李瓊，王強，朱成香，高永強，熊盼

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

RTM整體成型機尾罩結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究

李瓊，王強，朱成香，高永強，熊盼

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

基于某型機金屬機尾罩開展復材RTM整體成型機尾罩結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究，旨在控制機尾罩結(jié)構(gòu)變形，減輕重量，減少零件數(shù)量，降低裝配難度和制造成本，還可為其它類似結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造和裝配提供參考。

RTM工藝；機尾罩；整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引言

復合材料由于可設(shè)計性強、比強度高、比剛度大、成型工藝性好且便于大面積整體成型，同時具有優(yōu)異的耐腐蝕、抗疲勞性能和顯著的減重效果等優(yōu)點，使其在飛機結(jié)構(gòu)上的應用水平得到了快速提高。

傳統(tǒng)的復材成型方法多采用熱壓罐工藝，絕大多數(shù)采用手工鋪疊，存在勞動量大、工時費用高、原材料利用率低、質(zhì)量精度低、互換協(xié)調(diào)性差，以及易造成制件超差等問題。

而以RTM（樹脂傳遞模塑法）為主的液態(tài)成型工藝，避免了預浸料生產(chǎn)工序和對熱壓罐的依賴，省時省力，輔助材料消耗少，邊廢料少，為復材降低成本提供了方向，已成為復材結(jié)構(gòu)件的主流技術(shù)。其突出優(yōu)點是結(jié)構(gòu)整體性高，尺寸精度高，適于制造復雜高性能大面積構(gòu)件。

1 RTM整體成型機尾罩結(jié)構(gòu)方案論證

某型機機尾罩為鋁合金薄壁鉚接結(jié)構(gòu)，零件數(shù)量多，內(nèi)外蒙皮薄，鉚接工作量大，結(jié)構(gòu)變形較大，結(jié)構(gòu)較重（13.27kg/件）。因此考慮采用復材RTM整體成型機尾罩結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并使其達到如下設(shè)計目標：

1）等代設(shè)計的復材機尾罩與原金屬結(jié)構(gòu)功能、效能相當，可實現(xiàn)裝機互換；

2）結(jié)構(gòu)有明顯的減重效果，較原金屬結(jié)構(gòu)減重約20%；

3）能控制結(jié)構(gòu)變形，改善外表面質(zhì)量；

4）降低裝配難度及生產(chǎn)制造成本；

5）采用CATIA與FIBERSIM軟件集成的數(shù)字設(shè)計制造一體化技術(shù)，提高設(shè)計、制造效率。

1.1 原金屬機尾罩結(jié)構(gòu)方案

機尾罩結(jié)構(gòu)位于飛機尾部，僅受外表面的氣動載荷及結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量力。左右各一個且為相同件，與機體采用可拆卸連接。如圖1所示，每個機尾罩由機身端框上的兩個導向銷對中、定位后，通過4只螺栓與端框連接，蒙皮上開有4個口蓋供安裝螺母并保險用。

機尾罩分前后兩段，前、后段外表面上、下兩塊蒙皮通過縱向隔板和連接片連接后，再通過一機加支撐環(huán)對接。前段布置了4個縱隔板、一個加強環(huán)、4個口蓋及口框、若干型材。后段采用了外蒙皮與槽形加強筋點焊連接而成的組合件，同時，因發(fā)動機艙內(nèi)的引射氣流整流需要，后段設(shè)計了“V”形內(nèi)蒙皮，該內(nèi)蒙皮分前、后兩段制造，并在尖角處對焊，如圖2所示。

圖1 機尾罩連接示意

圖2 金屬機尾罩結(jié)構(gòu)

1.2 復材RTM整體成型機尾罩結(jié)構(gòu)方案

復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計有所不同，它是根據(jù)預定設(shè)計目標和約束條件，將結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用和制造工藝緊密結(jié)合起來，最大限度地利用復材獨特的結(jié)構(gòu)特性（可設(shè)計性和優(yōu)異的成形工藝性），整體成型，減輕重量，降低成本。

