随着时代的发展，碳纤维复合材料在航天航空、汽车高铁、体育用品、机械制造等领域随处可见，在其制品制造的过程中，由于碳纤维复合材料在工艺与性能方面有很大差异，导致其与传统材料的设计也存在较大区别，其中铺层设计是碳纤维复合材料设计的关键内容。

一、铺层设计的内涵

铺层设计主要进行以下内容：

确定铺层的总层数。产品总厚度h=n1h1+ n2h2+ n3h3，其中n1，n2，n3为对应材料的层数，h1，h2，h3为材料固化后的单层厚度。

确定铺层的方向角。合理的铺层角度，可优化局部件的力学性能以及其它性能，目前常用的标准铺层角度：0°、45°、-45°和90° 可以满足设计要求，也可以简化分析和制造。除纵横剪切强度试样外，只在有特殊需求时采用任意铺层角度铺层，且所用铺层角种类应尽可能少。

确定铺层各方向角所占的比例。

确定各铺层各方向角的堆叠顺序。为了减少固化过程中的变形，整体铺层顺序应该在层压板结构铺层中心线两侧对称，中心线一般位于层压板的中部区域。并且为确保均匀的铺层顺序，不同的铺层角度应该在铺层顺序中均匀分布。

二、铺层的表示

单向带铺层〔45/-45/0/-45/45/90/90/45/-45/0/-45/45〕（示例1）的表示，可以简化为〔45/-45/0/-45/45/90〕s，其中0，45，90，-45表示铺层角度，s表示铺层关于中面对称，如图1所示。

单向带铺层〔45/-45/0/-45/45/90/45/-45/0/-45/45〕（示例2）表示，可以简化为〔45/-45/0/-45/45/90〕 ，其中表示铺层关于中面单对称，如图1所示。

织物与单向带混合的铺层采用:

〔(±45)/0/(±45)/(0,90)/(±45)/90/90/(±45)/(0,90)/(±45)/(±45)〕表示，可以简化为〔(±45)/0/(±45)/(0,90)/(±45)/90〕s，其中(±45)，(0,90)为织物的铺层，如图2所示。

图2织物和单向带铺层示意图

当需要用铺层表示相应的材料时，可在右下角加材料代码的英文字母，如：

（±45）G    表示±45度的玻纤织物

（±45）K    表示±45度的凯夫拉芳纶织物

三、纤维的拼接

单向带铺层需要沿宽度方向拼接时，拼接间隙应小于1mm，不允许在垂直于纤维方向拼接，如图3所示。

图3单向带拼接间隙要求

同方向（角度）铺层需要拼接时，两拼缝间距应不小于25 mm，如图4所示。

图4同方向铺层拼接间隙要求

四、典型结构设计的注意事项

复合材料工字梁（如图5所示）可以提供较高的抗弯刚度，铺层时需要注意在各铺层组的空隙区需要用相应的纤维进行填充，且各组铺层叠加后仍保持对称。

图5工字梁铺层组示意图

复合材料T型梁（如图6所示）制造简单，工艺性好， 但其抗扭转性能差，为改善其抗扭转性能，在T型梁腹板端部采用包覆纤维的方式，提高其抗扭转性能（如图7所示）

图6 T型梁铺层示意图

针对工艺孔、定位孔的设计形式，设计成圆孔为最佳，其次为长圆孔，最差的是方孔，主要是复合材料无法像传统金属一样冲孔，加工方孔工艺性差，如图8所示。

复合材料结构需要模具成型，圆角可以改善铺贴工艺性，圆角大小与产品厚度以及模具形式有关，当产品厚度t小于2.5mm时，若阳模成型，最小半径应为2倍t厚度与3mm的最大值，若阴模成型，最小半径应满足R ≥ 2t＋1.5 mm；

当产品厚度t大于等于2.5mm时，若阳模成型，最小半径应为t厚度与5mm的最大值，若阴模成型，最小半径应满足R ≥ 2t＋1.5 mm，具体见表1。产品圆角与模具关系如图9所示。

表1产品圆角大小选型表

图9复合材料圆角与模具关系示意图

铺层设计是碳纤维复合材料结构设计的关键，如何把单层结构的优异性能传递到复合材料结构部件上，铺层设计起到了承上启下的作用。