密级:
硕士学位论文
纤维变角度牵引铺缝技术在
复合材料开孔/开窗结构上的应用研究
作者姓名：秦永利
指导教师: 范欣愉研究员中科院宁波材料所
祝颖丹副研究员中科院宁波材料所学位类别: 工程硕士
学科专业: 材料工程
研究所: 中国科学院宁波材料技术与工程研究所
2013年5月
Application of Variable Angle T ow Placement in
Composite Structures with a Hole / Window
By
Qin Yongli
A Dissertation Submitted to
University of Chinese Academy of Sciences
In partial fulfillment of the requirement
For the degree of
Master of Material Engineering
Ningbo Institute of Material T echnology＆Engineering.
Chinese Academy of Sciences
May, 2013
摘要
纤维变角度牵引铺缝技术（V ariable Angle Tow Placement，简称VAT技术）是近年发展起来的一种制备变刚度复合材料的新型纤维自动铺放技术。VAT技术通过控制纤维牵引方向，在各单层内可自由设计连续变化的纤维取向，同时对结构的刚度和强度进行优化裁剪，由此制得的变刚度复合材料，与传统的复合材料相比，在减轻结构重量、提高结构性能和降低制造成本等方面显示出极大的优势和发展潜力。目前，VAT技术已经成功应用于航空航天、国防、交通运输、土木建筑、化工机械等领域。
本文对V AT技术的国内外研究现状进行了全面的综述，通过对比研究基材的综合性能优选出V AT用基材，在国内首次开展了基于VAT技术的复合材料开孔补强技术研究，分析了补强片形式、补强片厚度、补强方式及补强范围等因素对中心开孔复合材料层合板补强效果的影响，并对单剪搭接螺栓连接的复合材料层合板进行了深入的补强实验研究。此外，本文以拉压杆的制备为例对V AT技术制备复合材料开孔/开窗结构件进行了探索性研究，并成功研发出碳纤维复合材料电动汽车侧围等开孔/开窗结构部件。论文的研究可为复合材料开孔补强技术、复合材料螺栓连接补强技术以及开孔/开窗结构件的制备提供一种新的途径，为V AT技术制备高性能变刚度复合材料奠定理论基础和提供实验指导。本研究对促进先进铺放技术在我国航空航天和高性能民用复合材料领域的应用亦具有重要的实际意义。
本论文主要工作如下：
1、对比研究了玻璃纤维表面毡、尼龙筛绢及PP无纺布三种基材的操作性能以及其对复合材料结构和性能的影响。实验结果表明，尼龙筛绢的可操作性能最好；基材的引入会导致复合材料的力学性能降低，含三种不同基材的环氧/碳纤维复合材料层合板试样的力学性能从好到差依次为含玻璃纤维表面毡试样、含尼龙筛绢试样、含PP无纺布试样；当仅考虑VAT复合材料制件力学性能时，可优先选择纤维表面毡作为基材，若需要同时考虑制件力学性能并兼顾减重及厚度等要求，可优先选择综合性能最佳的尼龙筛绢作为基材。
2、采用VA T技术制备环形和椭圆形VA T补强片，从补强片形式、补强厚度、补强方式、补强材料、补强范围等方面对复合材料开孔层合板补强进行了详细的实验研究。结果表明，VAT补强片能够有效地提高复合材料开孔层合板的性能，其中椭圆形V AT补强片面外补强效果最佳，其最大拉伸载荷相对于开孔未补强层合板和纤维布补强开孔层合板分别提高了103.9% 和42.4%，达到未开孔层合板的
94.3%；面外补强由于基材与母体材料易发生过早分离而优于夹层补强；对于复合材料薄板，增加补强片的厚度对补强效果影响较小；对玻璃纤维复合材料层合板进行开孔补强，采用玻璃纤维补强效果优于碳纤维；补片补强存在一个最佳的补强范围，在本文研究的条件下，环形V AT补强片半径与开孔半径之比R/r在3.25～3.75之间，而椭圆VAT补强片长径与短径之比a/b取值在1.5～1.8之间时，综合补强效果最好。此外，本文进一步通过有限元分析和微观结构分析对V AT补强片补强机理进行了初步的探索研究。当构件承受载荷时，在V AT补强片补强区域，载荷通过界面材料传递到补强片结构上来，载荷在补强片和母板中按照刚度分配的原则重新进行分配。随着载荷的增加，补强片和母板开始发生分层损伤。当载荷增加到一定值，补强区域补强片与母板严重分层部位的母板发生断裂破坏。
3、提出一种简单高效的补强片设计方法，并采用V AT技术制备了两种补强片，对以单剪搭接形式螺栓连接的复合材料层合板进行了深入的补强实验研究。结果表明，采用V AT补强片能够有效地提高螺栓连接复合材料层合板的承载能力，其对应试样的归一化最大连接载荷相对于未补强试样和纤维平纹布补强试样分别提高了117.7%和37.3%；VAT补强片有利于阻止裂纹的扩展，使试样的破坏模式由剪切破坏变为挤压破坏；试样拉伸过程中发生的次弯曲效应可增大螺栓与复合材料的接触面积，有利于提高复合材料的连接强度，但是当次弯曲效应增大到一定程度时会导致补强片和母体的界面发生剪切破坏，不利于充分发挥补强片的承载性能。
4、研究了一种基于V AT技术的复合材料开孔/开窗结构设计制备方法，该方法的主要流程如下：首先利用有限元软件对拟制造的构件进行力学分析，得到构件在承载情况下的主应力分布，并利用CAD软件根据主应力轨迹进行纤维轨迹规划，然后将设计好的纤维轨迹图导入V AT设备，设置合适的缝合参数，铺缝制备成纤维预成型体，最后将所制备的纤维预成型体铺放到模具上，采用复合材料成型工艺制备成复合材料构件。
关键词：纤维变角度牵引铺缝技术；复合材料层合板；应力集中；开孔补强；纤维轨迹规划
ABSTRACT
