摘 要 隨著全復(fù)材機(jī)翼在無人機(jī)上的廣泛應(yīng)用，對(duì)機(jī)翼制造工藝的系統(tǒng)研究也成為當(dāng)務(wù)之急。本文以高亞音速無人機(jī)全復(fù)材機(jī)翼為基礎(chǔ)，通過生產(chǎn)測(cè)試，并從施工環(huán)境、工裝夾具、界面狀態(tài)、材料選型、固化工藝、膠層厚度等多個(gè)工藝維度對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析研究。研究結(jié)果表明，隨著膠接合攏工藝的優(yōu)化，機(jī)翼性能得到了極大提升，不僅順利通過了3 g載荷靜力試驗(yàn)，還完成了6 g載荷飛行驗(yàn)證，該研究分別從理論和實(shí)踐層面為復(fù)材機(jī)翼等制件的膠接合攏提供了工藝指南。

關(guān)鍵詞 無人機(jī)；全復(fù)材機(jī)翼；膠接合攏；工藝優(yōu)化；靜力試驗(yàn)

Research on the Adhesive Bonding and Closing Process of Full

Composite Wing of Certain Type of Unmanned Aerial Vehicle

WANG Gaoqiang， ZHANG Xiaomu， CHEN Gang， XIA Yang， FANG Anshi， SHEN Haojie

（Nanjing Research Institute on Simulation Technique， Nanjing 210018）

ABSTRACT With the widespread application of full composite wings in unmanned aerial vehicles （UAV）， systematic research on the manufacturing process of wings has become an urgent matter. This paper is based on the full composite wing of a high subsonic UAV， the test results are analyzed and researched from multiple process dimensions such as construction environment， tooling and fixtures， interface status， material selection， curing process， and adhesive layer thickness control through production and test. The research results indicate that with the optimization of the adhesive bonding and closing process， the performance of the wing has been greatly improved， the wing not only passed the 3 g load static test successfully， but also completed the 6 g load flight verification， providing process guideline for bonding and closing of composite wings and even composite parts from both theoretical and practical level.

KEYWORDS UAV; full composite wing; adhesive bonding and closing; process optimization; static test

1 引言

近年來，隨著無人機(jī)在實(shí)戰(zhàn)模擬、戰(zhàn)略偵查、自動(dòng)精確打擊等重大任務(wù)中扮演越來越重要的角色，無人機(jī)取得了迅速的發(fā)展。同時(shí)，由于任務(wù)需要，客戶對(duì)無人機(jī)性能的要求也越來越高。更快的飛行速度、更高的承載能力、更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間、更大的機(jī)動(dòng)動(dòng)作無一不推動(dòng)無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜化、生產(chǎn)工藝精細(xì)化［1］。機(jī)翼作為無人機(jī)的主承力部件起著產(chǎn)生升力、承載氣動(dòng)力的雙重作用，其發(fā)展方向吸引了眾多研究者［2］。在無人機(jī)輕量化、隱身化、高過載、大機(jī)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)下，機(jī)翼復(fù)材化逐漸成為近些年世界上多款無人機(jī)機(jī)翼的主流結(jié)構(gòu)，如美國(guó)的RQ-4“全球鷹”、MQ-1“捕食者”、俄羅斯的“海雕-10”等無人機(jī)機(jī)翼中復(fù)合材料占據(jù)了很大結(jié)構(gòu)比重甚至實(shí)現(xiàn)了全復(fù)材化。在無人機(jī)復(fù)材機(jī)翼的生產(chǎn)過程中，通常采用二次膠接的工藝方法，這也是各種連接方法的特點(diǎn)所決定的。傳統(tǒng)的復(fù)材連接技術(shù)，如螺栓連接、螺釘連接以及鉚釘連接等機(jī)械連接方法，是復(fù)材領(lǐng)域常見的連接技術(shù)［3］。但是，傳統(tǒng)的復(fù)材連接工藝會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的重量增加，這無疑不符合當(dāng)下無人機(jī)輕量化的發(fā)展趨勢(shì)；同時(shí)，在進(jìn)行機(jī)械連接前，需在復(fù)材制件表面制孔，由于碳纖維復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)，表面制孔易帶來應(yīng)力集中等缺陷，且易在后期使用過程中出現(xiàn)損傷。相比之下，膠接是膠粘劑通過固化將復(fù)合材料連接并能夠?qū)崿F(xiàn)一定強(qiáng)度的技術(shù)，所以理論上膠接比機(jī)械連接更加有效，一方面可以有效減重；另一方面可有效消除應(yīng)力集中造成的不利影響，如可利用膠粘劑的韌性適當(dāng)削減應(yīng)力峰值［4］。所以，在無人機(jī)領(lǐng)域，膠接技術(shù)越發(fā)受到青睞。