為保證裝機互換性，新結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮導向銷、螺栓連接交點位置不變，安裝口蓋位置亦不變，而將結(jié)構(gòu)設(shè)計成復合材料零部件整體成型體與6個鋁合金角盒（左右各3個）鉚接而成，裝配時在角盒底與端框協(xié)調(diào)開出螺栓孔并壓制鋼襯套。機尾罩載荷通過這6個角盒與機身端框上4個螺栓和2個導向銷連接傳至端框，如圖3所示。

圖3 復合材料RTM整體成型機尾罩結(jié)構(gòu)

機尾罩內(nèi)、外蒙皮表面質(zhì)量要求較高，若采用RTM液態(tài)整體成型工藝，使用的雙面模具可使其獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量，但內(nèi)外蒙皮間間隙大，故需采用輕質(zhì)泡沫夾芯進行填充，以滿足RTM整體成型工藝要求。

機尾罩為環(huán)形封閉結(jié)構(gòu)，整體成型模具需分塊設(shè)計，若將機尾罩橫、縱結(jié)構(gòu)整體RTM成型制造，則模具分塊多，設(shè)計相當復雜，工作量大，且成本高。因此，考慮將縱向構(gòu)件分別單獨成型后，再與RTM成型體二次膠接。雖然配合協(xié)調(diào)技術(shù)要求高，但降低了工藝難度以及制造大型構(gòu)件的風險，廢品率低。而縱向構(gòu)件內(nèi)表面精度要求不高，可采用單面模具RFI成型法，以降低模具制造成本。

綜上所述，基于模具設(shè)計制造成本、材料的匹配性、零件表面質(zhì)量和生產(chǎn)裝配等因素，制定了復材機尾罩結(jié)構(gòu)方案：機尾罩由復合材料零部件整體成型體與6個壓有鋼襯套的鋁合金角盒組成。復合材料零部件整體成型體主體采用RTM整體成型工藝，縱向構(gòu)件（如縱向隔板、縱隔板、縱向加強件等）采用RFI工藝制造后與RTM整體成型體通過SY-21膠膜進行二次膠接。機尾罩后段內(nèi)外蒙皮間采用輕質(zhì)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)；口蓋開口由縱向構(gòu)件、環(huán)向型材補強相應取消口框；口蓋制造時可與RTM整體成型體一起制出，切割修銼而成，口蓋連接仍采用螺釘-托板螺母連接形式，如圖3所示。

上述機尾罩復材結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)相比，傳力結(jié)構(gòu)、路線基本相同，連接形式不變，僅需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，即通過整體成型工藝技術(shù)將眾多零碎的零件整體化設(shè)計與成型，因此，該方案不但能控制結(jié)構(gòu)變形，減輕重量，還能減少零件數(shù)量及其連接，降低裝配難度和制造成本，且風險可控。

2 新工藝新材料選用

復材結(jié)構(gòu)設(shè)計選材原則除滿足結(jié)構(gòu)完整性要求、低成本為基點外，同時還應滿足結(jié)構(gòu)使用環(huán)境、工藝性、不同材料匹配性和結(jié)構(gòu)特殊性等要求。設(shè)計時應根據(jù)結(jié)構(gòu)最高工作溫度及其采用的工藝方法選擇樹脂基體體系，并根據(jù)性能要求和成本指標選擇纖維等。

2.1 機尾罩工作環(huán)境溫度測試

機尾罩內(nèi)部為發(fā)動機艙，其艙內(nèi)溫度和尾噴氣流對機尾罩內(nèi)蒙皮的影響，直接決定新材料、新工藝的選用。

為驗證復材機尾罩結(jié)構(gòu)能否滿足工作環(huán)境溫度要求，在金屬機尾罩內(nèi)蒙皮上布置了8個溫度測試點，同時選取了發(fā)動機慢車、最大巡航、油門桿推到最大、教學等狀態(tài)進行測試并繪制溫度曲線圖，得出在測溫環(huán)境為溫度23.6℃、濕度74.4%RH下，實際最高測試點3的最大巡航狀態(tài)溫度為59.70℃。溫度測試點布置示意見圖4。

