陳龍輝,付杰斌,王 強(qiáng),李偉東,陳里根
(中航工業(yè)洪都,江西南昌330024)
在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中, 高結(jié)構(gòu)效率的要求是設(shè)計(jì)人員的巨大挑戰(zhàn)。 這就要求所設(shè)計(jì)的板、壁、墻類(lèi)結(jié)構(gòu)在承受拉、壓及剪切載荷的綜合作用下不失穩(wěn),并盡可能輕、薄。 傳統(tǒng)的是用長(zhǎng)桁和肋/框組成縱、橫向加強(qiáng)件來(lái)提高板件穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方法, 在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中仍有一定范圍的使用。 同時(shí),一些新型結(jié)構(gòu)形式也日益被廣泛使用,比如夾層結(jié)構(gòu)。
夾層結(jié)構(gòu)指由兩層或多層高強(qiáng)度、 高模量的薄板間加厚度大、 密度小的輕質(zhì)芯材所組成的不可拆卸的組合結(jié)構(gòu)件。 由于夾層結(jié)構(gòu)具有氣動(dòng)表面光滑、剛度重量比大、抗聲振疲勞和抗機(jī)械疲勞性好,以及絕熱隔聲性能優(yōu)越等特點(diǎn), 所以在飛機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。 對(duì)于結(jié)構(gòu)高度大的翼面結(jié)構(gòu),蒙皮壁板(尤其是上翼面壁板)采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)取代加筋板能明顯減輕結(jié)構(gòu)重量,對(duì)于結(jié)構(gòu)高度小的翼面結(jié)構(gòu)(尤其是操縱面),采用全高度夾層結(jié)構(gòu)代替梁肋式結(jié)構(gòu)能帶來(lái)明顯的減重效果。
復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)由上、下一對(duì)復(fù)合材料面板、夾芯與膠粘劑組成(如圖1)。 這五個(gè)要素組成了一個(gè)整體的夾層結(jié)構(gòu)。 膠粘劑將面板和夾芯膠接成整體,并傳遞面板和芯子之間的載荷, 面板主要承受面內(nèi)拉伸、壓縮和面內(nèi)剪切載荷,芯子支承面板承受垂直于面板的壓縮應(yīng)力,并能防止面板發(fā)生軸壓引起的屈曲。 夾層結(jié)構(gòu)傳遞載荷的方式類(lèi)似于工字梁,上下面板主要承受由彎矩引起的面內(nèi)拉壓應(yīng)力和面內(nèi)剪應(yīng)力,而芯材(腹板)主要承受由橫向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力。
圖1 復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)
復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn): 具有大的彎曲剛度/重量比及彎曲強(qiáng)度/重量比; 具有良好的吸聲,隔聲和隔熱性能;具有大的臨界曲屈載荷;對(duì)濕熱環(huán)境敏感,設(shè)計(jì)時(shí)要防潮密封;面板薄時(shí)對(duì)低能沖擊敏感;結(jié)構(gòu)破損后修補(bǔ)較困難。
復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)分為夾層板結(jié)構(gòu)和全高度夾層結(jié)構(gòu)(如圖2)。
圖2 夾層結(jié)構(gòu)形式
夾層板結(jié)構(gòu)的芯材有一定高度, 形成了可承受結(jié)構(gòu)雙向彎矩的整體梁,以承受剪力和彎矩。 主要用于壁板蒙皮等結(jié)構(gòu)。
全高度夾層結(jié)構(gòu)由蒙皮及梁的上、 下緣條傳遞彎矩, 芯材傳遞剪力, 蒙皮及梁組成的閉室傳遞扭矩。 這種受力形式下,全高度夾層結(jié)構(gòu)主要用于翼型高度不高且受載均勻無(wú)集中力的結(jié)構(gòu)。 如剛度要求高的飛行器的全高度舵面, 采用全高度夾層結(jié)構(gòu)提高了舵面的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。
