復合材料結構中的主要承載材料為纖維，纖維方向的可設計性是其特點之一。迄今為止，對預浸料鋪疊成型復合材料結構中的纖維方向的定義都很籠統，一般只是規定了結構中某一點的纖維方向，其余纖維并行鋪放（圖1）。本課題基于對復合材料結構中某一組合單元在指定方向上應具有最大承載能力的要求，提出了纖維路徑的概念，并由每層纖維并行排列、連續纖維均布性、纖維面密度值固定的規定，引申出每層纖維的連續性和連續纖維均布性指標，提出了最大鋪疊寬度和最小鋪疊寬度的工藝參數，并針對一些典型曲面的纖維路徑提出了鋪疊工藝的實施方法。



復合材料結構中的纖維路徑

1　纖維路徑的定義

飛行器復合材料結構的主要功能是傳載和承載，由纖維和樹脂組成。基于此，以0°為例，飛行器結構中復合材料結構中的纖維路徑可定義為：某一層某一根的纖維路徑都應與這一層的主應力一致。

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在復合材料結構中，纖維是主要承載材料，纖維只有在張緊狀態下才能承受最大載荷。纖維張緊時，其路徑是曲面上最短的，而曲面上最短的距離一定是測地線。因此，對于圖2中結構的某一層而言，以0°為例，結構的2 邊受到載荷時，這一層的每根纖維只有按照測地線分布和排列時，才能使得纖維繃緊并承受最大載荷，即與此點主應力一致（圖3）。



2　纖維面密度為定值時的纖維路徑

1.1　纖維路徑的定義

鋪覆型面上的某一層纖維時，采用的是纖維面密度為定值、各束纖維并行排列并有一定寬度的預浸料或簾子布，這里不考慮預浸料中并行纖維之間不能滑移的問題，即并行纖維之間可滑移。每層纖維的面密度為定值，所以有一定寬度的連續纖維在曲面上的排列為主應力方向時，某些區域將有縫隙存在，這一區域只能由斷纖維填充，并在此區域做適當的補強。

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曲面上復合材料的某一層的纖維面密度為定值時纖維的路徑定義如下：先確定曲面上各個區域的連續纖維的寬度，此寬度必須近似可展，按此寬度的位置在各個對應區域上做測地線，這些測地線即為這些連續纖維的路徑，斷纖維方向應盡量與連續纖維路徑一致。

1.2　 纖維之間不能滑移時纖維路徑的定義

曲面上復合材料的某一層的纖維面密度為定值且預浸料中的并行纖維之間不能滑移時，纖維的路徑定義如下：先確定曲面上各個區域的連續纖維的寬度，且此寬度必須近似可展，按此寬度的位置在各個對應區域上做測地線，這些測地線即為這些連續纖維的路徑，斷纖維方向應盡量與連續纖維路徑一致。

由于纖維是有最小帶寬的物質，在不交疊的情況下不可能完全按照理想的纖維路徑鋪放，在路徑密集的地方就需要進行處理。如果零件厚度不增加，纖維通過這一截面的根數是一定的，由于截面面積的改變，所以這種處理只有是切斷纖維。 123,123

這樣，根據前面2 種定義，纖維在通過這一截面時可保證連續纖維數量的最大值。

（1）纖維路徑的偏差。

選定各個區域連續纖維的寬度對纖維方向的一致性具有影響，寬度越大，與對應測地線的偏離就越大，表明纖維方向的一致性差。實際上纖維寬度為1 束纖維時，此偏差最小。

（2）各個鋪層連續纖維均布性。

同理，選定各個區域連續纖維的寬度對纖維連續性和斷纖維的均布性也有影響，此寬度纖維方向的偏離自然會影響到連續纖維的量，與纖維之間能滑移情況的連續纖維量偏差大，表明纖維連續性差，斷纖維的均布性也差；反之，表明纖維連續性好，斷纖維的均布性也好。當為1 束纖維時，此偏差最小。

