碳纤维层合板的设计主要包括铺层角度、铺层厚度、铺层比例和铺层顺序.铺层角度是指轴向与材料主方向的夹角,铺层比例是指每个角度铺层占铺层总数百分比,铺层顺序是指各种铺层角度的组合方式。碳纤维层合板铺层设计的一般原则如下:
1、铺层定向原则
铺层角的种类应尽量少。在实际应用中0°、±45°和90°四种铺层角度应用最多。
2、按载荷选择铺层取向原则
纤维方向尽量与外载荷方向保持一致, 如下图所示。
3、均衡对称铺设原则
碳纤维复合材料具有耦合变形现象,若结构为非对称均衡铺设,固化后会产生耦合变形,而对称铺设不会产生耦合变形。
4、铺层最小比例原则
为了防止基体受力,减小湿热应力,使连接处材料的泊松比更协调、减少由连接产生的应力,对于方向为0°、±45°和90°的铺层,铺层比例一般都要大于10%。
5、变厚度设计原则
为了避免厚度突变引起的应力集中,变厚度铺层设计时铺层数应按台阶数逐渐变化。各层台阶差要相等且宽度不小于2.5mm,结构表层采用连续铺层避免台阶处分层破坏。
6、连接处的设计原则
若采用机械连接,与钉受力方向相同的铺层要占总铺层的30%以上,以满足挤压强度的要求;与钉受力方向成45°的铺层要占总铺层的40%以上,这样可以增加剪切强度,也利于扩散载荷、减少孔的应力集中。
7、冲击载荷处的设计原则
层合板中承受冲击载荷的部位应该有足够的纤维铺设,并且要有足够的45°的铺层来扩散载荷,足够的0°铺层来承受局部冲击载荷。对于经常受到面外冲击的复合材料结构,其表面的纤维铺层应该均匀分布在各个方向,相邻两层的夹角要小。