3.1　复合材料设计概述[1]

一种复合材料中至少应包含两种主要的组成相，一是连续相，称为复合材料的基体，它可以是金属，也可以是无机非金属（陶瓷、玻璃等），或有机非金属（天然聚合物或合成聚合物）。另一相是分散相，同样由金属、无机非金属、有机非金属制得。分散相的形式目前主要有纤维、颗粒、晶须等，分散相按功能主要分为增强体和功能体，增强体用于结构复合材料，起到承受载荷的主体作用，而功能体用于功能复合材料，使复合材料具有光、电、声、热、磁等特殊功能。但现在也在发展结构功能一体化的复合材料。分散相通过连续相固结在一起，就形成一种多相的复合材料体系，这样的复合体系实际上是一种材料结构。

这种多相的材料体系可以有很多种不同的组合形式，而不同的组合得到的复合材料的性能则大不相同，这样在实际应用中，就给人们提供了一种可能性，即按不同的使用要求对复合材料的组合形式进行设计，而得到各种不同结构形式的复合材料，这就是复合材料最基本的创新点。它为复合材料的发展和应用开拓了极为广阔的前景，复合化已成为新材料发展的一个重要趋势。

同其他材料一样，设计是复合材料开发应用的第一个环节，但由于复合材料独具的特点，在结构设计中就表现出不同于传统材料（如金属、陶瓷、工程塑料等）结构设计的特点，主要有：

1.材料的可设计性

除轻质高强外，复合材料另一个最大的优点就是性能的可设计性。传统材料的结构设计，材料是直接选用的，即按结构的服役要求，在有确定性能数据的各种材料中选用合适的材料牌号与规格，相对来说，这种设计要简单得多。而在复合材料的结构设计中，材料本身就是一种复合的多相结构，而这种复合结构就是结构所要用的材料，如前所述，这种复合材料体系是可以根据设计条件（如性能要求、载荷情况、环境条件等）进行设计的。

最典型的情况是目前使用最多的各种薄壁结构中所用的复合材料层压结构，这种层合板（也称层压板）是由单向纤维预浸渍树脂基体制成预浸带，再将预浸带按设计要求切割成不同尺寸和形状的层片，然后将层片逐层叠合并固化而成，因此它是一种层合结构。如果所有单层都处于同一方向，则称为单向层合板，如果单层按不同方向构成层合板，则称为多向层合板。

单向预浸带沿纤维方向与垂直纤维方向的性能差别很大，因此按不同的方向铺设不同比例的单向带，就可以设计出不同性能的层压板来满足不同的结构要求，这样的设计称为层压板设计，也称铺层设计。这种设计得到的复合材料不同于均质的各向同性的金属材料，它在宏观表现出非均质，且是各向异性的。这种性能可设计性也称为性能“剪裁”。通过这种“剪裁”，使复合材料得到优于传统材料的两大优点：一是材料的性能优异，除轻质高强外，还具有抗疲劳、耐腐蚀、结构整体化成型等优点；二是材料的效率充分发挥，真正做到“物尽其用”。例如，在主承力方向可以适当增加纤维含量比例而达到提高承载能力的效果，而不需要额外增加结构的重量，这对于航空航天结构显得尤其重要。所谓复合材料的可设计性，其灵魂可以说就是这种纤维取向和分布的优化。当然这种各向异性的可设计性给结构设计、分析和制造增加了困难，但是也给复合材料的设计创新带来了非常广阔的空间。

