隨著時(shí)代的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料在航天航空、汽車高鐵、體育用品、機(jī)械制造等領(lǐng)域隨處可見，在其制品制造的過程中，由于碳纖維復(fù)合材料在工藝與性能方面有很大差異，導(dǎo)致其與傳統(tǒng)材料的設(shè)計(jì)也存在較大區(qū)別，其中鋪層設(shè)計(jì)是碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。

一、鋪層設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

鋪層設(shè)計(jì)主要進(jìn)行以下內(nèi)容：

確定鋪層的總層數(shù)。產(chǎn)品總厚度h=n1h1+ n2h2+ n3h3，其中n1，n2，n3為對應(yīng)材料的層數(shù)，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(yōu)化局部件的力學(xué)性能以及其它性能，目前常用的標(biāo)準(zhǔn)鋪層角度：0°、45°、-45°和90° 可以滿足設(shè)計(jì)要求，也可以簡化分析和制造。除縱橫剪切強(qiáng)度試樣外，只在有特殊需求時(shí)采用任意鋪層角度鋪層，且所用鋪層角種類應(yīng)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(yīng)該在層壓板結(jié)構(gòu)鋪層中心線兩側(cè)對稱，中心線一般位于層壓板的中部區(qū)域。并且為確保均勻的鋪層順序，不同的鋪層角度應(yīng)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(guān)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。

圖2織物和單向帶鋪層示意圖

當(dāng)需要用鋪層表示相應(yīng)的材料時(shí)，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(shí)，拼接間隙應(yīng)小于1mm，不允許在垂直于纖維方向拼接，如圖3所示。

圖3單向帶拼接間隙要求

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

圖4同方向鋪層拼接間隙要求

四、典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

復(fù)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(shí)需要注意在各鋪層組的空隙區(qū)需要用相應(yīng)的纖維進(jìn)行填充，且各組鋪層疊加后仍保持對稱。

圖5工字梁鋪層組示意圖

復(fù)合材料T型梁（如圖6所示）制造簡單，工藝性好， 但其抗扭轉(zhuǎn)性能差，為改善其抗扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)性能（如圖7所示）

圖6 T型梁鋪層示意圖

針對工藝孔、定位孔的設(shè)計(jì)形式，設(shè)計(jì)成圓孔為最佳，其次為長圓孔，最差的是方孔，主要是復(fù)合材料無法像傳統(tǒng)金屬一樣沖孔，加工方孔工藝性差，如圖8所示。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需要模具成型，圓角可以改善鋪貼工藝性，圓角大小與產(chǎn)品厚度以及模具形式有關(guān)，當(dāng)產(chǎn)品厚度t小于2.5mm時(shí)，若陽模成型，最小半徑應(yīng)為2倍t厚度與3mm的最大值，若陰模成型，最小半徑應(yīng)滿足R ≥ 2t＋1.5 mm；

當(dāng)產(chǎn)品厚度t大于等于2.5mm時(shí)，若陽模成型，最小半徑應(yīng)為t厚度與5mm的最大值，若陰模成型，最小半徑應(yīng)滿足R ≥ 2t＋1.5 mm，具體見表1。產(chǎn)品圓角與模具關(guān)系如圖9所示。

表1產(chǎn)品圓角大小選型表

圖9復(fù)合材料圓角與模具關(guān)系示意圖

鋪層設(shè)計(jì)是碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，如何把單層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能傳遞到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件上，鋪層設(shè)計(jì)起到了承上啟下的作用。