葉 軍，宮占峰

（上海飛機設(shè)計研究院，上海200232）

據(jù)資料統(tǒng)計，RTM技術(shù)作為低成本工藝，在過去的10年里在美國的應(yīng)用增長率為20%～25%，歐洲為8%～10%，RTM技術(shù)已成為復(fù)合材料生產(chǎn)領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)之一[1-7]。國外為了將低成本的RTM技術(shù)應(yīng)用于機身普通框做了很多研究， ILCEWICZ[8]和Uozumi等[9]采用低成本的織物/RTM成型工藝制造出復(fù)合材料框。Kassapoglou[10-11]通過研究4種不同工藝成型的框（鈑金件、機加件、熱壓罐成型件和RTM成型件）來設(shè)計低成本和重量輕的飛機結(jié)構(gòu)框。國內(nèi)外對熱壓罐成型框的彎曲性能也進行試驗和分析[12-15]。當(dāng)前民機次承力結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料應(yīng)用主要以液體成型工藝及其他低成本成型工藝為主。

本文針對熱壓罐成型工藝和RTM成型工藝的復(fù)合材料C型框，進行2組彎曲破壞試驗，分析兩種工藝方法對結(jié)構(gòu)承載能力及破壞模式的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗件制備

復(fù)合材料C型框試驗件結(jié)構(gòu)形式以及尺寸參數(shù)如圖1。本次試驗共2組，每組三件，詳細(xì)信息如表1所示。兩種材料的碳纖維單位面積重量相當(dāng)。隔框腹板鋪層順序為， 緣條鋪層順序為。

圖1 復(fù)合材料C型框的幾何尺寸Fig.1 Dimensions of composite C-shape frame

表1 試驗信息表

試驗件尺寸要求符合HB7741-2004規(guī)范，無損檢測要求符合上海飛機設(shè)計研究院的工藝規(guī)范。

1.2 試驗方案

本次試驗主要采用的是利用拉伸載荷產(chǎn)生彎曲載荷效應(yīng)的加載方式，即通過對后機身C 型框兩段進行對稱加載，在C 型框上產(chǎn)生力矩的加載方式。試驗現(xiàn)場如圖2所示，試驗原理示意圖如圖3所示。

圖2 試驗現(xiàn)場Fig.2 Locale of test

圖3 試驗原理示意圖Fig.3 Theory diagram of test

加載系統(tǒng)由加載電機、加載絲杠、端部固定裝置以及約束蓋板組成。通過端部結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)用鋁塊和硅膠填充來增強端部承載能力。通過約束蓋板，限制試驗件垂直方向變形（試驗件腹板面外位移）。通過設(shè)計約束加載端除水平加載方向的位移外其他自由度的限制槽，保證試驗載荷的單向性。

加載的原理為利用絲杠將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為試件夾持端的水平運動，并通過控制電機的轉(zhuǎn)速控制加載位移速度，并同時記錄電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)、夾持端載荷、試件關(guān)鍵點應(yīng)變等數(shù)據(jù)。

試驗采用電機絲杠裝置進行加載，電機通過減速器減速，之后與左側(cè)絲杠連接，同時通過傳動軸與右側(cè)絲杠連接，兩側(cè)絲杠螺紋方向相反，可以產(chǎn)生對稱位移。

2 試驗結(jié)果與討論

兩種工藝成型的隔框承載能力試驗對比結(jié)果見表2。從表中可知： （1）熱壓罐成型件平均最大承載比RTM成型件高出27.5%，由于RTM 成型件各層間所能承受的載荷偏小，更容易發(fā)生分層，導(dǎo)致承載能力下降；（2）RTM成型件承載能力的標(biāo)準(zhǔn)偏差是熱壓罐成型件的2.16倍，說明熱壓罐工藝對C型框承載能力的分散性低于RTM成型工藝。

兩種工藝方案的位移-載荷曲線如圖4所示，其中載荷取試驗過程中兩加載端載荷平均值。從圖中可知，位移加載至80mm前兩種工藝成型的隔框彎曲剛度基本一致。在80mm位移載荷后RTM成型隔框左側(cè)拐角截面處外壁（承受壓縮載荷）發(fā)生分層，其載荷出現(xiàn)明顯跌落，但彎曲剛度基本不變；熱壓罐成型隔框的彎曲剛度在位移載荷80mm后增大，這是由于此時隔框左側(cè)拐角截面處外壁出現(xiàn)明顯外翻的扭轉(zhuǎn)變形（如圖5所示），此時外壁并未出現(xiàn)分層損傷。

兩種工藝下隔框的破壞模式一致，均為隔框左側(cè)拐角截面處外壁在壓縮載荷下先產(chǎn)生分層損傷，并迅速擴展至腹板后，最終造成該處截面拉伸斷裂破壞（如圖6所示）。由于熱壓罐成型隔框分層損傷出現(xiàn)較晚，直至破壞前才出現(xiàn)分層損傷，因此其最終破壞載荷要明顯高于RTM工藝成型隔框。受加載夾具的影響，試驗件左側(cè)受載比右側(cè)更為嚴(yán)重（見表2），因此試驗件最終破壞位置均在左側(cè)拐角截面處。

表2 復(fù)合材料C型框的承載能力

圖4 復(fù)合材料C型框的位移—載荷曲線Fig.4 Displacement-load curves of composite C-shape frame

圖5 熱壓罐成型件拐角處變形Fig.5 Deformation of the corner in test specimen by autoclave forming

圖6 試驗件的典型破壞模式Fig.6 Typical destroy mode of test specimen

3 結(jié)論

（1）在相同鋪層下，熱壓罐成型的復(fù)合材料C型框的承載能力比RTM成型件高出27.5%，且其分散性小。

（2）RTM工藝的層間性能弱。在試驗中RTM成型的隔框在平直段與彎曲段過渡截面處外壁先發(fā)生分層，而熱壓罐成型在該處外壁至破壞前才出現(xiàn)分層損傷。

（3）兩種工藝成型的結(jié)構(gòu)在承受彎曲載荷時，其薄弱位置均拐角截面處，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)當(dāng)注意該處細(xì)節(jié)設(shè)計。

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