2.材料设计和结构设计同时进行

如前所述，复合材料是一种多相组合的材料体系，它不同于金属材料，在作为结构件使用时，不是现成提供的，而是通过专门的设计得来的。因此，复合材料结构设计分为两个层次，即材料设计和结构设计，而这两个层次是统一的。结构设计包含材料设计，而且是从材料设计开始，材料设计是结构设计的主要内容，这两者是同时进行的。比如一种层压复合材料结构件，所用的材料就是复合材料层压板，在设计时必须从正确选择基体材料和纤维增强材料开始，再按结构的受力特点进行层压板的铺层设计，铺层设计主要任务是确定层合板内不同方向的纤维排放比例以及可变厚度的局部加强。通过分析计算，得到能满足结构承载要求同时又能最大限度地提高材料效率、减少材料用量的最佳优化方案。这样设计出来的复合材料层压结构也就是结构设计所要求的最终结构形式。在此基础上，再增加一些诸如加工、连接和装配等方面的设计，最后形成结构设计的完整方案，但其核心内容是开始阶段的材料设计，这是复合材料结构设计的另一个特点。作为一门新兴的新材料技术，它为结构设计师提供了更多的设计空间，也带来了更多的挑战，这也是复合材料推广应用最吸引人的地方。

3.1.1　复合材料设计基础

复合材料结构设计的基础是复合材料力学以及由它发展起来的复合材料结构力学。复合材料的材料力学是从研究由纤维和基体组成的单层的力学性能开始，进而研究由单层组合的层压结构的力学性能；复合材料结构力学的研究对象是典型的复合材料结构件，如杆、梁、板、圆壳等。这两者构成了复合材料结构的设计技术基础，因为任何的复合材料结构件都可以认为是这些典型件的组合，只不过是不同的结构件有不同的技术要求而已。

有时也将上述两者统称为复合材料力学。复合材料力学是在20世纪60年代为高性能纤维增强树脂基复合材料的结构设计而发展起来的一门新兴的固体力学分支。它是在传统材料力学基础上针对复合材料多相组成的特点加入许多新概念和新内容，因此涉及的范围更广，研究的内容更多。

首先，常规材料存在的力学问题，如结构在外力作用下的强度、刚度、疲劳、断裂等问题，在复合材料中依然存在，但由于复合材料有不均匀和各向异性的特点，以及由于材料几何（各材料的形状、分布、含量）和铺层几何（各单层的厚度、铺层方向、铺层顺序）等方面可变因素的增多，上述力学问题在复合材料力学中都必须重新研究，以确定那些适用于常规材料的力学理论、方法、方程、公式等是否仍适用于复合材料，如果不适用，需进行修正。

其次，复合材料中还有许多常规材料中不存在的力学问题，如层间应力（层间正应力和剪应力耦合会引起复杂的断裂和脱层现象）、边界效应以及纤维脱胶、纤维断裂、基体开裂等。

最后，复合材料的材料设计和结构设计是同时进行的，因而在复合材料的材料设计（如材料选取和组合方式的确定）、加工工艺过程（如材料铺层、加温固化）和结构设计过程中都存在力学问题。

复合材料是一种多相结构，包含增强相、基体相与界面相，对于层压复合材料而言，它又是一种多层次的复合结构，一种层压复合材料中至少包含三种不同的层次结构，第一是基体和增强体，以及它们之间的界面；第二是纤维和基体组成的单层；第三是由各单层复合而得到的层合板，每个层次具有各自的结构特点，在复合材料力学中分别定义为微观、细观与宏观结构，而它们又具有各自的力学行为特征，因此复合材料力学又细分出有针对性的微观力学、细观力学与宏观力学。

微观力学是研究复合材料组分之间的相互影响，以此预测复合材料的宏观力学性能。微观结构的力学行为非常复杂，影响因素很多，如纤维与基体的力学性质、含量、纤维的几何形态及排列布置，纤维与基体间的界面性能等。给试验、检测和分析带来很大困难，而且分析结果往往不能尽如人意。现在，复合材料力学主要研究的内容是单层板和层合板的力学特性，也就是细观力学与宏观力学。

3.1.1.1　细观力学

细观力学是以纤维沿一个方向的平行分布所形成的单层板为对象，研究其在各种载荷下的力学行为特征，以此为基础来进一步研究复合材料的宏观力学性能，为复合材料的设计、制造提供依据。单层是指用连续排列的平行纤维浸渍树脂基体制成的层片，在复合材料技术中通常以单向预浸带的形式提供。

