叢晶潔 ， 陳志平 ,2， 胡忠民

（1.中國商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心，北京 102211；2. 江蘇恒神股份有限公司，丹陽 212314）

先進(jìn)輕質(zhì)復(fù)合材料憑借其具有高比強(qiáng)度和比剛度，耐腐蝕和抗疲勞性能好，以及易于整體成型等優(yōu)點(diǎn)，正在逐步成為國內(nèi)外新一代飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料。其中波音波音787和空客A350中復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)重量已經(jīng)高達(dá)50%和52%[1-2]。當(dāng)前先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的用量已經(jīng)成為衡量飛機(jī)技術(shù)水平先進(jìn)性的重要標(biāo)志，也是大幅度提高飛機(jī)產(chǎn)品性能和市場競爭力的重要保證。

傳統(tǒng)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，由金屬蒙皮及縱橫向加強(qiáng)件構(gòu)成的壁板結(jié)構(gòu)件是最常見的結(jié)構(gòu)，隨著復(fù)合材料逐步進(jìn)入航空領(lǐng)域并成為金屬材料的替代品，復(fù)合材料加筋壁板已逐漸成為航空先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用最普遍的結(jié)構(gòu)件之一，特別是在大尺寸的翼面和機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)中廣泛使用，如波音737平尾壁板、L-1011垂尾壁板、F-16垂尾壁板、AV-8B機(jī)翼與水平尾翼壁板、F-18垂尾壁板及A320平尾及垂尾壁板等。與金屬壁板相比，復(fù)合材料加筋壁板更容易發(fā)揮設(shè)計師的創(chuàng)造性，可以通過恰當(dāng)?shù)匿亴硬眉艏罢w化結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、剛度、重量、性能的多重優(yōu)化，減少零件數(shù)量和裝配工作量的同時獲得更低的結(jié)構(gòu)重量[3-4]；但是復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)通常制造起來相當(dāng)復(fù)雜，需要針對不同典型壁板結(jié)構(gòu)開展必要的成型工藝及驗(yàn)證研究。國際上較早就開展了復(fù)合材料加筋壁板結(jié)構(gòu)的成型工藝相關(guān)研究，并在多個型號上得到驗(yàn)證，國內(nèi)相關(guān)研究也已開展，但大部分壁板結(jié)構(gòu)采用熱壓罐/預(yù)浸料共固化、膠接共固化或二次膠接成型工藝方法完成制備[5-6]。

隨著復(fù)合材料用量的不斷增加，傳統(tǒng)的預(yù)浸料/熱壓罐成型工藝存在的問題不斷暴露出來，特別是繁瑣的工藝過程、高額的材料成本以及高投資配套設(shè)備所帶來的高昂的制造成本。低成本及高整體性的成型技術(shù)已經(jīng)成為新一代復(fù)合材料的發(fā)展方向。真空輔助樹脂滲透成型（Vacuum Assisted Resin Infusion，VARI）作為一種典型的低成本液體成型工藝已廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料制備中，并先后在美國及歐盟ACT、CAI以及TANGO等計劃中作為關(guān)鍵低成本制造技術(shù)而被廣泛研究[7-9]。

VARI成型工藝原理如圖1所示，首先將預(yù)先制備好的預(yù)制體放置在單面剛性模具上，真空封裝后進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，而后在真空作用下促使樹脂浸潤干態(tài)纖維預(yù)成型體，而后在室溫或烘箱中固化成型。相比傳統(tǒng)工藝，VARI工藝在一個大氣壓下完成，不需要額外施加壓力，省卻了熱壓罐及配套設(shè)備的高額投入，且所成型零件的尺寸不受熱壓罐尺寸的限制，尤其適用于超大尺寸復(fù)合材料零件成型；同時可以結(jié)合縫合、編織等三維增強(qiáng)手段實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的整體成型，減少零件和緊固件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)降低制造成本的目標(biāo)。