V ariable Angle Tow (VA T) Placement is a new technology of fiber automated placement to manufacture variable-stiffness composites. It allows the optimal tailoring of both stiffness and strength by controlling the fiber orientation freely within a single layer. Compared with traditional laminated fiber composites, it shows great capability in improving performance and reducing the weight and cost of the composite structure. At present, VAT placement has been successfully applied in aerospace, national defense industry, transportation, civil construction, chemical machinery and other fields.
A review of recent work on the VA T placement technology was fully presented in this work. The optimal base materials for V AT were chosen by comparison of operability and mechanical properties. Then the application of the VA T placement technology for reinforcement on composite laminates with a hole was investigated for the first time. The effects of patch type, thickness of patch, dimensions of patch and ply sequences on the reinforcement efficiency were analyzed. Also experiments were carried out to investigate the effects of fiber patches on the mechanical properties of single bolted composite laminates. In addition, the manufacturing of composite structures with a hole / window by VA T placement was demonstrated by a tensile-compression strut and a body side frame of CFRP electric car was successfully manufactured. The VAT placement technology can provide a new way for reinforcement and manufacturing of composite laminates with a hole / window. The present research builds up a theoretical foundation and provides guidelines for the designing and manufacturing of variable-stiffness composites. It is also helpful for the development of advanced fiber placement technology in aerospace and civil engineering.
This dissertation addresses the following work:
1. The effects of base materials used in VAT including glass fiber mat, nylon screen and PP non-woven fabric on the structure and mechanical properties of V AT composites were investigated in details. The results show that nylon screen has the best operability and base materials can possibly reduce the mechanical properties of composites. Mechanical testing demonstrates that the epoxy/carbon fiber composites with glass fiber mat and with PP non-woven fabric have the best and the worst properties, respectively. These results may give useful guidance for the optimal selection of base materials. For example, glass fiber mat can be chosen when mechanical properties of VAT composites
is a priority, whereas nylon screen will be the optimal one when weight reduction and thickness control are also demanded.