单层的力学性能决定于所用的纤维和树脂基体以及它们的结合情况，纤维是承受载荷的主体，但纤维必须由基体牢固地黏结在一起才能更有效地提高单层强度，因此正确选择基体和纤维以及保证它们之间的复合效果是复合结构设计非常重要的第一步，这属于微观力学的范畴。

细观力学假定单层板是均质各向异性的，只考虑单层板中沿纤维方向的力学性能与垂直纤维方向的平均“表观”力学性能，而不考虑它们之间的相互影响。而且由于层合板中的单层厚度很薄，垂直于单层面的法线方向的应力分量与面内的应力分量相比很小，可以忽略不计，因此单层细观力学分析可简化为广义的二维平面应力问题，只考虑单层面内的强度和刚度，这样就可以沿用传统材料力学中的平面力学分析方法，进行各单层的力学性能分析。

细观力学的分析对象是从单层中取出一个如图3-1和图3-2所示的代表性体积单元，它不能是无限小的单元体，而是必须能够代表复合材料的细观结构，因而足以用它表征单层的基本性能，如拉、压、剪作用下的强度和刚度等。

在进行细观力学分析时，将单向层面内沿纤维的方向定义为纵向；垂直于纤维的方向定义为横向。纵向和横向统称为主轴方向，也称1向和2向。12坐标系为材料的主坐标系，又称正轴坐标系，如图3-2（a）所示。实际的层合板中各单层的纤维取向是不同的，在细观分析时将具有不同纤维取向的坐标系表示为x-y坐标系，又称偏轴坐标系，如图3-2（b）所示。这两个坐标系之间的夹角称为纤维的铺向角（铺层角）。

若将单层沿纤维逐层叠合就得到单向层压板，单向层压板很少在结构中单独采用，但经常用来进行力学试验，测量单层的力学性能数据，如纵向、横向的拉伸和压缩强度及模量，面内剪切强度和模量等，再用这些数据通过坐标体系的转换计算出各种偏轴的强度和刚度。简言之，这就是复合材料设计的细观力学基础，也是多向层压板铺层设计的基础。

应该指明，在细观力学分析中，假定单层板在表观上是各向异性的均质体，但实际上，单层板的性能包含多种复杂多变的微观层次上的影响因素，如基体和纤维的性能、纤维含量、纤维和基体的界面，以及成型工艺和工作环境的影响等。这些都是在单层板的分析中无法精确预测的，因此微观力学理论模型计算得到的单层板性能参数与实际的试验结果有时相差很大，这些问题还处于继续研究之中。

3.1.1.2　宏观力学

如前所述，将具有不同纤维取向的各单层叠合在一起就成了多层的层合板，如果纤维沿同一个方向叠合，得到的就是单向层合板，但普遍应用的是用不同纤维取向的单层叠合而得到的多向层合板。在复合材料技术中，将单层片叠合的铺放顺序称为铺层编码，不同的铺层编码，所得到的层合板的铺层结构也不相同。如图3-3所示的是一种沿厚度方向有一个对称中面的对称层合板，在这种层合板中，沿厚度方向的各层的纤维取向是对称的。此外还有正交层合板、角交层合板、非对称层合板、反对称层合板和非均衡层合板等其他形式，因此，复合材料层压板的设计是一个非常具有挑战性的课题，它可以根据不同的结构要求，设计出许多高性能的层压结构。

复合材料宏观力学是以层合板为研究对象，在细观力学对各单层分析的基础上，研究层合板的总体表观性能，分析层合板在载荷作用下拉伸、压缩、弯曲、剪切、屈曲等问题。

层合板由不同纤维取向和几何尺寸单层组成，宏观上是各向异性的，层合板不一定有确定的主方向。另一方面，层合板在厚度方向具有非均匀性和力学性质的不连续性，使层合板的力学分析变得更为复杂。