由于層合板的層數(shù)減少, 降低了鋪層制作成型的工作量,同時(shí)因?yàn)閵A層結(jié)構(gòu)的剛度較高,減少了加筋的數(shù)量,這有利于沖擊荷載的擴(kuò)散。 作為孔隙材料芯材可以起到減輕結(jié)構(gòu)的重量,增加結(jié)構(gòu)的剛度,提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等作用。
復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)具有高的抗彎剛度和最小的結(jié)構(gòu)重量, 因此被廣泛用于剛度要求高的飛行器的全高度舵面、機(jī)身、機(jī)翼、尾翼壁板等部件。
復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)選用芯材不僅要有足夠的強(qiáng)度和剛度,較低的價(jià)格和較好的工藝性,還要考慮芯材與復(fù)合材料面板間的相互匹配, 包括與面板間的膠接性、電腐蝕性和熱應(yīng)力等。
復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中的芯材主要有蜂窩和泡沫。 蜂窩主要有芳綸紙紙蜂窩、 玻璃布蜂窩和鋁蜂窩。 泡沫主要有硬質(zhì)聚氨脂泡沫和ROHACELL泡沫。
蜂窩材料具有各向異性的特點(diǎn), 蜂窩因?yàn)榇嬖陂_(kāi)孔結(jié)構(gòu),不適用一些濕法工藝或樹(shù)脂注射工藝(如RTM樹(shù)脂傳遞模塑)。
鋁蜂窩或芳綸紙蜂窩具有壓縮模量高和重量輕的優(yōu)點(diǎn),它們是飛機(jī)結(jié)構(gòu)上廣泛使用的夾芯材料。 但在某些情況下如果面板出現(xiàn)裂紋和孔隙時(shí), 水和水汽就很容易進(jìn)入蜂窩,溫度下降后,進(jìn)入蜂窩孔中的水被冰凍以后會(huì)發(fā)生膨脹, 將破壞鄰近的蜂窩孔格的粘接,降低了夾層結(jié)構(gòu)的性能,這時(shí)必須對(duì)蜂窩材料進(jìn)行維修。
鋁蜂窩是一種比強(qiáng)度、比剛度較高的結(jié)構(gòu)材料,同時(shí)價(jià)格也比較便宜。 鋁蜂窩夾芯材料在一定的重量條件下,可以做得很薄。 然而,這種壁厚太薄可能會(huì)導(dǎo)致蜂窩表面(尤其是蜂窩孔隙較大的位置)發(fā)生局部失穩(wěn)。 鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用在剪切載荷較大的部位,其面板通常采用金屬板材。 因?yàn)殇X蜂窩和碳纖維面板一同使用時(shí), 剛性的鋁蜂窩與剛性的復(fù)合材料面板膠接時(shí)難以配合, 且兩種材料的熱膨脹系數(shù)差別較大,導(dǎo)致的固化變形也較為明顯,而且如果兩種材料之間的電絕緣處理不當(dāng)就容易發(fā)生電化腐蝕。
鋁蜂窩芯材分為三類(lèi),Ⅰ類(lèi):由LF21或LF2鋁箔制成,在-55℃~80℃長(zhǎng)期使用;Ⅱ類(lèi):由LF2鋁箔制成,在-55℃~175℃長(zhǎng)期使用; Ⅲ類(lèi): 由LY12鋁箔制成,在-55℃~220℃長(zhǎng)期使用。
玻璃布蜂窩是用玻璃布制成蜂窩浸漬膠液固化而成的。 玻璃布蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有重量輕、強(qiáng)度高、剛性大、電性能優(yōu)良、隔聲隔熱、工藝簡(jiǎn)單、能成形較復(fù)雜的零件等優(yōu)點(diǎn),目前應(yīng)用較為成熟。 由于有優(yōu)良的絕緣性和透電磁波性能, 其在微波通信中也獲得廣泛應(yīng)用,而價(jià)格與芳綸蜂窩相比要便宜。 該種材料在某型號(hào)教練機(jī)背鰭上有應(yīng)用。
芳綸紙蜂窩又稱(chēng)NOMEX蜂窩, 采用芳綸紙浸潤(rùn)酚醛樹(shù)脂制成。 芳綸紙蜂窩和鋁蜂窩相比,抗局部失穩(wěn)的能力強(qiáng)得多, 因?yàn)榉季]紙蜂窩的蜂窩壁可以做得相對(duì)厚一些。 另外,因?yàn)榉季]紙材料不導(dǎo)電,不存在接觸電化腐蝕的問(wèn)題。 芳綸紙蜂窩還能夠滿(mǎn)足FST(煙霧毒性)要求。