2. Two types of reinforcement patches including circular and elliptical shape were prepared by VAT placement. The effects of patch type, thickness of patch, dimension of patch, ply sequences and materials on reinforcement of composite laminates with a hole were investigated in details. The results show that the VA T reinforcements can obviously improve the properties of composite laminates. The ultimate tensile load value for the laminate reinforced with double separated elliptical VA T patches reaches 94% of that of the intact laminate, and is 10
3.9% and 42.4% higher than that of the notched laminates without reinforcement and with conventional textile reinforcement, respectively. Also the submerged reinforcement is superior to separated reinforcement due to the early delamination between the substrate and the laminate. The thickness of patches shows little effects on the local reinforcement around the hole. VA T reinforcements made by glass fiber can enhance the properties of glass fiber reinforced composite laminates better than carbon fiber does.The dimension of reinforcing patch could be optimized for opened composite laminates. With the circular VA T patch, the reinforced composite laminates show the best properties when the ratio of the patch radius to the hole radius is among 3.25 ~ 3.75. With the elliptical V AT patch, the reinforced composite laminates have the best properties when the ratio of the major axis value of patch to the minor axis value of patch is among 1.5 ~ 1.8. Furthermore, a preliminary finite element analysis and microstructure analysis were carried out to explore the reinforcement mechanism of VA T patch. It is found that the load applied to composite laminate is transferred to the VAT patches through the interface. The load redistributes between the patch and the laminate according to the principle of stiffness distribution. With the load increasing, delamination damage appears between the patch and the laminate and finally the laminate fractures at the delaminated area.
3. A simple and efficient method was developed to design reinforcement patches and two types of reinforcement patches were prepared by V AT placement. Experiments were carried out to investigate the effects of fiber patches on the mechanical properties of single bolted composite laminates. The results show that the VA T reinforcements can obviously improve the properties of bolted composite laminates. The maximum specific failure load value for the laminate reinforced with VA T patches is 117.7% and 37.3% higher than that of the laminates without reinforcement and with conventional textile reinforcement, respectively. It is also found that bolted composite plates with VA T
patches were damaged in bearing failure mode rather than shear-out failure mode, which may result from the prevention of crack propagation by VA T patches. Secondary bending induced under tensile loading can increase the contact area between the bolt and the hole edges, which increases the bearing strength. However, secondary bending may cause the delamination between the patches and the composite laminates, which will have a negative effect on the bearing strength.
4.The manufacturing of composite structures with a hole / window by VA T placement was demonstrated by a tensile-compression strut. Firstly,the composite structure was analyzed by the finite element software to obtain the main stress distribution.Secondly, the fiber path was designed by the CAD software according to the main stress distribution, and stitching parameters were set up after the fiber path design was loaded into the operating system of VA T equipment. Then the fiber preform was stitched and the corresponding composite structure was manufactured by composites molding technology.