基于层合板大多是厚度很小的平板材料，因此在进行宏观力学分析时，可以作一些必要的假设，包括层间变形一致性假设——层合板各单层之间黏合层非常薄，单层边界两边的位移是连续的，层间不能滑移，无相对位移；直法线不变假设——假设垂直于层合板中面的一根初始直线，在层合板受到拉伸和弯曲后，仍保持直线并垂直于中面，且长度不变。这实质上是忽略了层合板垂直中面方向，即法线方向的应力和应变，通过这样的假设，就把层合板处理成均匀的各向异性的薄板材料，将三维的弹性力学简化成二维问题。

宏观力学的出发点是研究层合板总体性能与各单层的关系，当层合板用作结构材料时，强度和刚度就成为主要的关注问题，当前提出的各种预测层合板强度的方法主要是通过单层板的强度来预测整个层合板的强度。单层板的强度计算属于细观力学的范畴。

目前研究层合板强度主要有两种考虑，一种是最先一层失效，即在外载荷按比例增加的过程中，强度比最小的那一单层将首先破坏；另一种最后一层失效，认为对于复合材料层合板，最先一层的破坏并不一定等同于整个层合板的破坏，虽然某个或者某几个单层板的破坏会带来层合板刚度的降低，但层合板仍然有可能承受更高的载荷，因而可以继续加载直到层合板中各个铺层全部失效破坏，此时层合板的强度称为层合板的极限强度，其对应的载荷称为极限载荷。因此，层合板的强度分为最先一层失效强度与极限强度。在实际分析时，这两种情况是很难准确把握的，应根据具体情况以某一状态作为判定层合板是否失效的依据。

从结构应用的层次上考虑，复合材料的宏观力学性能不仅受材料微观结构、细观结构以及成型工艺质量的影响，还与服役的环境有关，由于树脂基体对服役环境的温度和湿度都非常敏感，复合材料的湿热效应也是结构设计中必须考虑的问题。

复合材料的结构设计与其他工程设计一样，其目的是要实现经济效益与社会效益的完美结合，即要以尽可能低的成本制造出性能优良、外表美观、安全可靠、使用方便的构件或产品。而在可持续发展的重要性日益突显的当代社会，绿色设计和绿色制造被提到了越来越高的地位，在这方面，纤维增强复合材料以其性能可设计性而体现出一种特殊的优越性。也正因为如此，复合材料力学得到不断发展，从经典的层压结构力学发展到多纤维编织结构、混杂增强结构、纳米改性增强结构、多功能化和智能化结构的复合材料力学。随着复合材料技术与其他现代高新技术的进一步融合，将会有更多的新型产品得到开发和应用，这将为复合材料力学增加更多的研究内容和课题。

3.1.2　复合材料设计原则和方法

3.1.2.1　复合材料设计一般原则

复合材料是一种多相的材料体系，复合材料结构设计的特点是材料设计与结构设计同时进行，在材料设计阶段就应考虑如何实现复合材料的高效率、低成本和绿色化。具体而言，应着重考虑：

1.提高结构效率

（1）优化铺层设计。充分利用复合材料性能可设计性的特点，扬长避短，发挥沿纤维方向的优良性能，避免使用弱的横向性能和剪切性能。

（2）针对复合材料对缺口、裂纹、分层等缺陷的敏感性，合理选择层压板的组成和构形，要注意对某些敏感区的局部铺层设计：如在连接区、局部冲击区、应力集中点、开口附近等处的铺层一般应进行局部调整和加强；在结构尺寸和结构外形突变区要设计铺层过渡；采取相应措施弥补层压复合材料的某些区域易产生分层，从而可能引发的结构承载能力下降或失效的问题。

（3）提高结构整体性。复合材料具有整体化成型制造大型复杂制件的优点。设计中在不增加工装复杂程度的情况下应尽量减少零件数量，设计成整体件。这样可不用紧固件或减少紧固件的数量，减轻结构重量，提高结构效率，并可降低钻孔、装配和由孔引起的应力集中以及制造成本。