芳綸紙蜂窩夾芯在業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛, 通常與碳/玻璃纖維預(yù)浸料一起使用,應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富,成本適中,芳綸紙蜂窩強(qiáng)度比鋁蜂窩略低, 但它有良好的韌性和抗損傷能力,重量較輕,有足夠高的壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和良好的疲勞強(qiáng)度,有各向異性的特點(diǎn);有大的彎曲剛度/重量比及彎曲強(qiáng)度/重量比;有良好的吸聲、隔聲和隔熱性能;與復(fù)合材料粘接和組裝時(shí)容易協(xié)調(diào),并且沒(méi)有腐蝕問(wèn)題。 常用于舵面等翼型比較薄的地方,采用全高度蜂窩結(jié)構(gòu)將使得舵面剛度好、重量輕, 而且全高度蜂窩結(jié)構(gòu)具有耐沖擊性能好的特點(diǎn),彌補(bǔ)了復(fù)合材料抗沖擊性能差的缺點(diǎn)。
芳綸紙蜂窩芯材的缺點(diǎn)是制造曲板較困難,蜂窩與型面貼合較難,需銑切加工,但蜂窩較軟,不易裝夾,加工困難;蜂窩為開(kāi)孔結(jié)構(gòu),蜂窩內(nèi)易囤積水等液體,蜂窩與內(nèi)、外玻璃鋼面板膠接成形后,不易排除,在高空低溫環(huán)境下結(jié)冰,易漲破面板,造成面板脫膠,從而破壞壁板蒙皮結(jié)構(gòu);另外,蜂窩結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中,會(huì)因?yàn)槊姘迤茐?,發(fā)生滲水問(wèn)題。 蜂窩與壁板膠接面較小, 蜂窩內(nèi)需預(yù)浸一定厚度的膠粘劑,才能保證膠接強(qiáng)度,蜂窩內(nèi)預(yù)浸的膠粘劑的厚度不容易控制,因此,膠接件重量難以精確控制,這是芳綸紙蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)超重的主要因素之一。
硬質(zhì)聚氨酯泡沫與其他泡沫相比, 有較好地隔熱及隔音的能力,且成形工藝簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,但其力學(xué)性能并不突出,且機(jī)械加工過(guò)程中易碎或掉渣。硬質(zhì)聚氨脂泡沫注射填充在已成型的復(fù)合材料層壓板蒙皮腔體內(nèi),不用加工芯材外形,結(jié)構(gòu)形式、工藝方法簡(jiǎn)單,與多種材料粘接性好,能夠在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡制造,便于填充復(fù)雜形狀構(gòu)件的內(nèi)腔;但發(fā)泡性能不穩(wěn)定,注射填充時(shí)泡沫芯材密度不易控制,結(jié)構(gòu)容易超重,影響結(jié)構(gòu)的重心分布和結(jié)構(gòu)剛度,其密度范圍為80 Kg/m3-100Kg/m3。
在相同密度下,ROHACELL泡沫是強(qiáng)度和剛度最高的泡沫材料。 ROHACELL泡沫板為各向同性材料,橫向、縱向和法向都有較高的剪切模量,橫向、法向變形小;其閉孔結(jié)構(gòu)具有良好的抗吸濕性,不易受潮和進(jìn)水,減少了在使用過(guò)程中的維修費(fèi)用;其樹(shù)脂吸收率低, 一定程度上減少了面板和芯材之間的樹(shù)脂量,有利于控制夾層結(jié)構(gòu)重量;ROHACELL泡沫板固化時(shí), 該中泡沫與壁板膠接面大, 膠粘劑厚度均勻,可提高膠接強(qiáng)度。
除了良好的力學(xué)性能外,ROHACELL泡沫優(yōu)點(diǎn)還有:密度較小,良好的隔熱和隔音性能,良好的抗沖擊損傷性能及施工簡(jiǎn)便性, 具有良好的熱穩(wěn)定性,耐化學(xué)性能,尤其低溫情況下還具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)。
ROHACELL泡沫在進(jìn)行適當(dāng)?shù)母邷靥幚砗螅材艹惺芨邷氐膹?fù)合材料固化工藝要求,這樣使得ROHACELL泡沫在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 此外,該種泡沫材料還能滿(mǎn)足通常的預(yù)浸料固化工藝的蠕變性能要求以及FST(煙霧毒性)要求。 ROHACELL泡沫可以通過(guò)熱成形或者數(shù)控加工得到復(fù)雜的3D泡沫芯材,得到的ROHACELL泡沫芯材適合于各種復(fù)合材料成型工藝,例如模壓成型、熱壓罐和液體成型技術(shù)等。