本文研究的機(jī)翼由機(jī)翼蒙皮、矩形梁組件、翼肋等全復(fù)材制件構(gòu)成，如圖1所示，采取二次膠接工藝合攏成型，其中，復(fù)合材料機(jī)翼中雙閉室矩形梁承擔(dān)最主要的載荷［5］。本文通過對(duì)不同工藝條件下的全復(fù)材機(jī)翼進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，并從機(jī)理上剖析工藝因素對(duì)機(jī)翼性能產(chǎn)生影響的原因，進(jìn)而為復(fù)材機(jī)翼乃至復(fù)材制件的膠接合攏提供一套科學(xué)有效的工藝指南。

2 全復(fù)材機(jī)翼的膠接合攏

2.1 膠接合攏工藝的影響因素

2.1.1 施工環(huán)境

制件在膠接合攏過程中伴隨著結(jié)構(gòu)膠的混配和施涂，而以樹脂為基體的結(jié)構(gòu)膠對(duì)混配、施涂和固化的環(huán)境要求較高，不良的施工環(huán)境將會(huì)影響結(jié)構(gòu)膠的成分、固化過程和膠接強(qiáng)度，進(jìn)而影響到制件的膠接效果。另外，不同結(jié)構(gòu)膠對(duì)施工環(huán)境的要求不同，意味著我們需要根據(jù)實(shí)際用膠提供施工環(huán)境。

2.1.2 工裝夾具

工裝夾具在制件膠接合攏中起到零件定位、型面保證、膠層厚度控制等關(guān)鍵作用，工裝夾具的齊套性和型面精度問題會(huì)直接影響粘接面的膠層均勻性、膠接強(qiáng)度和制件的型面精度。以無人機(jī)為例，工裝夾具方面的問題不僅影響到膠接合攏效果，嚴(yán)重的還會(huì)影響到無人機(jī)的飛行安全。

2.1.3 界面狀態(tài)

復(fù)合材料的膠接實(shí)質(zhì)上是一種界面行為，待膠接表面的界面狀態(tài)直接影響到膠接效果，甚至?xí)蔀槟z接成敗的關(guān)鍵。作為待膠接界面狀態(tài)的兩個(gè)主要指標(biāo)，粗糙度和清潔度是我們?cè)谀z接合攏過程中需要重點(diǎn)考察的工藝因素。膠接前的表面處理即是通過打磨及表面清洗獲得符合膠接要求的粗糙度和清潔度，進(jìn)而提高膠接強(qiáng)度。常見打磨措施有砂紙打磨、機(jī)械打磨等，表面清洗主要是通過有機(jī)溶劑除去復(fù)合材料成型時(shí)殘留在表面的脫模劑、以及探傷、機(jī)加等工序帶來的油污、耦合劑等［6］。

2.1.4 材料選型

采用二次膠接工藝進(jìn)行制件的膠接合攏意味著需要選擇一款合適的結(jié)構(gòu)膠。目前，市場(chǎng)上的工程膠粘劑種類眾多、性能各異，如環(huán)氧類、聚氨酯類、丙烯酸酯類、有機(jī)硅類等［7］。在復(fù)材領(lǐng)域，常用膠粘劑主要有環(huán)氧基結(jié)構(gòu)膠、丙烯酸樹脂基結(jié)構(gòu)膠、聚氨酯類結(jié)構(gòu)膠等，不同種類結(jié)構(gòu)膠在拉剪強(qiáng)度和拉剪模量等主要指標(biāo)上差別較大，常用結(jié)構(gòu)膠如表1所示。以無人機(jī)為例，實(shí)際選擇膠粘劑時(shí)，需考慮機(jī)身和機(jī)翼的結(jié)構(gòu)形式、機(jī)翼的過載要求以及無人機(jī)的使用環(huán)境等因素，不合適的結(jié)構(gòu)膠粘劑會(huì)直接帶來產(chǎn)品膠接不牢和飛行安全問題。