2.结构要求良好的工艺性

设计必须保证能制作出高质量和低成本的结构，尽量避免成型和装配时可能出现的各种缺陷：

（1）避免铺层设计不合理带来的工艺性问题，如铺层、装配不对称或同一铺向角的铺层数过多集中使构件在固化过程中产生翘曲变形、树脂裂纹，甚至分层。

（2）由于树脂基体较脆，所以复合材料结构不能用锤铆的方法装配，设计时要考虑工艺补偿措施。例如，可在碳纤复合材料构件外表面贴以玻璃布辅助铺层，通过对该辅助层的加工来控制公差要求。

（3）便于维修。与金属结构一样应使结构具有通畅性和可达性。同时对复合材料所允许的缺陷/损伤的类型和水平，适用于复合材料的无损检测技术以及修理材料、修理方法等，都需要建立相应的标准和规范。

（4）合理的连接设计。影响复合材料结构和连接强度的因素比金属结构要复杂得多，因此复合材料结构的连接设计与金属结构有不同的内容和特点，必须予以足够的重视。

（5）要考虑结构与环境的相容性。包括湿热老化对性能的影响，腐蚀、雷电、静电等防护设计。

需要特别指出的是，复合材料更要强调设计与制造工艺一体化。复合材料的特点是材料与结构同时形成，典型结构件如杆、梁、板、圆壳等的连接可以在材料（同时也是结构）形成的同时，采用共固化、缝合、编织和Z-pin等工艺来实现，从而可一次性地设计与制造出具有复杂功能的大型整体结构件，大大减少零件与紧固件的数量，并可大大减少机械加工和装配工作量，大幅度减重、提高性能和降低制造成本。

3.1.2.2　复合材料设计方法

与金属结构设计不同，复合材料结构设计充分体现出材料与结构一体化的特点，综合设计思想在复合材料结构设计中的体现非常突出。一般情况下，金属结构设计是根据手册提供的性能数据，选择所需材料的牌号和规格，然后进行具体的结构设计。而复合材料结构设计选材时就必须同时考虑材料的机械性能、使用环境和工艺性（如树脂体系的固化温度、固化时间和工艺方法）等因素。因为复合材料是结构设计与材料设计同时进行，材料与结构一次成形，所以在设计时既要对组成构件各部分的层合板参数进行设计，还要选择构件的构造形式和几何尺寸。在初步设计阶段就应对结构的可维护性、可修理性和维修的费用进行考虑与评估。

复合材料设计从设计要求开始，材料设计包括结构选材、单层性能设计和层合板设计，而结构设计是在层合板设计的基础上，针对不同的技术要求进行典型件的设计和最终结构件的设计。

1.设计要求

明确设计要求是复合材料设计的第一步，即根据使用目的提出对结构的性能要求、规定载荷情况、环境条件、结构几何形状及尺寸限制等，这些内容往往要经过使用部门、设计部门、材料和制造加工部门多次反复地研究和协商，最后形成的结论意见以任务书的形式提出。

（1）结构性能要求。复合材料结构除要满足金属结构的一般要求外（如刚度、强度等，还有一些特殊要求，主要表现在结构耐久性和损伤容限的要求。

复合材料大多以层合板结构的形式提供，因此与金属结构不同，复合材料结构耐久性的主要考虑不是疲劳寿命和腐蚀，而是如何抗冲击损伤。要考虑使用中由低能量冲击所引起的损伤，装配、维护和搬运过程中工具掉落、人员踩踏所引起的损伤等。冲击损伤的主要形式是层间的局部分层、纤维部分断裂，有些低能量的冲击损伤在制件表面看不出来，但在服役过程中会逐步变大，成为一种潜在的危险，因此要采取提高结构抗冲击损伤能力的措施，如选用韧性高的树脂基体等。

损伤容限要求是指含有缺陷的结构在规定的使用期内应有足够的剩余强度，复合材料结构缺陷的主要形式是冲击损伤、分层和划伤，在设计时，通常是假定一个缺陷初始尺寸来进行结构的剩余强度分析。