（3）纖維的最小展開寬度。

纖維面密度為定值時，纖維的最小展開寬度為1 束纖維的寬度。顯然，在此寬度下不用考慮纖維之間的滑移，這也是將纖維的最高效率充分發揮出來的寬度，由于手工鋪覆這一寬度的效率太低，質量一致性也很難保證，因此發明了鋪絲機。 123,123

纖維鋪放的實際情況

鋪疊所用材料為預浸料，由于纖維具有帶寬，不能完全按照理想的纖維路徑（圖4）進行鋪放，因此按照理想路線進行最近似的處理。將鋪層分成條狀鋪疊，2 條邊界都為理想的纖維路徑，但是這條狀鋪層纖維路徑按照某條邊界完全連續，斷纖維的端頭將集中分布于另一條邊界上（圖5）。這樣1 個鋪層中是由若干條這樣的條狀鋪層拼接而成，斷纖維和連續纖維將在鋪層中交替鋪放（圖6 和圖7）。



根據籠統的定義，明顯斷纖維集中分布于零件的兩側。可以使斷纖維和連續纖維在鋪層中交替，并且可以控制這種交替的頻率使斷纖維和連續纖維趨于均勻。

條狀鋪層的裁剪 copyright 123456

條狀鋪層的寬度要根據零件的外形制定，其根本宗旨是保證鋪層中纖維連續和均勻，并且使得操作最方便。

（1）確定鋪層帶寬。

帶寬的選擇要滿足：

·小于鋪疊最大帶寬；

·整個條狀鋪層能按規定路徑全

部貼敷于鋪疊曲面上；

·適合鋪疊。

（2）條狀鋪層的邊界選取。

·在最小截面線上取一點，然后根據確定的帶寬取點，直至截面線的邊界；

·過這些點，以受力方向為引導方向，以零件的鋪疊面為支持面，做測地線；

·根據這些線在鋪疊面上分割鋪層；

·將這些分割后的鋪層展開成平面，所得形狀即為所需條狀鋪層的外形；

·在厚度方向上，每層上的拼接線都盡量錯開一定距離，不要在沿厚度方向上重合（圖8）。 內容來自123456



3）45°和90°的纖維路徑。

45 °的理想纖維路徑是45 °應力方向，90 °的理想纖維路徑是90°應力方向。

新方法的意義

復合材料結構中承載纖維的關鍵是要連續和繃緊。有一種曲面鋪疊方法是將等高線做為基準，其具體做法是用一組平行的平面去切割曲面，將交線做為鋪層的基準方向并且作為小鋪層的拼接線。這種方法對于平面是正確的，但是對于曲面時就會出現問題，在鋪疊并排的小鋪層時會出現不規則形狀，在預浸料的邊緣出現大量的斷纖維，有的地方甚至所有的纖維都是斷的，這種現象會隨曲率的變化而加劇。顯然，斷了的纖維不能傳遞載荷，只有在垂直于切割平面的附近的纖維是連續的，這種方法不合理（圖9、圖10）。 本文來自123



此方法并沒有增加連續纖維的數量，由于對于一層來說厚度不能增加，所以這個曲面的最小截面決定了其連續纖維的數量。但是增加的是繃緊的連續纖維的數量，理想的情況是所有連續的纖維都繃緊。如果某處曲率變化較大，則需要采取相應的措施。

同時此方法利用現有的設備，路徑的細化、預浸料的切割、鋪疊中的定位都可以解決，而且鋪層鋪疊時變形小、容易鋪疊，這樣在工程化生產中其質量一致性完全可以保證，如果將此方法進一步推廣，采用自動鋪疊設備完成則更加合理。

結束語

按照上述新方法可以部分解決雙曲面的纖維路徑和鋪疊之間的關系，尤其是機身和整體結構。

單位：北京航空制造工程研究所 作者：薛向晨　梁憲珠　常海峰　張西偉