Key words：variable angle tow placement；composite laminate；stress concentration；hole reinforcement；fiber path planning
目录
摘要................................................................................................................................ I ABSTRACT.................................................................................................................... III 第一章绪论 (1)
1.1纤维增强树脂基复合材料 (1)
1.2变刚度复合材料与先进纤维铺放技术 (2)
1.3纤维变角度牵引铺缝技术 (7)
1.4复合材料的开孔补强技术及其研究进展 (12)
1.5复合材料的螺栓连接及其研究进展 (14)
1.6本文研究的目的及意义 (16)
1.7本文研究的内容 (17)
第二章VAT技术用基材的优选 (18)
2.1实验部分 (19)
2.2结果与讨论 (19)
2.3本章小结 (24)
第三章基于VAT技术的复合材料层合板开孔补强研究 (25)
3.1V AT补强片纤维铺放路径设计 (25)
3.2实验部分 (27)
3.3结果与讨论 (29)
3.4本章小结 (39)
第四章基于VAT技术的复合材料螺栓连接补强研究 (41)
4.1V AT补强片纤维铺放路径设计 (41)
4.2实验部分 (43)
4.3结果与讨论 (45)
4.4本章小结 (48)
第五章VAT技术制备复合材料开孔/开窗结构件的研究 (50)
5.1复合材料拉压杆的受力分析 (50)
5.2复合材料拉压杆纤维轨迹优化设计 (52)
5.3复合材料拉压杆的制备 (53)
5.4其它复合材料开孔/开窗结构件的制备 (54)
5.5本章小结 (57)
第六章结论与展望 (58)
6.1结论 (58)
6.2展望 (59)
参考文献 (61)
致谢 (65)
作者简介及在学期间发表的学术论文及研究成果 (66)
第一章绪论
第一章绪论
1.1 纤维增强树脂基复合材料
纤维增强树脂基复合材料是由树脂基体材料和纤维增强材料经人工复合而成，是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。由于具有轻质、比强度和比刚度高、膨胀系数小、耐腐蚀性能好、疲劳性能优异、阻尼减震性能好、抗高低温性能好、可设计性强及成型工艺性能好等一系列优点，纤维增强树脂基复合材料已被广泛应用于航空航天、国防军工、交通运输、船舶工程、建筑工程、化学工程、机械工程、电器设备、体育器械、医疗卫生等众多领域[1,2]。
纤维增强树脂基复合材料中的树脂基体通常可以分为热固性树脂和热塑性树脂，常用的热固性树脂有不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯、双马来酰亚胺树脂及热固性聚酰亚胺树脂等，常用的热塑性树脂有聚丙烯、聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚砜、聚醚醚酮及热塑性聚酰亚胺树脂等[3]。树脂基体的主要作用是将纤维粘结成一个整体，支持和固定纤维材料，传递和承受剪应力，在垂直于纤维的方向承受拉、压应力，保护纤维，防止机械磨损或化学腐蚀，改善复合材料的某些性能[4,5]。
纤维增强树脂基复合材料中的增强纤维通常采用玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等。纤维按形状可分为短纤维、长纤维和连续纤维，短纤维和长纤维无论是随机取向还是以最佳取向分布所制成的复合材料，其机械性能都不如连续纤维增强的复合材料。因此，在高刚度、高强度和高疲劳阻抗材料的工程应用中，复合材料的增强纤维几乎都是以连续纤维为主。连续纤维可以制成单向预浸料然后铺层制备复合材料，或者通过缠绕成型和拉挤成型将连续纤维直接制备成复合材料，也可以将连续纤维通过纺织工艺制备成纤维织物，然后通过各种复合材料成型工艺制备成复合材料[2]。
纤维增强树脂基复合材料最显著的优点是具有可设计性。复合材料的性能除了取决于纤维材料和基体材料本身的性能外，还取决于纤维的含量和铺设方式等。因此可以根据载荷条件和构件形状，对复合材料中的纤维进行合理铺层设计，以便用最少的材料满足设计要求，最有效地发挥材料的性能[5]。
纤维增强树脂基复合材料的性能与纤维的取向角度有很大的关系。图1.1是复合材料强度随纤维取向角度变化的曲线图。从图中可以看出，当纤维的取向角度与受力方向一致时（即α=0时），纤维可以发挥最大的承载作用，当α=10° 时，复
纤维变角度牵引铺缝技术在复合材料开孔/开窗结构上的应用研究
合材料的拉伸强度和压缩强度下降了80%。因此，在设计和制造纤维增强树脂基复合材料的过程中，需合理设计纤维的取向角度，使其尽可能与载荷方向一致，以充分发挥纤维的承载性能。
图1.1 复合材料强度与纤维取向角度的关系[6]
1.2变刚度复合材料与先进纤维铺放技术
1.2.1 变刚度复合材料
带有连续变化纤维角度铺层的复合材料被称为变刚度复合材料（V ariable-Stiffness Composites）。Hyer等人[7,8]最先提出采用曲线纤维代替直线纤维来提高开孔复合材料板的结构性能。随后，Gürdal和Olmedo[9,10]提出了复合材料变刚度的概念，利用连续的曲线纤维来设计变刚度复合材料层合板，他们提出了一种纤维曲线铺放参考路径的建模方法，如图1.2所示，假设纤维方向角度沿着参考几何轴线性变化，从而形成曲线纤维参考路径。
图1.2 纤维曲线铺放参考路径的描述
第一章绪论
纤维曲线铺放的变刚度复合材料层表示为?
