摘 要 針對(duì)復(fù)合材料C型梁在采用自動(dòng)鋪帶加熱隔膜預(yù)成型制造時(shí)出現(xiàn)的褶皺問(wèn)題，研究了自動(dòng)鋪帶錯(cuò)拼縫間距、平板料層預(yù)壓實(shí)、熱隔膜次數(shù)及結(jié)構(gòu)特征等因素對(duì)梁成型質(zhì)量的影響，采用L/D的方法對(duì)零件質(zhì)量進(jìn)行表征，分析了不同因素下的梁緣條、腹板、R角等區(qū)域的褶皺情況，為梁產(chǎn)品研發(fā)時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝方案提供了參考。研究結(jié)果表明，自動(dòng)鋪帶錯(cuò)拼縫間距對(duì)零件褶皺無(wú)影響，鋪帶后不進(jìn)行預(yù)壓實(shí)更有利于熱隔膜預(yù)成型，降低緣條高度可一定程度上改善熱隔膜預(yù)成型褶皺，分次熱隔膜也能改善零件褶皺，但緣條高度較高時(shí)，分次熱隔膜改善零件褶皺的效果不明顯。

關(guān)鍵詞 C型梁；熱隔膜；結(jié)構(gòu)特征；褶皺

Study on the Forming Quality Effect Factors

of Composite C Spar

HAN Shu，QIAN Ying，YU Ting，HUANG Binyao，CHEN Ping

（Composite Center， Commercial Aircraft Corporation of China， Ltd.， Shanghai 201324）

ABSTRACT Wrinkles regular occurred when composite C spar formed by Automated Tape Laying（ ATL） and Hot Drape forming（HDF）， the effects of ATL splicing gaps、precompaction、multiple hot Drape forming and structure feature on the composite C spar forming quality were investigated. In order to evaluate the forming quality， wrinkles appeared in flange、web、radius were analyzed by L/D，providing reference for the spar design and manufacture. The results show that ATL splicing gaps has no influence to wrinkle， without precompaction is more beneficial to HDF， reduce the flange height can improve HDF wrinkle， multiple hot drape forming can also improve wrinkle， but there’s no obvious effect when the flange is more higher.

KEYWORDS C Spar；hot drape forming；structure feature；wrinkle

1 引言

梁是民機(jī)上常見(jiàn)的一種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，近些年來(lái)，隨著復(fù)合材料應(yīng)用部位由次承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)的發(fā)展，復(fù)合材料梁類零件也向著大型化、結(jié)構(gòu)整體化方向發(fā)展[1]。隨著零件結(jié)構(gòu)尺寸的增大，傳統(tǒng)的預(yù)浸料手工鋪放技術(shù)已無(wú)法滿足民用航空業(yè)對(duì)生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性方面的更高要求，隨著自動(dòng)化技術(shù)水平的提高，復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)件的制造也開(kāi)始朝著自動(dòng)化方向發(fā)展。目前，波音、空客等國(guó)際知名的航空制造企業(yè)都非常廣泛地采用了自動(dòng)鋪絲、熱隔膜預(yù)成型等自動(dòng)化制造工藝進(jìn)行梁類結(jié)構(gòu)的制造，在極大提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也保證了成型質(zhì)量的穩(wěn)定性[2]。