除强度和刚度外，还要考虑结构的特殊功能要求，如耐腐蚀、防静电、抗雷击、透波、电磁屏蔽、阻燃等。

（2）工艺要求。在满足高性能的前提条件下尽量考虑采用低成本制造工艺。当前发展低成本制造技术主要有：非预浸料成型的液体成型技术，包括树脂传递成型及其派生技术；改善损伤容限和层间性能的纤维编织、缝合等三维增强技术，以及高度自动化的纤维铺放技术和预浸带自动铺放技术；非热压罐固化成型技术，包括电子束、超声、微波固化技术；大型结构整体化共固化、共胶接成型技术等。

（3）使用环境要求。使用环境要求主要考虑湿热环境。主要是指复合材料服役的大气环境，即温度和湿度条件，它们对复合材料结构性能的影响方式不同，温度影响是通过热传导在较短时间内发生作用，而湿度影响是由复合材料的树脂基体吸进湿气，含水量逐渐增加，历经较长的时间。但这两者的作用是综合的，高温下吸湿速率和吸湿量都会增大，吸湿量有饱和程度，也就是最大吸湿量，不同树脂基体有不同的最大吸湿量，如环氧树脂基体，有研究表明，最大吸湿量质量分数可达0.3％～0.6％，造成复合材料的层间剪切强度下降达20％。这是因为吸进的湿气对基体能起到一种增塑作用，使网状交联的立体分子结构产生链段松弛，玻璃化转变温度和胶接强度都要下降，因此在设计选材时，要明确树脂基体的最高工作温度和最大吸湿量，在设计分析时，要综合考虑湿/热条件下的应力分布。在选材时，要具备树脂基体的湿热老化性能数据，必要时要进行湿热老化试验，得出相应的性能数据。

2.材料设计

材料设计包括结构选材、单层设计和层合板设计。

（1）结构选材。对于纤维增强复合材料而言，结构选材主要是选用树脂基体和增强纤维。一般原则是：

①满足结构轻质高强的要求。这是通过结构选材来实现的。比强度、比刚度高的组分材料，如碳纤维是首先考虑入选的材料，但碳纤维成本高，因此在发展低成本碳纤维的同时，在满足结构强度、刚度的前提下，也可考虑混杂纤维的增强方式。另外就是复合材料的韧性，这取决于树脂基体，涉及冲击损伤阻抗和含缺陷/损伤后的剩余强度、开孔拉伸和压缩强度、以及连接挤压强度等性能。

②满足结构使用环境要求。使用温度应高于结构最高工作温度。在最严重的工作环境条件（如湿/热）下，其力学性能不能有显著下降；长期工作环境下，力学性能稳定。

③满足工艺性能要求。应具有良好的工艺性（成型固化工艺性、机械加工性、可修补性等），其中成形固化工艺性包括树脂黏性、铺覆性、成形固化工艺参数（温度和压力、加压带宽度、储存期、流动性等）。

④满足低成本化和绿色化的要求。在满足结构完整性要求下应尽量选用价格低的材料，在结构选材时，应尽量使用性能已得到充分表征、有使用经验和有可靠且稳定供应渠道的材料。若选用未使用过的新材料，应通过足够的验证试验后才能选用。

所选用的材料要尽量能满足无污染或低污染的成型工艺要求，要尽量做到能回收、再生和循环使用。

（2）单层设计。单层设计是根据所选用的组分材料来确定它们的组合形式，对纤维增强树脂基复合材料，单层设计要考虑纤维和树脂基体的类型、性能、含量、纤维取向以及它们之间的界面结合等影响因素。单层设计是层合板设计的基础，最典型的情况是纤维为同一方向排列的单层设计，它的性能可通过微观力学的分析来预测，但通常是采用单向层合板的力学性能试验来获取的。

（3）层合板设计。层合板设计的主要任务是在单层设计的基础上确定所用单层的数量及各自的纤维取向，层合板的设计也就是铺层设计。层合板设计应考虑以下原则：

①铺层定向原则。尽可能选择0°、90°和±45°四种铺层方向，也可采用±30°或±60°的准各向同性铺层。以避免铺层角过多而使设计复杂化。

②铺层对称均衡原则。除特殊要求，应采用对称均衡铺层，避免耦合挠曲；如需要采用非对称或非均衡铺层，应考虑工艺变形限制，将非对称和非均衡铺层靠近层压板中面以减少工艺变形。

