金屬改復合材料中艙門結構優化設計

朱成香，張改華，高永強，李 瓊

(航空工業洪都,江西 南昌 330024)

0 引言

某型機發動機艙門目前采用金屬鈑金鉚接結構，存在零件數量較多，組裝過程中容易產生扭轉變形，與機體結構之間存在強迫裝配現象，導致外形質量難以保證，并且制造周期長。為了解決此類問題，對艙門進行復材結構方案優化設計。

本復材設計采用CATIA與FIBERSIM軟件集成的數字化設計制造一體化技術，從復合材料零部件整體成型體選材、細節設計、制造工藝裝配等進行論述，為復材整體成型結構設計及制造一體化技術應用提供思路。

1 原金屬中艙門結構方案

原金屬艙門為鋁合金鉚接結構，由蒙皮和艙門骨架組成，艙門骨架主要有三個橫隔板、四個縱隔板以及兩個艙門梁組成；而每個橫隔板均由三段“Z”形LY12M-δ1.2鈑彎件組合而成，每個縱隔板均由兩段“C”形LY12M-δ1.2鈑彎件組成。艙門與周圍結構均采用快卸鎖連接，左右兩側對稱分布3把鉤形快卸鎖與下大梁上的鎖環連接，前端4個插銷鎖座與前艙門4把插銷快卸鎖連接，后端4把插銷快卸鎖與36框上的鎖座連接，對稱面橫隔板處有一只彈簧快卸銷與中梁連接，連接艙門與周圍結構的15個接頭均為鋁質或鋼質的機加零件，艙門結構見圖1所示。

2 復合材料中艙門結構方案

復材結構的最大特點是材料和結構同時成型，結構設計、材料選用和制造工藝緊密結合，最大限度地利用復材獨特的結構特性（可設計性和優異的成形工藝性），整體成型，減輕重量，降低成本。

2.1 工藝方法的選擇

熱壓罐工藝是比較成熟的工藝方法，可以提供均勻的高溫度，高壓力場，制件質量高。RTM工藝具有強度及性能可靠性高、成型工藝簡單、生產效率高、外表光滑、環保性能好等優點。

若將中艙門壁板和艙門骨架整體RTM成型，則蒙皮加泡沫結構模具分塊多，設計相當復雜，工作量大，成本高。綜合考慮，將熱壓罐工藝與RTM技術結合起來，熱壓罐工藝用于成形艙門壁板，RTM工藝用于成形艙門骨架，然后進熱壓灌進行二次膠接。雖然配合協調技術要求高，但降低了工藝難度；降低了制造大型構件的風險，廢品率低，可充分發揮兩種工藝的優勢。

2.2 材料選擇

復材夾層結構與傳統的層壓板相比，具有高剛度、重量比的優點，可以達到明顯的減重效果。夾層結構的泡沫芯材相比蜂窩芯材，具有吸膠量低，抗吸濕性好的優點。ROHACELLL-51WF材料是一種閉孔剛性發泡材料，具有卓越的強度和重量比，適合采用共固化工藝。

環氧樹脂具有優良的力學性能、纖維界面粘接性能及成型工藝性能等特點，其品種多，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成形工藝等，所以根據結構的最高溫度，可選擇5284RTM中溫環氧樹脂體系，U-3160及CF3031織物非常適宜碳纖維這類具有高模量且耐磨性差的纖維的織造。

因此選擇了U3160/5284RTM，CF3031/5284RTM ，及泡沫夾芯ROHACELL-51WF等材料，用于艙門設計制造。

2.3 復材方案確定

綜合考慮中艙門整體成形模具設計制造成本、材料的匹配性、零件生產制造和裝配等因素，根據艙門的結構和受力特點，RTM工藝成形艙門骨架，預浸料/熱壓罐工藝成形艙門壁板（泡沫夾芯），之后骨架與壁板進行二次膠接組合，最后將鎖座等金屬接頭通過緊固件固定在艙門骨架上，完成整個艙門的裝配。艙門與周圍結構的連接保持不變：左、右兩側各采用3把鉤形快卸鎖與后機身下大梁上的鎖環連接，中間采用1把快卸彈簧銷與中梁連接，前、后兩側各采用4把插銷分別與前艙門及36框連接。