图1.3 纤维曲线铺放参考路径的定义
当?=0时，?
θ=?+(T1?T0)|r|d+T0（1.1）传统复合材料结构通常采用平行顺直纤维铺放形成的纤维铺层叠层制备，且为了简化设计和减少施工的工作量，工程中经常采用0°、±45°、90°铺层方向，不能充分发挥纤维在复合材料中的增强作用。随着自动化技术和先进纤维铺放技术的发展，变刚度复合材料的概念得以实现。通过控制纤维牵引方向，在各单层内可自由设计纤维的取向，同时对刚度和强度进行裁剪优化设计，有效地提高复合材料层合板的结构和性能，例如提高屈曲载荷和破坏强度[11-13]，解决开孔层合板的应力集中问题等[14-17]。由于纤维取向的连续变化使得每层的刚度在不同的空间位置各不相同，设计者可以由此去调整内在载荷分布，提高结构有效性。因此，与传统的铺层相比，变刚度复合材料具有下列优势：（1）逐渐变化的刚度可以避免应力集中；（2）板厚度不变的情况下可以改变其刚度；（3）单个丝束的叠加可以使得层压板在厚度上实现逐渐变化；（4）重量和成本可显著降低，同时结构性能得到显著的提高[18]。
1.2.2 纤维轨迹规划方法
变刚度复合材料通过曲线纤维轨迹来实现变刚度结构，最基本的纤维轨迹规
纤维变角度牵引铺缝技术在复合材料开孔/开窗结构上的应用研究
划方法主要包括平移法（shifted method）和平行法（parallel method）[19,20]。
平移法是连续地将丝束沿s方向等距离平移而制成纤维铺层的方法。这种方法由于宽度方向的两个边缘曲率不同，容易造成了如图1.4所示的重叠区域。
图1.4 曲线纤维平移铺放法
平行法是使后续铺放的丝束与参考路径保持平行而制成纤维铺层的方法。如图1.5所示，平行法相邻两个曲线铺放的纤维丝束是平行的，即它们之间的垂直距离（HW）处处相等。
图1.5 曲线纤维平行铺放法
这两种轨迹规划方法的主要差别如下：
（1）几何布置
由图1.6和图1.7比较可看出，当纤维角度变化较小时，两种方法几何布置较为接近；当纤维角度变化较大时，两种方法的几何布置才会有较大差异。
第一章绪论
（a）（b）
图1.6 0<0|15>表示的铺层（a）平移法（b）平行法
（a）（b）
图1.7 0<0|80>表示的铺层（a）平移法（b）平行法
此外，丝束按平移法铺设时可能发生纤维重叠或纤维间留有空隙，如图1.8所示。而平行法相邻两个曲线铺放的纤维丝束是平行的，不存在重叠和空隙。
（a）（b）
图1.8 按平移法铺放（a）重叠（b）空隙
纤维变角度牵引铺缝技术在复合材料开孔/开窗结构上的应用研究（2）刚度的变化
如图1.4所示，平移法制得的复合材料层的刚度只在r方向变化，而平行法制得的复合材料层的刚度则在r、s两个方向都有变化[18]。因此采用平移法铺放时，二维刚度变化保留对称的属性，相邻两层同一点对应的纤维方向角度大小上是相等的。而平行法铺放会造成相邻两层同一点对应的纤维方向角度大小不等，从而导致其刚度变化不再保留平衡的特点。如图1.9所示，根据平行的垂直特点，P点在<+>层所对应的纤维角度是(+?p)，在<－>层对应的纤维角度是(－?p)，这两个角度大小显然是不一样的。
图1.9 平行法中相邻两层的不平衡性
（3）层合板的性能
Waldhart[20]对比研究了两种方法制得的层合板的性能，研究结果表明平移法比平行法在提高复合材料层合板屈曲性能方面表现更为优异。原因是纤维曲线铺放时存在纤维曲率约束，平移法只是简单地对参考路径进行平移，而平行法则要考虑每条纤维的曲率，这种约束对于平行法表现更明显，使得平行法制得的层合板刚度变化比平移法要平稳得多。
