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

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。

作者简介

沈真，中国复合材料学会荣誉理事、SAMPE北京分会副主席、江苏恒神股份有限公司高级顾问，主要研究复合材料结构强度设计和力学性能表征技术。曾在英国帝国理工学院、德国宇航研究院、意大利都灵工业大学、澳大利亚悉尼大学等国外知名院校从事复合材料力学研究工作。在40多年的科研工作中曾长期担任国防重点预研课题的负责人，参与了迄今为止几乎所有飞机复合材料结构的研制。同时在国内外的重要刊物和学术会议上发表100多篇论文，先后主持编写了多部专著和20多项国标、国军标、航空行业标准，主持翻译了大量国外文献。同时参与编写了多部学术专著。多年来共获国家科技进步二等奖1项、部级科技进步一、二、三等奖共18项，2001年被评为中国人民解放军总装备部1996~2000年预研先进个人，2006年获航空报国优秀贡献奖。

本文已获沈真授权发布