盡管VARI工藝具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但目前尚未達(dá)到在航空復(fù)合材料構(gòu)件上大規(guī)模應(yīng)用的要求，所成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)普遍存在厚度均勻性差的問題。為解決上述問題國內(nèi)外研究人員在液體成型工藝質(zhì)量影響因素分析[10]以及樹脂流動模擬等方面做了大量研究工作[11-16]，但缺少針對典型結(jié)構(gòu)件開展VARI整體成型工藝設(shè)計及驗(yàn)證相關(guān)研究。本文以一種典型變截面加筋壁板為研究對象，充分利用VARI成型工藝特點(diǎn)，完成內(nèi)嵌式模具工裝設(shè)計及成型工藝流程，同時采用PAM-RTM軟件對樹脂流道進(jìn)行模擬優(yōu)化，最終結(jié)合加筋壁板VARI工藝試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 VARI工藝原理Fig.1 Process of VARI

圖2 加筋壁板結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of stiffened panels

圖3 筋條細(xì)節(jié)Fig.3 Stiffener structure

1 成型工藝設(shè)計

1.1 壁板結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料加筋壁板結(jié)構(gòu)如圖2所示，尺寸為1018mm×1018mm，包括4根“T”型筋條和蒙皮。其中“T”型筋條兩端設(shè)計為展開形式，屬于變截面結(jié)構(gòu)，其詳細(xì)設(shè)計見圖3。變截面的筋條區(qū)域增加了纖維預(yù)制體的預(yù)成型難度以及零件最終成型尺寸精度。壁板蒙皮區(qū)域鋪層設(shè)計為[±45/(0)14/±45]，共計16層；筋條區(qū)域鋪層設(shè)計為[±45/(+45/0/-45/90)2s/±45]，共計18層。

1.2 工藝材料

樹脂體系：BA9912，中溫環(huán)氧樹脂，中航復(fù)合材料責(zé)任有限公司。

增強(qiáng)織物：G0803織物，美國赫氏復(fù)合材料公司；U7192單向簾子布，碳VII纖維單向機(jī)織物，國產(chǎn)碳III纖維單向機(jī)織物[10]。

1.3 成型模具

復(fù)合材料VARI成型過程中只有一個真空壓力進(jìn)行壓實(shí)，屬于一種低壓成型的工藝方法，且布置有大量的樹脂管道，要求模具結(jié)構(gòu)在保證型面形狀和尺寸精度的同時，還能滿足真空環(huán)境下樹脂滲透成型及脫模的需要,所以很難直接采用熱壓罐成型的模具設(shè)計思路進(jìn)行VARI 成型加筋壁板結(jié)構(gòu)的模具設(shè)計。

對于復(fù)合材料加筋壁板而言，如何保證 “T”形筋條與蒙皮間相對位置的控制為其成型模具設(shè)計的關(guān)鍵要點(diǎn)。常規(guī)的加筋壁板結(jié)構(gòu)多采用組合模具設(shè)計方案，即分別設(shè)計蒙皮與筋條的成型模具，并通過連接裝置將二者重新裝配連接在一起。該種設(shè)計方案的優(yōu)點(diǎn)是模具加工簡單，其缺點(diǎn)是成型過程中“T”形筋條與蒙皮間的相對位置將受模具裝配精度的影響，同時這種組合式成型模具直接影響VARI液體成型過程中樹脂流道的設(shè)計布局。

翻譯是一種心理活動，是對原語的解碼并提取意義，然后用目標(biāo)語言進(jìn)行編碼的過程。方夢之也認(rèn)為“翻譯過程中譯者受多種心理機(jī)制的作用，譯者的心理狀態(tài)對轉(zhuǎn)換行為產(chǎn)生直接影響”。[1]“翻譯心理學(xué)從文化心理學(xué)的角度分析把“誤譯”分為“有意識誤譯”和“無意識誤譯”?！盁o意識誤譯”源自于譯者的無意識誤讀，這不屬于翻譯心理學(xué)研究的范疇。而“有意識誤譯”是指譯者翻譯時故意誤讀；譯者的故意誤讀受控于譯者的文化心理因素，如譯者的本土文化意識形態(tài)（包括政治態(tài)度）[2]24，有意識誤譯實(shí)際上就是歸化的表現(xiàn)。