此外，Jegley等人[15]的研究表明，在平移法中纤维铺层有重叠的层合板比纤维铺层有空隙的层合板在提高屈曲性能方面效果更好。因为重叠的纤维使预成型体局部厚度增加，相当于形成了加强筋，提高了层合板的整体性能。
1.2.3 自动铺丝/铺带技术
目前可实现纤维曲线铺放的技术主要有自动铺丝/铺带技术（Automatic Tow/ Tape Placement，简称ATP技术）和纤维变角度牵引铺缝技术（V ariable Angle Tow Placement，简称VAT技术，也称为TFP技术，即Tailored Fiber Placement）。
自动铺丝/铺带技术是根据复合材料整体构件的铺层设计要求，将预浸纤维丝
第一章绪论
束或预浸料带逐层铺叠在模具表面（如图1.10所示），并进行热压固化成型[21,22]。
（a）自动铺丝技术（b）自动铺带技术
图1.10 自动铺丝/铺带技术
自动铺丝/铺带技术利用较为昂贵的专用铺放设备，采用数控技术，实现了纤维铺叠的自动化和预浸带裁剪的自动化，突破了大型复合材料构件手工成型难以克服的瓶颈，具有高效、高质、高精度和高可靠性的优点，已广泛应用于大型飞机、运载火箭等各类航空航天飞行器中多种结构部件的制造，成为发达国家航空航天领域中大型复合材料构件的典型制造技术[23,24]。
自动铺丝技术与自动铺带技术的共同特点是自动化高速成型，质量可靠，主要适于大型复合材料构件成型。其中自动铺带技术主要用于小曲率曲面构件（如翼面、壁板）的自动铺叠，而自动铺丝技术则侧重于实现复杂形状双曲面（如机身、翼身融合体）的自动铺放[25]。新一代大型飞机B787、A 350 的所有翼面采用自动铺带技术，而所有机身构件采用自动铺丝技术，复合材料用量分别达到50%和52%[26]。
1.3 纤维变角度牵引铺缝技术
1.3.1 V AT技术的研发历程
V AT是近年发展起来的一种新型纤维自动铺放技术。最先起源于欧洲，由德国德累斯顿聚合物研究中心（Institute of Polymer Research Dresden ）开发出来。1998年德国斯旺达（Swinta）公司与德国德累斯顿聚合物研究中心共同研发出第一台用于纤维铺缝的设备。2000年，德国航空航天中心在研制一空客A340水平尾面的三孔连接梁时，发现采用常规的纤维织物制备出的复合材料件无法承受三种不同情况下的载荷：拉伸、拉压和弯曲。随后他们采用V AT技术成功制备出了满足要求的三孔连接梁[27]。为此，他们历时五年（2003-2007）先后通过KRAFT
纤维变角度牵引铺缝技术在复合材料开孔/开窗结构上的应用研究
项目（2003-2007）、EMIR项目（2003-2006）和ROVING项目（2003-2006）研究了V AT技术的可行性，并开发了一些专用的纤维轨迹算法及软件[28]，如图1.11所示。2009年，斯旺达公司研发了与纤维铺缝设备配套的专业软件“Carbon Layer”，使得该技术的应用更加方便。2011年，中科院宁波材料技术与工程研究所引进了国内首台V A T设备（图1.12），并率先开展V A T技术的相关应用研究。
图1.11 德国航空航天中心研究V A T技术历程
图1.12 V A T设备
1.3.2 V AT技术的基本原理