2.1.5 膠層厚度

在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者往往根據(jù)結(jié)構(gòu)需要及理想膠層厚度預(yù)留了膠層間隙。在無人機(jī)領(lǐng)域，考慮到結(jié)構(gòu)需要和實(shí)際操作難度，膠層間隙常常預(yù)設(shè)為0.5 mm。然而，由于復(fù)材制件的厚度偏差及工裝模具的精度，實(shí)際膠層間隙往往在設(shè)計(jì)值左右浮動(dòng)。

2.1.6 固化工藝

隨著膠接合攏過程中每一道施膠工序的結(jié)束，膠接制件需在工裝夾具的固定下經(jīng)過一段時(shí)間的靜置，其實(shí)質(zhì)則是膠黏劑基體的固化過程，涉及到固化溫濕度和在模時(shí)間等重要參數(shù)。因此，需要根據(jù)所選膠粘劑類型設(shè)計(jì)合適的固化工藝。

2.2 機(jī)翼生產(chǎn)與測(cè)試

2.2.1 機(jī)翼膠接合攏

（1）施工環(huán)境：#1機(jī)翼生產(chǎn)時(shí)節(jié)為冬季，#2機(jī)翼生產(chǎn)時(shí)節(jié)為夏季，兩件機(jī)翼施工均處在同一個(gè)半封閉房間內(nèi)。

（2）工裝夾具：#1機(jī)翼生產(chǎn)時(shí)，矩形梁蒙皮與加強(qiáng)長(zhǎng)桁膠接、機(jī)翼上蒙皮與矩形梁組件膠接均通過重物施壓；工字梁膠接及矩形梁上下蒙皮合攏采用卡板施壓。#2機(jī)翼生產(chǎn)時(shí)，在#1機(jī)翼工裝的基礎(chǔ)上提升了重物擺放密度和均勻性、增加了卡板數(shù)量，同時(shí)，在矩形梁組件與機(jī)翼上蒙皮膠接時(shí)，通過機(jī)翼下蒙皮“假件”輔助施壓。

（3）界面狀態(tài)：#1機(jī)翼生產(chǎn)時(shí)，待膠接的復(fù)材板件在正式膠接合攏前一周打磨清洗。#2機(jī)翼生產(chǎn)時(shí)，待膠接的復(fù)材板件在正式膠接合攏前8h內(nèi)進(jìn)行打磨，并在正式施膠前清洗風(fēng)干。

（4）材料選型：#1機(jī)翼生產(chǎn)時(shí)，選用了拉剪強(qiáng)度高、流淌性好的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠；#2機(jī)翼生產(chǎn)時(shí)，選用了拉剪強(qiáng)度高的膏狀高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠。

（5）膠層厚度：在#1機(jī)翼的粘接合攏過程中，默認(rèn)制件之間的膠層間隙為理論值，直接對(duì)待膠接件進(jìn)行施膠粘接。在#2機(jī)翼各制件膠接合攏前，首先對(duì)外形容差超差、翹曲、膠接面不光潔等不符合膠接要求的零件，進(jìn)行了修整或更換；其次，對(duì)各膠接件均進(jìn)行了預(yù)裝配和膠層厚度的檢測(cè)，對(duì)于膠層間隙較小的區(qū)域進(jìn)行適量打磨處理、對(duì)于膠層間隙較大的區(qū)域通過補(bǔ)貼碳纖片來填補(bǔ)間隙，從而保證膠層厚度均勻且滿足理想膠層范圍。

（6）固化工藝：#1機(jī)翼在各膠接工序完成施膠后，通過相應(yīng)工裝夾具固定并于室溫條件下固化，待結(jié)構(gòu)膠表干后拆除夾具。#2機(jī)翼在各膠接工序完成施膠后，組合件在工裝夾具的固定下固化36 h后脫模。

2.2.2 機(jī)翼力學(xué)性能測(cè)試

機(jī)翼合攏完成后，分別對(duì)#1、#2機(jī)翼進(jìn)行了靜力試驗(yàn)，機(jī)翼受力情況采用帆布帶+液壓作動(dòng)筒的方式模擬實(shí)現(xiàn)。靜力試驗(yàn)加載系統(tǒng)由液壓加載裝置（液壓作動(dòng)筒）、杠桿加載系統(tǒng)、測(cè)力系統(tǒng)等部分組成。通過液壓作動(dòng)器、帆布帶杠桿系統(tǒng)分配載荷，給小比例構(gòu)件施加拉力，載荷大小由控制系統(tǒng)讀出。機(jī)翼靜力試驗(yàn)示意如圖2所示，靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2～表6所示。