基于加筋壁板結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)，完成加筋壁板模具內(nèi)嵌式模具設(shè)計方案如圖4所示，可以較好地滿足VARI成型工藝需求，保證了變截面筋條區(qū)域在真空環(huán)境下的充分傳壓及成型質(zhì)量，同時也不會限制樹脂的滲透。此外，預(yù)制體成型模和壁板結(jié)構(gòu)液體滲透成型模合二為一，簡化了變截面預(yù)制體的工藝操作過程，同時確保了筋條與蒙皮的相對位置精度，簡化了模具的設(shè)計制造，節(jié)省了加工成本。

圖4 模具設(shè)計方案Fig.4 Designing of mold

圖5 壁板整體成型流程Fig.5 Flow of the steps of making stiffened panels

圖6 結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分Fig.6 Meshing of structure

表1 模型尺寸及工藝模擬參數(shù)

1.4 制備流程

加筋壁板結(jié)構(gòu)VARI成型工藝制備流程設(shè)計如圖5所示，包括以下工序內(nèi)容：

（1） 模具制備：將內(nèi)嵌式成型模具整體清理干凈，確保工裝表面及內(nèi)槽區(qū)域清潔、無油脂，并涂以脫模材料備用。

（2） 筋條預(yù)成型：將G0803織物及U7192單向簾子布按設(shè)計給定鋪層角度及工藝尺寸裁剪，按工藝外形及順序進(jìn)行變截面筋條鋪貼預(yù)成型；同時確保鋪層質(zhì)量，不出現(xiàn)纖維架橋、皺褶、屈曲、夾雜物等現(xiàn)象。

（3）預(yù)制體定位：將變截面筋條預(yù)制體置入模具內(nèi)部溝槽進(jìn)行充分壓實(shí)并定位，根據(jù)需要對變截面區(qū)域修形至所要求尺寸。

（4） 蒙皮鋪層：在模具及筋條區(qū)域上表面完成蒙皮鋪層鋪疊成型，根據(jù)需要預(yù)壓實(shí)處理。

（5）真空封裝壓實(shí)：蒙皮鋪層上表面依次鋪放脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)、隔離膜、吸膠氈及真空袋等輔助材料進(jìn)行真空封裝壓實(shí)處理。

（6） 固化成型：真空壓力作用下促使液體樹脂流動并完成增強(qiáng)纖維充分浸潤后，升溫固化成型。

1.5 樹脂流道方案

在VARI 成型加筋壁板結(jié)構(gòu)的過程中，增強(qiáng)纖維的浸潤通過真空壓力作用下樹脂流動完成，而樹脂的流動浸潤通常受到纖維鋪疊方式、注膠管路的布置、導(dǎo)流及出膠方式的影響，不合理的流道設(shè)計通常導(dǎo)致復(fù)合材料制件產(chǎn)生干斑、富脂及厚度分布不均勻等缺陷，最終影響產(chǎn)品性能。

基于計算機(jī)軟件完成的樹脂流動模擬技術(shù)，可以對工藝過程中樹脂在增強(qiáng)體中的流動形式、充模時間以及不同時間點(diǎn)對應(yīng)充模壓力進(jìn)行仿真模擬，從而避免由于樹脂流道設(shè)計方案不合理造成零件報廢，以及時間和成本的浪費(fèi)。