ROHACELL泡沫高溫下耐蠕變性能使得該泡沫能夠適用高溫固化的樹(shù)脂和預(yù)浸料, 可以與環(huán)氧樹(shù)脂或BMI樹(shù)脂實(shí)現(xiàn)共固化工藝, 制造夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)件。ROHACELL泡沫和芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)均能實(shí)現(xiàn)共固化, 但是芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)會(huì)降低復(fù)合材料面板的強(qiáng)度, 為了避免在共固化過(guò)程中蜂窩發(fā)生芯材壓潰或側(cè)移, 通常采用的固化壓力為0.28MPa-0.35MPa,而不是層壓板通常采用的0.69MPa,這樣會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料面板的孔隙率偏高。 另外,因?yàn)榉涓C結(jié)構(gòu)的孔隙直徑較大, 只在蜂窩壁位置才對(duì)蒙皮有支撐,這樣會(huì)導(dǎo)致蒙皮纖維產(chǎn)生彎曲,導(dǎo)致復(fù)合材料蒙皮層合板的強(qiáng)度降低。ROHACELL泡沫在夾層結(jié)構(gòu)的共固化工藝過(guò)程中作為芯模,借助于良好的耐壓縮蠕變性能,可顯著提高復(fù)合材料蒙皮層合板的強(qiáng)度。
除了用于常見(jiàn)的全高度夾層結(jié)構(gòu)、 夾層結(jié)構(gòu)蒙皮以外, 還可以使用ROHACELL泡沫材料作為筋條結(jié)構(gòu)的填充芯材。
為更直觀地對(duì)比各種芯材的力學(xué)性能, 現(xiàn)選取幾種常用的芯材對(duì)其性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如表1。
表1 常用芯材性能數(shù)據(jù)對(duì)比
目前, 復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域中應(yīng)用日益廣泛。 其中典型的夾層結(jié)構(gòu)有機(jī)翼前緣、方向舵、起落架艙門(mén)、翼身和翼尖整流罩等。
在航空領(lǐng)域, 芳綸紙蜂窩的結(jié)構(gòu)常用于機(jī)翼前緣、尾翼、起落架艙門(mén)和其它各種艙門(mén)和整流罩。 某型教練機(jī)全動(dòng)平尾采用了單臂梁全高度雙曲面芳綸紙蜂窩復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)(如圖3)。
圖3 全高度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)全動(dòng)平尾
該平尾采用二次膠接成型工藝:上、下蒙皮等各零件單獨(dú)固化;金屬轉(zhuǎn)軸與復(fù)合材料梁共固化成型;然后采用二次膠接技術(shù)將轉(zhuǎn)軸梁、蜂窩、根肋、端肋、前緣條、后緣條等結(jié)構(gòu)進(jìn)行發(fā)泡預(yù)膠接,再將上、下蒙皮與其進(jìn)行二次膠接成型。
全高度雙曲面芳綸紙蜂窩,型面復(fù)雜,下陷多,膠接面積大, 而膠接面之間的貼合度影響到膠接質(zhì)量。 因此蜂窩加工質(zhì)量直接影響到平尾的氣動(dòng)外形的好壞。 采用普通的方法進(jìn)行加工無(wú)法滿(mǎn)足要求,故需要精確的蜂窩加工技術(shù),需要在更精確的5坐標(biāo)數(shù)控銑床上進(jìn)行數(shù)控加工。
為協(xié)調(diào)檢查各組件間的配合情況, 讓壁板與蜂窩貼合的很好, 工藝上采用校驗(yàn)?zāi)みM(jìn)行模擬膠接狀態(tài)的協(xié)調(diào)檢查。 在膠接前采取校驗(yàn)?zāi)?,根?jù)校驗(yàn)?zāi)ど系姆涓C印痕找到不貼合的區(qū)域, 在不貼合的區(qū)域增加膠膜或局部修銼蜂窩來(lái)解決不貼合問(wèn)題, 力求膠接面的配合滿(mǎn)足膠接工藝要求。