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)及過程現(xiàn)象表明，#1機(jī)翼未達(dá)到3 g靜力試驗(yàn)的指標(biāo)要求，而且在試驗(yàn)過程中多次出現(xiàn)異響，疑似膠層在受力情況下出現(xiàn)脫粘。#2機(jī)翼不僅達(dá)到了3 g靜力試驗(yàn)的指標(biāo)要求，而且試驗(yàn)過程中沒有出現(xiàn)明顯異響，同時(shí)還順利通過了后期的6 g載荷飛行驗(yàn)證。

2.2.3 機(jī)翼的拆解分析

為深入探究不同工藝因素對(duì)機(jī)翼膠接合攏的影響，本次研究對(duì)兩件機(jī)翼進(jìn)行了實(shí)物拆解，以便直觀地對(duì)膠接合攏狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。

3 機(jī)理分析

（1）環(huán)境溫濕度會(huì)影響到結(jié)構(gòu)膠的固化過程。溫度越低，固化劑的反應(yīng)速率就越低，導(dǎo)致固化時(shí)間拉長(zhǎng)。更有甚者，過低的溫度會(huì)使基體的分子鏈運(yùn)動(dòng)困難，膠層的交聯(lián)密度過低，導(dǎo)致固化反應(yīng)無法完成。若固化溫度過高，容易造成過早干燥、膠液流失或膠層脆化，導(dǎo)致膠接強(qiáng)度下降。本文所研究的兩件機(jī)翼選用兩款不同的結(jié)構(gòu)膠，兩款膠的配制及施工環(huán)境溫度為20 ℃～30 ℃、相對(duì)濕度45 %～65 %。然而，#1機(jī)翼膠接合攏過程中，環(huán)境溫度較低（約0 ℃），無法滿足結(jié)構(gòu)膠的配制、施工和固化環(huán)境要求，這極大影響了1#機(jī)翼各膠接工序所能實(shí)現(xiàn)的拉剪強(qiáng)度。當(dāng)然，由于兩件機(jī)翼均處于自然不封閉環(huán)境，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)恒濕環(huán)境，這對(duì)兩件機(jī)翼的試驗(yàn)表現(xiàn)也有影響。因?yàn)楫?dāng)濕度較高時(shí)，空氣中的水分易進(jìn)入結(jié)構(gòu)膠中，進(jìn)而降低樹脂粘度和固化速率，前者導(dǎo)致膠水流失、后者導(dǎo)致固化后的結(jié)構(gòu)膠中存在較多小分子化合物和水分，最終帶來膠接缺陷、影響到結(jié)構(gòu)膠的粘接強(qiáng)度［8-9］。

（2）工裝夾具會(huì)影響到膠層質(zhì)量和均勻性。復(fù)材制件膠接合攏后需在模固化一段時(shí)間才能脫離夾具，在此期間，工裝夾具需對(duì)膠層施加一定的壓力，其有以下幾個(gè)方面的作用：①促進(jìn)膠粘劑流動(dòng)、滲透和潤(rùn)濕； ②促進(jìn)膠層中氣體、水分等低分子物的排出，避免產(chǎn)生空洞與氣孔；③有利于膠層厚度均勻；④有利于待膠接制件表面的緊密接觸和準(zhǔn)確定位［10］。本文中，#1機(jī)翼矩形梁中段的合攏卡板缺失，無法保證對(duì)矩形梁膠層進(jìn)行均勻有效地壓實(shí)，進(jìn)而影響到膠層質(zhì)量和均勻性。相反，#2機(jī)翼不僅提升了重物擺放密度、增加了矩形梁中段合攏卡板，還在矩形梁組件與機(jī)翼蒙皮膠接時(shí)借助蒙皮假件輔助施壓，提高了膠層受壓均勻性，兩件機(jī)翼膠層質(zhì)量如圖3所示。

（3）界面狀態(tài)會(huì)影響到結(jié)構(gòu)膠的膠接效果。膠黏劑與復(fù)合材料膠接實(shí)質(zhì)上是一種界面行為，表面處理優(yōu)劣直接決定界面的物理、化學(xué)狀態(tài)，所以表面處理的狀態(tài)影響著最終的膠接效果［11-12］。目前，復(fù)材領(lǐng)域最常用的表面處理方法為砂紙打磨后再通過有機(jī)試劑清洗。通過打磨可形成不規(guī)則的表面溝壑，使得待膠接表面粗糙度增加、應(yīng)變能釋放率增加，進(jìn)而獲得良好的表面活性，由此帶來的膠黏劑與復(fù)合材料之間親和力的提升使得膠接失效模式從黏附破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌掀茐幕蛘邇?nèi)聚破壞［13］，如圖4所示。本文中，#1機(jī)翼的待膠接件均是在正式膠接前1周左右打磨清洗，期間沒有對(duì)打磨區(qū)采取防護(hù)措施，且表面打磨不充分不均勻，導(dǎo)致制件大面積粘接區(qū)處于“弱粘接”狀態(tài)。