各復合材料零組件（包括1個艙門壁板、3個橫隔板、4個縱隔板、2個艙門梁以及1個口框）單獨固化成型后用中溫膠膜J-47E進行二次膠接，最后將鎖座等金屬接頭通過緊固件固定在艙門骨架上，完成整個艙門的裝配，結構示意見圖2。

3 艙門整體成型體細節設計

3.1 艙門骨架

艙門骨架采用RTM液態成形工藝制造，包括由3個橫隔板、5個縱隔板及2個艙門梁組成，各零件單獨固化成型，如圖3所示。

3.2 隔板

橫隔板左右跨度約2000mm，與艙門外形一致為“W”形結構，主要為艙門壁板提供橫向支持，防止艙門受力時產生過大的橫向變形，并將艙門接頭傳來的集中載荷向壁板進行擴散，橫隔板因外形曲率大、彎折嚴重，采用CF3031/5284RTM碳纖維，充分利用該織物良好的鋪貼性；緣條部位采用U-3160/5284RTM碳纖維發揮其單向性能突出的優勢。為提高零件的表面質量，最外層采用沿45°方向布置的CF3031/5284RTM織物。結構如圖4所示。

縱隔板位于橫隔板之間，其功能與橫隔板類似，主要用于提高壁板剛度，防止受力時艙門產生過大的縱向變形，由6層CF3031/5284RTM和4層U3160/5284RTM共同鋪成。

3.3 艙門梁

艙門梁位于艙門的兩側，與橫隔板及壁板相連，金屬銷座通過緊固件固定在艙門梁上，其功能與縱隔板類似，主要防止艙門受力時產生過大的縱向變形。由6層CF3031/5284RTM和4層U-3160/5284RTM鋪成，與金屬銷座的連接部位局部加強，增加10層碳纖維。結構如圖5所示。

3.4 艙門壁板

艙門壁板及口蓋均為碳纖維泡沫夾芯結構，采用傳統的預浸料/熱壓罐工藝共固化成型，由內、外蒙皮及泡沫夾芯組成，結構如圖6所示。壁板及口蓋的內、外蒙皮均采用8層HF10A/NY9200GA碳纖維預浸料鋪成，泡沫夾芯材料為Rohacell-51WF且厚度均為10mm。

3.5 口框

因艙門壁板上開有口蓋供拆裝快卸彈簧銷使用，壁板在口蓋周圍需要加強，因此布置了加強口框并通過二次膠接將口框固定在壁板上。口框由16層HF10A/NY9200GA碳纖維預浸料鋪成，結構如圖7所示。

3.6 艙門接頭

在艙門與周圍結構的連接保持不變的前提下，左右兩側的鉤形鎖座、中間的快卸銷座及前部的插銷座與金屬艙門基本相同，受復材零件完整性要求，連接艙門后部與隔框的插銷鎖改為彈簧快卸銷，后部的鎖座相應改為插銷座，接頭布置如圖8所示。

因艙門骨架單獨成形，需要在縱、橫隔板的交叉部位增加連接件將骨架連成一個整體：在隔板的腹板之間增加L形角片傳遞剪力，在隔板的上緣條間增加連接片以傳遞軸力。如圖9，圖10所示。

3.7 艙門裝配

裝配時，接頭及鎖座等金屬零件與蒙皮、隔板等復材零件之間貼一層玻璃布防止電化學腐蝕，所有的結構縫隙在固化后必須用環氧樹脂J-4膠封口。金屬和復材之間用鈦合金抽釘CR7771S和CR7770S進行連接，艙門梁、縱隔板、鉤形快卸鎖與蒙皮典型連接如圖11所示。所有機械連接（口蓋處及注明除外）均采用濕連接，連接時釘孔涂H06-2環氧鋅黃底漆。