③纤维取向按载荷选取原则。单层0°方向尽量与面内拉伸或压缩载荷方向一致，以充分利用纤维沿其轴向的高强度和高刚度；±45°方向铺层用以承受面内剪切应力；90°方向纤维用以改善横向强度和调节泊松比。

④铺层比例分配原则。由0°、90°和±45°单层组成的层压板中，任一个角度单层数的比例应不小于6％，也可选择[0°/90°]、[±45°]、[0°/±45°]铺层。同一铺层角的单层不宜过多集中在一起，超过4层时易产生树脂基体纵向开裂和层间应力提高。

⑤铺层顺序原则。应使各铺层尽量沿层压板厚度均匀分布，铺层顺序应兼顾强度、刚度、稳定性、损伤阻抗和损伤容限。应尽量用0°、90°层将±45°层隔开，同样也应尽量用±45°层将0°、90°层隔开。

⑥变厚度设计原则。变厚度构件的铺层差、各层台阶设计宽度应相等，台阶宽度应至少大于2.5mm。为防止台阶处层间剥离破坏，表面应有连续铺层覆盖。

目前层压板的设计方法主要有等代设计法、准网络设计法、毯式设计法、主应力设计法、层压板优化设计法等。

3.1.2.3　复合材料结构设计概念创新

经过几十年的发展及使用经验的积累，复合材料设计概念不断发展，一些具有创新性的设计概念陆续出现，使复合材料高比强度、高比刚度、性能可设计、易于成型的优点得到进一步发挥，同时更加有效地避免层间强度低、开口处应力集中、与铝合金会产生电偶腐蚀等缺点，达到扬长避短的目的。

1.“整体化”设计概念

复合材料具有整体化成型的优点，可采用共固化、共胶接、纤维预型件结合液体树脂成型技术（如树脂传递成型及其派生技术）制造出比较复杂的整体结构件。

“整体化”设计概念是力求充分利用复合材料的整体化成型特点和不断创新的工艺方法，提高复合材料结构整体化的程度。一般可采用以下途径来实现这一目的。

（1）采用共固化或共胶接的组合件。飞机翼面结构的整体加筋板是应用最广泛的一种整体组合件。

（2）采用新型的成型技术。如纤维缠绕是一种快速高效的先进制造工艺，能充分发挥纤维的承载能力。火箭壳体大多采用这种成型工艺，现在纤维缠绕已发展到连续纤维丝束自动铺放和连续预浸带自动铺放技术，已用于波音B-787机身段和F-22进气道的成型。

（3）采用全高度蜂窝夹层结构。在飞机翼面的前缘或后缘采用全高度蜂窝夹层结构可以减少零件及紧固件数量，也可减轻结构重量或增加结构刚度。

（4）研制翼身融合整体。这是目前飞机复合材料结构设计和制造技术的一个重要发展方向，其目的是在关键或主要结构中更充分地发挥复合材料的优点，来进一步改善结构的受力特性。

（5）采用各种纤维预型件和液体树脂成型技术制造整体化结构，如三维编织、缝合、针织等。

2.智能化结构设计概念

智能化结构是将复合材料技术与现代传感技术、信息处理技术和功能驱动技术集成于一体，通过埋置在复合材料结构内部不同部位的传感器感知内外环境和受力状态的变化，并将感知到的变化信号通过微处理机进行处理并做出判断，向执行单元发出指令信号，而功能驱动器可根据指令信号的性质和大小进行相应的调节，使构件适应这些变化，整个过程完全是自动化的，从而实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自我保护等多种特殊功能。

智能化结构是复合材料结构发展的一个新阶段，主要用于高性能航空航天器对结构快速反应的要求，也大量用于船舰、桥梁、建筑等领域，目前大多采用光纤传感器技术，将光层纤维嵌入复合材料中的不同部位，通过光纤的感知来预报结构在使用期间的内部损伤情况。