復(fù)合材料梁零件有多種不同的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)梁的材料類型、結(jié)構(gòu)形式、尺寸大小、精度要求、裝配需求等，其成型方法也不一樣。對(duì)比熱隔膜和自動(dòng)鋪絲兩種鋪放/預(yù)成型工藝[3]，對(duì)于尾翼外伸盒段C型梁來(lái)說(shuō)，自動(dòng)鋪帶加熱隔膜預(yù)成型技術(shù)仍是一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的工藝選擇。為了滿足熱隔膜預(yù)成型技術(shù)工程化應(yīng)用的迫切需求，目前國(guó)內(nèi)許多專家學(xué)者都在積極對(duì)C型梁的熱隔膜預(yù)成型開(kāi)展研究。姚雙[4]和邊旭霞[5]等人采用自行設(shè)計(jì)的熱隔膜預(yù)成型工藝試驗(yàn)裝置，對(duì)熱固性碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂單向帶預(yù)浸料開(kāi)展了熱隔膜預(yù)成型工藝試驗(yàn)，考察了工藝溫度、成型速率對(duì)預(yù)成型體質(zhì)量的影響。汪冬冬[6]、蔣詩(shī)才[7]、晏冬秀[8]等人采用自行研制的熱隔膜預(yù)成型設(shè)備，分別對(duì)幾款不同的預(yù)浸料進(jìn)行了熱隔膜預(yù)成型工藝研究，考察了成型溫度、成型時(shí)間、成型壓力對(duì)成型質(zhì)量的影響，進(jìn)而得出較優(yōu)的熱隔膜工藝參數(shù)。李璐璐[9]等人采用成熟的大型商業(yè)熱隔膜機(jī)研究了溫度、壓力、材料、熱隔膜次數(shù)及坯料鋪放形式對(duì)零件褶皺的影響。趙學(xué)瑩[10]等人在對(duì)熱隔膜預(yù)成型相關(guān)參數(shù)及影響因素研究的基礎(chǔ)上，將其成功應(yīng)用于7 m級(jí)大尺寸工型梁的制造。以上研究工作大多都集中在熱隔膜預(yù)成型工藝參數(shù)方面，零件結(jié)構(gòu)、制造過(guò)程等因素對(duì)零件成型質(zhì)量的影響研究較少，且對(duì)零件成型質(zhì)量的表征比較定性，缺少定量的數(shù)值評(píng)判。

本文針對(duì)特定的材料、在特定的熱隔膜工藝參數(shù)下，研究了自動(dòng)鋪帶錯(cuò)拼縫間距、平板料層預(yù)壓實(shí)、熱隔膜次數(shù)及結(jié)構(gòu)特征等因素對(duì)C型梁成型質(zhì)量的影響，采用L/D的方法對(duì)零件質(zhì)量進(jìn)行表征，分析了不同因素下的梁緣條、腹板、R角等區(qū)域的褶皺情況，為梁產(chǎn)品研發(fā)時(shí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝方案提供了參考。

2 試驗(yàn)部分

2.1 材料、設(shè)備與工藝

試驗(yàn)件制造所用材料為T800級(jí)碳纖維單向帶預(yù)浸料，試驗(yàn)件制造工藝流程為采用自動(dòng)鋪帶機(jī)鋪貼平板，熱隔膜機(jī)預(yù)成型，采用陰模在熱壓罐中固化成型。

2.2 試驗(yàn)件構(gòu)型

試驗(yàn)件為C型變截面、閉角結(jié)構(gòu)，如圖1所示。按照緣條高度h的不同，共對(duì)3個(gè)構(gòu)型的試驗(yàn)件進(jìn)行研究，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，3個(gè)試驗(yàn)件的緣條型面特征參數(shù)均相同。鋪層順序?yàn)閇45/90/-45/0/-45/90/45/0/-45/0/-45/0/0/45/0/45/0/45/0/45/0/0/-45/0/-45/0/45/90/-45/0/-45/90/45]s。

2.3 試驗(yàn)方案

針對(duì)不同構(gòu)型的試驗(yàn)件，試驗(yàn)矩陣設(shè)計(jì)如表2所示。分次熱隔膜試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

2.4 成型質(zhì)量表征

對(duì)于熱隔膜預(yù)成型質(zhì)量，采用目視觀察、人工觸摸的方式，判斷預(yù)成型體是否有褶皺，同時(shí)觀察其外表面和內(nèi)表面。

對(duì)于固化后質(zhì)量，目視外觀質(zhì)量，同時(shí)采用剖切的方式，觀察其內(nèi)部質(zhì)量。內(nèi)部褶皺測(cè)量示意如圖3所示，按照?qǐng)D3進(jìn)行內(nèi)部褶皺表征。其中L代表褶皺區(qū)域?qū)挾?，D代表褶皺高度，以L/D數(shù)值的大小表征褶皺的嚴(yán)重程度。L/D的值越小，褶皺越嚴(yán)重，L/D的值越大，褶皺程度越輕，成型質(zhì)量越好。