本文基于PAM-RTM軟件完成樹脂流道設(shè)計方案的優(yōu)選。首先結(jié)合加筋壁板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得到簡化的2.5D結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入Hypermesh中完成網(wǎng)格劃分如圖6所示，模擬相關(guān)參數(shù)見表1；其次，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)完成樹脂流道設(shè)計方案，如表2所示 ；最后將網(wǎng)格數(shù)模導(dǎo)入 PAMRTM 軟件，并結(jié)合預(yù)先設(shè)定的樹脂流道設(shè)計方案、預(yù)制體的滲透率、樹脂滲透粘度、滲透溫度和鋪層形式等參數(shù)對各方案進(jìn)行仿真模擬，最后通過充型時間長短、充型是否完全和工藝的可操作性等多方面因素進(jìn)行綜合評定，選擇最佳的流道布局方案。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計表2所示的6種VARI工藝流道方案，通過PAM-RTM軟件進(jìn)行加筋壁板注膠過程樹脂流動模擬；考慮重力加速度對樹脂滲透的作用，得到不同方案的樹脂填充時間分布及可能發(fā)生缺陷的樹脂流動前鋒圖像如圖7、8所示。其中X1、Y1兩組方案的樹脂充模時間超過1h，容易超出樹脂體系的工藝操作期，為避免樹脂完全浸潤纖維之前發(fā)生凝膠固化，初步排除。由圖8分析可見，X2、Y2兩組方案中，樹脂最后到達(dá)的位置（藍(lán)色區(qū)域）不屬于上下邊緣區(qū)域，不利于溢膠口位置的設(shè)置，容易形成氣泡、干斑等缺陷。Y6方案中，由于樹脂流動的邊緣效應(yīng)，邊線區(qū)域樹脂流動較快，導(dǎo)致靠近邊緣的位置易產(chǎn)生樹脂流動“孤島”，進(jìn)一步產(chǎn)生厚度不均勻、樹脂填充不完全等問題。最終，選擇X5方案為該壁板結(jié)構(gòu)件的VARI整體成型樹脂流道方案，該方案在X軸方向均布5個注膠管路進(jìn)行注射，樹脂流動距離更短，所以其充模時間較短總計1630s；此外采用交替進(jìn)出膠的流道布局設(shè)置，可以有效避免樹脂流動過程中不同管路間相互干涉產(chǎn)生樹脂交匯，并導(dǎo)致干斑等缺陷[10-12]。

表2 流道設(shè)計方案及充模時間

圖7 樹脂充模時間模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of resin filling time

圖8 樹脂流動前鋒模擬結(jié)果Fig.8 Simulation results of resin flow

2 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前期工藝設(shè)計方案，完成了復(fù)合材料加筋壁板的研制（見圖9）。其外表光滑無褶皺，內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定，無貧膠、干斑缺陷；采用FCC-B-1型超聲檢測儀按GJB1038.1a-2004標(biāo)準(zhǔn)要求對典型件進(jìn)行全覆蓋無損檢測，未在典型件內(nèi)部發(fā)現(xiàn)缺陷；采用厚度CL400超聲測厚儀對典型件進(jìn)行厚度分布測量，其厚度偏差在±5%范圍內(nèi)，厚度均勻性良好。

3 結(jié)論

（1）研究了VARI液體成型工藝特點(diǎn)，并針對典型加筋壁板結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)，完成了VARI工藝整體成型模具及制備流程設(shè)計。

（2）基于計算機(jī)軟件完成樹脂流道設(shè)計方案的優(yōu)選。采用PAM-RTM軟件對不同工藝方案樹脂流動過程進(jìn)行仿真模擬，選擇X向5個注膠管路的流道設(shè)計，可以有效避免不同注膠管路間相互干涉產(chǎn)生樹脂交匯并導(dǎo)致干斑等缺陷。

（3）采用VARI工藝制備了加筋壁板構(gòu)件,并對選定方案進(jìn)行評估，對其進(jìn)行超聲無損檢測與厚度測量。無損檢測結(jié)果顯示構(gòu)件內(nèi)部無明顯缺陷，厚度測量結(jié)果顯示厚度偏差在±5%范圍內(nèi)，厚度分布較均勻，為復(fù)合材料加筋壁板VARI整體成型的工藝設(shè)計及制造提供了參考。

圖9 加筋壁板結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of stiffened panel

參 考 文 獻(xiàn)

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