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隨著時代的發(fā)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(lǐng)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(tǒng)材料的設計也存在較大區(qū)別，其中鋪層設計是碳纖維復合材料設計的關(guān)鍵內(nèi)容。

一、鋪層設計的內(nèi)涵

鋪層設計主要進行以下內(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(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〕 ，其中表示鋪層關(guān)于中面單對稱，如圖1所示。

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。

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。

圖4同方向鋪層拼接間隙要求

四、典型結(jié)構(gòu)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(qū)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。

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(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(tǒng)金屬一樣沖孔，加工方孔工藝性差，如圖8所示。

復合材料結(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)，當產(chǎn)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(chǎn)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(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復合材料圓角與模具關(guān)系示意圖

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