3 結(jié)果與討論

熱隔膜預(yù)成型后、固化后的外觀質(zhì)量情況如表3所示，可以看出，sy-2的K1、K4特征附近位置在熱隔膜后出現(xiàn)了褶皺，如圖4（a）所示，sy-1、sy-3、sy-4、sy-5熱隔膜后外表面均無(wú)褶皺，但內(nèi)表面特征區(qū)R角處有不同程度的褶皺或不光順現(xiàn)象，如圖4（b）、（c）所示。sy-6熱隔膜后外表面無(wú)褶皺，內(nèi)表面也無(wú)不光順現(xiàn)象。所有的試驗(yàn)件固化后均無(wú)褶皺，外觀質(zhì)量較好，如圖5所示。

對(duì)sy-2熱隔膜褶皺區(qū)域、每一個(gè)試驗(yàn)件的K1-K6特征區(qū)及鄰近的非特征區(qū)進(jìn)行剖切，觀察零件內(nèi)部纖維排布情況。對(duì)每個(gè)剖切試樣，按照?qǐng)D3所示測(cè)量L/D，結(jié)果如表4所示，可以看出，雖然固化后從外觀看褶皺消失，但試驗(yàn)件內(nèi)部仍存在一定程度的纖維褶皺，尤其內(nèi)表面R角不光順的位置，固化后內(nèi)部纖維排布也不圓順，這也說(shuō)明了即使零件熱隔膜后外表面無(wú)褶皺，也還需要進(jìn)一步確認(rèn)其內(nèi)部質(zhì)量，才能最終對(duì)零件成型質(zhì)量做出評(píng)價(jià)。

3.1 分次熱隔膜對(duì)褶皺的影響

對(duì)比sy-1、sy-4、sy-6在特征區(qū)的L/D測(cè)量值，如圖6所示，可以看出，在相同特征區(qū)位置，分次熱隔膜比不分次熱隔膜的L/D值要大，說(shuō)明分次熱隔膜一定程度上能減輕零件褶皺。尤其對(duì)于sy-6，僅在K1、K3處存在輕微褶皺，其他特征位置處均無(wú)褶皺，這一方面可能與熱隔膜分次的位置有關(guān)，按P40+P26分次時(shí)，分界面處的鋪層角度分別為45°和0°，按P42+P24分次時(shí)，分界面處的鋪層角度分別為-45°和0°，兩次熱隔膜分界面處的鋪層角度對(duì)零件質(zhì)量產(chǎn)生了影響。另一方面也有可能與緣條高度有關(guān)，sy-1、sy-4的緣條高度為103 mm，sy-6的緣條高度為80 mm，說(shuō)明降低緣條高度，可改善零件成型質(zhì)量。這同時(shí)也說(shuō)明在緣條高度較高時(shí)，分次熱隔膜對(duì)改善試驗(yàn)件質(zhì)量效果不明顯。

3.2 錯(cuò)拼縫間距對(duì)褶皺的影響

從表3可以看出，sy-4、sy-5在熱隔膜后，內(nèi)表面特征區(qū)R角均存在輕微不光順現(xiàn)象，對(duì)比sy-4、sy-5在特征區(qū)的L/D值，如圖7所示，可以看出，除了在K2特征處的L/D值相差較大以外，在其余特征處的L/D值相差不大，均存在纖維褶皺，初步說(shuō)明不同的錯(cuò)拼縫間距對(duì)零件成型質(zhì)量無(wú)影響。K1特征處L/D最小，說(shuō)明此處纖維褶皺程度最大，進(jìn)一步對(duì)比sy-4、sy-5在K1處的內(nèi)部質(zhì)量，如圖8所示。從90°鋪層（亮白色）可以看出，二者產(chǎn)生褶皺的位置高度相似，也進(jìn)一步證實(shí)了改變錯(cuò)拼縫間距對(duì)零件成型質(zhì)量無(wú)影響。