施加外壓有利于翼盒產(chǎn)品的膠接質(zhì)量, 但蜂窩承壓能力有限, 長(zhǎng)時(shí)間的抽真空, 蜂格內(nèi)的空氣抽盡,蜂格易變形,過(guò)大的壓力會(huì)將蜂窩壓塌。 考慮到蜂窩承受不了大的壓力,將其周邊限位,使蜂窩在抽真空負(fù)壓情況下不會(huì)壓塌; 蜂窩銑切公差完全取正差(0mm~+0.3mm),彌補(bǔ)蜂窩加溫產(chǎn)生的收縮;采取在真空檢查合格后, 在升溫到膠膜軟化的一個(gè)溫度點(diǎn),抽真空排除氣泡后,停抽真空,加外壓0.2MPa~0.3MPa膠接。
某飛機(jī)上蒙皮整體壁板采用泡沫夾層結(jié)構(gòu),夾層結(jié)構(gòu)蒙皮由上下兩塊整體碳纖維蒙皮和中間12塊不同規(guī)格大小泡沫夾芯組成, 零件外形呈雙曲面結(jié)構(gòu), 上 下 蒙 皮 厚2mm, 中 間 用8mm 厚 的ROHACELL71XT泡沫板加SY-14A組合膠接而成。
碳纖維蒙皮采用T700SC/NY9200GB碳纖維單向預(yù)浸料和EW100A/NY9200GB玻璃布預(yù)浸料;泡沫芯為8mm厚ROHACELL71XT泡沫板;膠粘劑為SY-14A膠膜。
按照泡沫板數(shù)模的幾何尺寸對(duì)不同規(guī)格尺寸的泡沫板進(jìn)行下料,周邊放余量,將下好料的泡沫板按照?qǐng)D樣尺寸位置在成型模上進(jìn)行熱加溫校形, 成型完成后在泡沫板的周邊參照數(shù)模尺寸進(jìn)行加工。
在壁板的成型模凹模上按照?qǐng)D樣要求鋪貼外蒙皮, 每一層單向預(yù)浸料鋪層角度方向偏差需要控制在一定范圍內(nèi), 鋪貼完后在模具上組裝氣密進(jìn)熱壓罐加溫固化成型。
對(duì)外蒙皮表面用丙酮清理3-4遍;在蒙皮粘接泡沫板的位置鋪貼一層SY-14A膠膜并進(jìn)烘箱加溫,排除膠膜在加溫過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡。
將成形好的泡沫板按照?qǐng)D樣要求在外蒙皮上進(jìn)行粘接, 在泡沫板上表面鋪貼SY-14A膠膜并進(jìn)烘箱加溫,同樣排除膠膜在加溫過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡。
按照?qǐng)D樣要求鋪貼內(nèi)蒙皮, 組裝氣密時(shí)將Airpad橡膠軟模蓋上整體壁板進(jìn)熱壓罐進(jìn)行加溫固化成型。
某無(wú)人機(jī)機(jī)身壁板采用常溫復(fù)合材料ROHACELL泡沫夾層結(jié)構(gòu)(如圖4)。 內(nèi)外面板為常溫玻璃鋼, 泡沫夾芯為ROHACELL 閉孔泡沫。 將ROHACELL泡沫加溫成形,加溫前先烘干,由加溫箱取出的泡沫板放在模具上成形。
在陰模上按照?qǐng)D樣鋪層方向鋪貼外蒙皮, 將加溫并修配好的泡沫板按照?qǐng)D樣在外蒙皮上進(jìn)行粘接,繼續(xù)在泡沫板上鋪貼內(nèi)蒙皮,采用抽真空固化,真空度不低于-0.092MPa,零件含膠量控制在40%-45%。
圖4 Rohacell泡沫夾層結(jié)構(gòu)壁板
某無(wú)人機(jī)舵面是聚氨酯泡沫填充結(jié)構(gòu)(如圖5),面板為EW100A/J-4,固化后單層厚度0.15mm。 蒙皮和端肋膠接形成內(nèi)腔之后, 灌注聚氨酯泡沫塑料。要求聚氨酯泡沫密度控制在8kKg/m3-100kg/m3, 充滿(mǎn)內(nèi)腔, 與蒙皮牢固結(jié)合, 發(fā)泡后蒙皮外形需符合設(shè)計(jì)要求。
圖5 全高度泡沫夾層結(jié)構(gòu)舵面
聚氨酯泡沫允許采用厚的ROHACELL 31A泡沫板機(jī)械加工成型面,加工后在泡沫型面上鋪疊蒙皮。為保證蒙皮外形符合氣動(dòng)要求,應(yīng)使表面光滑,可在外表面用工藝蒙皮或其他方法來(lái)保證型面, 后抽真空固化成形。
夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)能防止復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)典型破壞模式的發(fā)生, 然后再根據(jù)設(shè)計(jì)條件和受載情況合理選擇面板、芯子和膠粘劑,以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)載荷作用下的強(qiáng)度、剛度要求。 在高載荷指數(shù)情況下常采用全高度夾層結(jié)構(gòu), 在低載荷指數(shù)情況下常采用夾層板結(jié)構(gòu)。
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