V AT其基本原理如图1.13所示，是将纤维丝束采用纱线铺缝在基材上（如多轴向无纺纤维织物、纤维毡等）制备成纤维预成型体，然后通过复合材料液体模塑成型技术或模压成型技术制备成复合材料。
可用于V AT技术的纤维可分为增强纤维和树脂纤维两大类。其中增强纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等，而树脂纤维包括尼龙纤维、PPS 纤维、PP纤维等热塑性树脂纤维。
第一章绪论
图1.13 V A T技术铺缝原理
1.3.3 V AT技术的优点
作为一种先进的纤维铺放技术，V A T技术有以下一系列的优点[14,29,30]：
（1）可根据构件受力情况来设计纤维的取向，最大限度地发挥纤维的承载能力；
（2）纤维的取向随空间位置的变化而变化，可实现刚度和强度的同步优化设计，提高结构性能；
（3）采用纤维丝束制备，无需裁剪，几乎无材料浪费，大大降低了复合材料构件的重量和成本，可实现纤维预成型体净体制备及其连续自动化生产；
（4）采用单根纤维丝束可以直接制备开孔等特殊结构，避免打断纤维，可突破传统开窗开孔等特殊形状构件的成型方法及连接方式；
（5）通过纤维丝束的叠加可以实现在厚度上的逐渐变化，可改变传统的局部加强/加筋方式，实现轻质、无筋蒙皮构件的制备；
（6）纤维层之间经纱线缝合，可提高复合材料的层间剪切性能；
（7）可实现多种纤维形态材料的混合编织，例如不同增强纤维的混编，不同树脂纤维和增强纤维的混编等；
（8）可在纤维织物例如方格布或多轴向布上进行局部铺缝，与平行顺直的纤维织物一起作为纤维预成型体使用。
1.3.4 V AT技术制备变刚度复合材料需考虑的问题
V A T技术常常被用来制备变刚度复合材料。在进行轨迹规划和铺层设计时主要需考虑以下三个方面的问题[20,31]：
（1）层合板的平衡性和对称性
纤维变角度牵引铺缝技术在复合材料开孔/开窗结构上的应用研究
在对V AT技术进行轨迹规划时，要保证层合板的稳定性，首先必须考虑层合结构的平衡和对称问题。因为纤维曲线铺放的变刚度复合材料层合板每一层不同位置的刚度是变化的，所以必须通过适当的铺层来保证层合结构整体的平衡。利用与原铺层成镜像的铺层组合，可以有效解决平衡问题，如图1.14所示。
图1.14 利用镜像铺层组合解决平衡问题
复合材料层合板中最广泛应用的是对称层合板。铺层关于中面对称，可以避免层合板固化时产生不必要的弯曲。
（2）纤维的曲率限制
纤维曲率的限制是纤维曲线铺放过程中要考虑的重要问题。当纤维曲率过大（即曲率半径过小）时，丝束铺放时容易偏离预先设计的轨迹，产生褶皱，从而影响层合板的性能。为了减少褶皱，在采用V AT技术进行纤维曲线铺放时，应选取宽度合适的丝束。
（3）空隙的最小化
采用平移法进行纤维曲线铺放，纤维丝束间可能产生空隙。纤维铺层有空隙的层合板，在空隙处将形成树脂富集区域，成为层合板中性能较弱的区域，材料的破坏可能会先从这些区域开始[32]。因此，在设计制造的过程中应当尽量减小纤维曲线铺层产生的空隙。
1.3.5 V AT技术的应用
V AT技术最突出的优势在于可制造各种特殊形状的复合材料结构件如开孔/开窗复合材料结构，尤其是对解决复合材料构件的应力集中和提高层合板的屈曲性能有显著的效果。目前，VAT技术已被应用于军用和民用领域。阿根廷达索飞机制造公司、德国航空航天中心、空客、欧洲直升机公司、斯勒体育用品波马股份