圖4 機尾罩內(nèi)蒙皮溫度測試點布置示意

2.2 新工藝新材料選擇

預成形件/RTM或RFI液態(tài)成型工藝方法是一種近乎無余量、低成本的工藝方法，不僅可以提高復材的設(shè)計許用應變，改善勞動強度與環(huán)境條件，還適合于各種鋪放形式與毛坯構(gòu)形的復雜構(gòu)件，制造零件尺寸精度高，整體性好。RTM與RFI的區(qū)別在于：RTM方法是樹脂在面內(nèi)壓力下注射到預成形件內(nèi)再固化成型，需雙面模具；而RFI方法是樹脂膜熔化后沿厚度方向浸透預成形件，再固化成型，可采用單面模具。

因環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的力學性能、與各種纖維匹配性好，制孔、切削等機械加工性能好，適于低成本RTM成型工藝等。所以根據(jù)結(jié)構(gòu)的最高溫度，可選擇5284RTM或5228RFI中溫環(huán)氧樹脂體系。

U3160/5284RTM，U3160/5228RFI為單向碳纖維織物材料，CF3031/5284RTM為碳纖維編織布材料，均具有良好的力學性能。為提高鋪貼工藝性，改善構(gòu)件的抗壓和抗沖擊特性，提高制件的表面質(zhì)量，在鋪層的最外層一般采用CF3031/5284RTM復合材料。

PMI結(jié)構(gòu)泡沫是一種閉孔剛性發(fā)泡材料，具有卓越的強度和重量比、熱成型性能、機加性能、低表面樹脂吸收量及適合采用共固化工藝等優(yōu)點。

綜上考慮，復合材料機尾罩采用RTM和RFI液態(tài)整體成型工藝，并選擇U3160/5284RTM，CF3031/ 5284RTM，U3160/5228RFI及PMI結(jié)構(gòu)泡沫夾芯等材料，不但能滿足結(jié)構(gòu)的使用溫度范圍、力學性能要求,還能減輕結(jié)構(gòu)重量，控制結(jié)構(gòu)變形，提高外形精度和表面質(zhì)量，并減少零件數(shù)量及機械連接，降低裝配難度和制造成本。

3 機尾罩整體成型體細節(jié)設(shè)計

3.1 RTM整體成型體設(shè)計

RTM整體成型體由加強環(huán)、環(huán)向加強筋、內(nèi)蒙皮、外蒙皮、墊塊等分別完成碳纖維織物鋪層預定型體后，與泡沫夾芯（分塊機加再組合形成預定型體）一起采用RTM工藝整體成型。為保證口蓋有良好的外形、與蒙皮對縫間隙均勻，且節(jié)約口蓋模具的制造費用，以滿足低成本要求，口蓋制造時可與RTM整體成型體一起制出，切割修銼而成。如圖5所示。

3.2 縱向零件設(shè)計

縱向零件主要包括左右縱向隔板、4件左右分別對稱的縱隔板和縱向加強件共10件，如圖6所示。設(shè)計時不僅考慮縱向零件傳遞軸向載荷，還可與加強環(huán)、環(huán)向加強筋一起補強口蓋開口區(qū)及滿足口蓋安裝要求。同時考慮將縱向零件下陷長度與深度設(shè)計一致，采用RFI成型工藝，既可保證零件尺寸精度，又能降低模具制造費用。

圖5 RTM整體成型體

3.3 防雷電設(shè)計

因機尾罩結(jié)構(gòu)處于雷電影響2區(qū)，僅需在外表面噴涂抗靜電PUB漆即可達到目的。

3.4 鋪層信息表達

過去復合材料的設(shè)計是通過AutoCAD軟件進行畫圖，然后根據(jù)二維圖手工鋪貼，其設(shè)計和制造效率很低。FIBERSIM軟件為世界領(lǐng)先的復材設(shè)計制造軟件，集成于CATIA軟件，為復材的設(shè)計和制造提供了全面的解決方案。FIBERSIM軟件可與有限元分析接口，并進行可制造性分析，能生成激光投影儀、自動下料機以及自動鋪放機的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖6縱向零件