3.3 結(jié)構(gòu)特征及預(yù)壓實(shí)對(duì)褶皺的影響

對(duì)比sy-1、sy-2、sy-3，sy-2在熱隔膜預(yù)成型后出現(xiàn)了比較明顯的褶皺，這與鋪帶后的平板料層預(yù)壓實(shí)有關(guān)，說(shuō)明預(yù)壓實(shí)不利于熱隔膜預(yù)成型。雖然sy-3也進(jìn)行了預(yù)壓實(shí)，但其緣條高度只有54 mm，所以熱隔膜預(yù)成型質(zhì)量較好，也說(shuō)明了緣條高度對(duì)熱隔膜預(yù)成型質(zhì)量有影響。

圖9、圖10分別對(duì)比了6件試驗(yàn)件不同緣條型面變化對(duì)零件成型質(zhì)量（L/D）的影響。從圖9可以看出，型面變化量為1.48 mm時(shí)，隨著型面變化比例的減小，L/D呈現(xiàn)出變大的趨勢(shì)，sy-2、sy-6型面變化為1∶60、1∶80時(shí)，均無(wú)褶皺。同樣的，在型面變化量為1.11 mm時(shí)，大部分試驗(yàn)件的L/D也呈現(xiàn)出1∶60比1∶40大的現(xiàn)象。這充分說(shuō)明了型面變化比例越小，零件成型質(zhì)量越好。

從圖10可以看出，在型面變化比例為1∶40，型面變化量為1.11 mm和1.48 mm時(shí)，除sy-2以外，其余試驗(yàn)件的L/D差異不大，這可能與型面變化量相差較小有關(guān)，僅相差0.37 mm。在型面變化比例為1∶60，型面變化量為1.11 mm和1.48 mm時(shí)，sy-1、sy-4的L/D差異不大，sy-3、sy-5的L/D差異較大，且出現(xiàn)相反的現(xiàn)象，這也可能與型面變化量相差較小有關(guān)。另外sy-3與sy-5的緣條高度、熱隔膜次數(shù)等均不相同，也有可能與這些因素有關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）本研究表明，C型梁的成型質(zhì)量，包括熱隔膜預(yù)成型質(zhì)量、固化成型質(zhì)量與零件結(jié)構(gòu)特征、制造工藝過(guò)程等均有關(guān)系。在進(jìn)行C型梁產(chǎn)品研發(fā)時(shí)，需同時(shí)考慮這些因素對(duì)零件質(zhì)量的綜合影響。

（2）緣條高度影響熱隔膜預(yù)成型褶皺，降低緣條高度可一定程度上減輕熱隔膜褶皺。鋪帶后不進(jìn)行預(yù)壓實(shí)對(duì)熱隔膜預(yù)成型更有利。分次熱隔膜可一定程度改善零件成型質(zhì)量，但緣條高度較高時(shí)，分次熱隔膜改善零件褶皺的效果不明顯，且不適合于工程化應(yīng)用。型面變化比例越小，零件成型質(zhì)量越好。暫未發(fā)現(xiàn)錯(cuò)拼縫間距對(duì)零件成型質(zhì)量有影響。

（3）對(duì)于C型梁的成型質(zhì)量，要同時(shí)關(guān)注其熱隔膜外表面、內(nèi)表面質(zhì)量及固化后內(nèi)部質(zhì)量。尤其對(duì)于熱隔膜預(yù)成型質(zhì)量，目前還大量依賴于試驗(yàn)，未來(lái)可借助仿真手段，對(duì)熱隔膜褶皺等缺陷進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，從而降低研制成本，縮短復(fù)材零件的研發(fā)周期。

參 考 文 獻(xiàn)

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