。另外在開口時,切斷的纖維應儘可能少。