圖7 是機尾罩口蓋零件鋪層信息表達示例，它采用CATIA軟件建模、FIBERSIM軟件表達鋪層信息。兩軟件的集成不僅能充分發(fā)揮復材結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性優(yōu)勢，給飛機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計帶來了許多新的特點和新的設(shè)計概念，推動結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，而且從圖中可以輕易獲取貼模面、設(shè)計邊界、制造邊界、鋪設(shè)坐標、鋪層表、鋪層表等設(shè)計制造信息，提高了設(shè)計、制造效率。

圖7 口蓋零件鋪層信息表達

3.5 靜強度分析與校核

本設(shè)計采用PATRAN軟件建立機尾罩有限元模型，并在模型中施加該型飛機機尾罩最嚴重的4個工況氣動載荷，然后進行有限元應力分析。再根據(jù)應力分析結(jié)果進行強度校核，主要包括機尾罩結(jié)構(gòu)總體、局部穩(wěn)定性計算，復合材料單層失效分析、應變控制、連接強度計算等工作。校核結(jié)果表明，復材RTM整體成型機尾罩結(jié)構(gòu)滿足靜強度設(shè)計要求。

4 制造與檢測

4.1 制造工藝及裝配

機尾罩制造工藝及裝配順序示意見圖8。

4.2 無損檢測技術(shù)與質(zhì)量保證

復材結(jié)構(gòu)件必須建立制造工藝過程中及產(chǎn)品最終驗收過程中使用的無損檢測、目視檢查等技術(shù)標準。本設(shè)計特制定了復合材料機尾罩靜力試驗件制造與驗收技術(shù)條件，對其進行質(zhì)量控制。

4.3 重量評估

經(jīng)計算復材機尾罩單件重量為9.708kg，較金屬結(jié)構(gòu)13.27 kg減重3.562kg，減重效率為26%。裝機件為2件相同件，機尾罩共減重7.124 kg。

其中單件機尾罩復合材料件重9.42 kg，金屬件重0.148 kg，標準件重0.14 kg，復材件重量占機尾罩結(jié)構(gòu)重量的97%。

5 結(jié)語

本文進行的復合材料RTM工藝整體成型機尾罩設(shè)計達到了預定的設(shè)計目標。

復合材料是一種材料，也是一種結(jié)構(gòu)，它的最大特點是材料和結(jié)構(gòu)成型同時完成，設(shè)計是主導、材料是基礎(chǔ)、制造是關(guān)鍵、檢測是保證。復材的低成本化是一個系統(tǒng)工程，結(jié)構(gòu)設(shè)計工作是一個復雜的反復迭代的過程，還應該根據(jù)復合材料自身特點，實施并行工程，不斷創(chuàng)新設(shè)計理念，開發(fā)新結(jié)構(gòu)，發(fā)展新的工藝，獲得更優(yōu)成本更低的新結(jié)構(gòu)。

[1]楊乃賓，章怡寧.復合材料飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計.北京：航空工業(yè)出版社，2002，5.

[2]北京航空材料研究院第二十八研究室.樹脂傳遞模塑成型5284RTM環(huán)氧樹脂體系(Q/6S 2084－2006).北京：北京航空材料研究院，2006.

>>>作者簡介

李瓊,女，1970年10月出生，1994年畢業(yè)于南昌航空工業(yè)學院，高級工程師，長期從事飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Study on Structural Design Techniques of Tail Fairing Integrally Formed Using RTM

Li Qiong,Wang Qiang,Zhu Chengxiang,Gao Yongqiang,Xiong Pan
(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi 330024)

Based on the study on the structural design techniques of metal tail fairing integrally formed using RTM,it is intended to control the structural deformation of tail fairing,reduce the weight,quantity of parts,and difficulties in assembling,also to provide reference for design,manufacturing and assembling of similar structure.

RTM technology；Tail fairing；Integral structure design

2016-06-22）