（4）膠黏劑選型會(huì)影響到膠層厚度和均勻性。在膠接面多為曲面的膠接條件下，膏狀膠的膠層厚度更易保持。相反，流淌性較好的結(jié)構(gòu)膠更易在受壓時(shí)流失，從而無法維持理想的膠層厚度。本文中，#1機(jī)翼所選膠是流淌性較好的結(jié)構(gòu)膠，在粘接面積較小的區(qū)域很容易發(fā)生流淌，導(dǎo)致膠層不均勻甚至缺失，進(jìn)而影響到粘接強(qiáng)度。

（5）膠層厚度會(huì)影響到膠黏劑的拉剪強(qiáng)度。本文按照GB/T 7124-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某型結(jié)構(gòu)膠的拉剪強(qiáng)度隨膠層厚度變化的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明，膠層太薄和太厚均會(huì)影響到膠接強(qiáng)度，如圖5所示。一方面，過薄的膠層可能會(huì)造成膠接過程中局部缺膠，且會(huì)使膠粘劑的應(yīng)力集中增大，導(dǎo)致膠接性能的降低；另一方面，過厚的膠層很容易造成膠層脫粘和氣孔過多等問題，同樣會(huì)降低膠接性能［14］。#1機(jī)翼沒有進(jìn)行膠層間隙檢測(cè)和處理而直接膠接合攏，導(dǎo)致膠層厚度無法控制，進(jìn)而無法保證膠粘劑的膠接強(qiáng)度。

（6）固化工藝會(huì)影響粘接效果。每款膠粘劑都有其特定的固化工藝，所謂固化，是指膠粘劑單體分子在一定環(huán)境和壓力條件下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，經(jīng)過一定反應(yīng)時(shí)間，在待膠接零件之間形成致密、堅(jiān)硬的膠層，進(jìn)而使零件一界面一零件形成統(tǒng)一的具有一定力學(xué)性能的整體［15］。本文按照GB/T 7124-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某型結(jié)構(gòu)膠的拉剪強(qiáng)度隨固化工藝變化的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明，無論是室溫固化還是加熱固化，在模固化時(shí)間均直接影響到膠粘劑拉剪強(qiáng)度，如圖6所示。本文中，#1機(jī)翼在結(jié)構(gòu)膠表干后脫模，導(dǎo)致在模固化時(shí)間不足，進(jìn)而使膠粘劑固化反應(yīng)不完全、固化度降低，最終不僅導(dǎo)致粘接強(qiáng)度降低，而且使得結(jié)構(gòu)膠耐久性、耐介質(zhì)性能也會(huì)下降。

4 結(jié)語

不同膠接合攏工藝下的全復(fù)材機(jī)翼性能表現(xiàn)為復(fù)材機(jī)翼性能的進(jìn)一步提升提供可能，本文對(duì)相同結(jié)構(gòu)、不同性能的機(jī)翼膠接合攏工藝機(jī)理進(jìn)行了分析和探索，得出如下結(jié)論：

（1）施工環(huán)境、工裝夾具、界面狀態(tài)、材料選型、膠層厚度、固化工藝等工藝因素均會(huì)給膠接后的全復(fù)材機(jī)翼性能帶來很大影響。試驗(yàn)表明，合適的溫濕度、齊備有效的工裝夾具、良好的界面狀態(tài)、正確的膠黏劑選型、理想的膠層厚度、充分的固化時(shí)間等使得全復(fù)材機(jī)翼性能實(shí)現(xiàn)了從3 g靜力試驗(yàn)不合格到順利通過6 g載荷飛行驗(yàn)證的飛躍。

（2）類似全復(fù)材機(jī)翼的其它復(fù)材膠接制件的性能也受綜合因素影響，具有較大彈性空間。通過對(duì)多工藝要素的進(jìn)一步優(yōu)化可持續(xù)減少設(shè)計(jì)性能的過程損失，進(jìn)而提升制件的可實(shí)現(xiàn)性能。

參 考 文 獻(xiàn)

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