艙門的金屬接頭與碳纖維復合材料壁板及隔板連接，為防止電位差過大引起電位腐蝕：鉤形鎖座采用不銹鋼材料1Cr18Ni9Ti，其它接頭根據傳載的需要選用7050-T7451或30CrMnSiA，骨架間的連接片采用LY12鋁合金，并在與復合材料制件的貼合面處增加1層玻璃布進行隔離。

3.8 典型零件FIBERSIM鋪層信息表示

FIBERSIM軟件為世界領先的復合材料設計制造軟件，集成于CATIA軟件，鋪層信息比較直觀，為復合材料的設計和制造提供了全面的解決方案，能夠自動生成生產所需的下料、激光定位等信息。

典型的橫隔板零件因外形曲率大、彎折嚴重，隔板截面為“工”字形，貼膜面如圖12所示。隔板腹板由10層碳纖維織物（CF3031/5284RTM）鋪成，在與銷座的連接部位局部加強（增加5層CF3031/5284RTM），并在過渡區內逐級剔層；隔板緣條由1層CF3031/5284RTM及5層U3160/5284RTM鋪成，如圖13，圖14所示。通過FIBERSIM軟件可以很直觀的看見零件的鋪層信息，而且FIBERSIM軟件可與有限元分析接口，進行強度校核，可進行可制造性分析形成相關數據。

4 靜強度計算

經過強度分析，中艙門復合材料結構滿足強度要求，艙門結構的安全余量、穩定性系數和失效指數具體如表1所示。

5 工藝重點分析及技術措施

5.1 工藝重點分析

5.1.1 壁板外形控制

影響艙門壁板形面質量的因素包括：外蒙皮的厚度精度；泡沫夾芯的尺寸精度；內蒙皮的厚度精度；零件整體變形量。

5.1.2 膠接質量控制

發動機艙門由壁板和縱、橫隔板、梁采用J-47E中溫膠膠接成型。壁板外形復雜、尺寸大，存在很大的變形風險。因此壁板與縱橫隔板、梁膠接面會出現不同程度的間隙或干涉現象。因此，首先會出現膠接質量不理想，其次隨著時間推移應力釋放將出現膠接面脫粘現象。

表1 艙門強度指標

表2 模具設計

5.1.3 鎖座安裝定位

鎖座是發動機艙門與機身連接的部位，是這兩部分的裝配交點，其安裝位置的準確度直接影響到發動機艙門能否成功與機身連接。

5.2 技術措施及工藝過程

本著工裝數量最小化及制造依據的一致性，對于壁板成形、艙門骨架組合及兩者的膠接、快卸鎖的安裝四部分工作制定模具如表2所示。

5.2.1 艙門骨架組合工藝過程

首先，用RTM零件檢查與壁板膠接區是否存在干涉，然后用J-81膠定位膠接各RTM零件，再用模具上的定位裝置將各RTM零件定位，最后用角片和連接片通過機械連接將各RTM零件組裝成骨架。

5.2.2 壁板與骨架膠接工藝過程

首先，校驗模校驗骨架與壁板膠接面配合情況，然后，根據校驗結果放置相應層數的膠膜J-47E，最后用均壓板均勻施壓保障膠接質量。

5.2.3 鎖座安裝工藝過程

借用現有某型教練機中艙門裝配架，通過型架定位器確定鎖座安裝位置。

6 設計指標評價

6.1 連接件數量

艙門的連接件主要位于金屬件與復材件的連接部位，連接件數量減少74%。

6.2 零件數量

根據復合材料發動機艙門的詳細設計數模，零件數量減少45%。

6.3 艙門重量

按照詳細設計數模，重量減小9.5%。

7 結語

本文通過對金屬改復材艙門優化設計研究過程進行論述，選取相應的材料體系，借助FIBERSIM軟件設計方法,實現了某型機艙門結構先進復材整體成型設計—工藝技術，不但能減輕結構重量，控制結構變形，改善外表面質量，而且可以減少零件數量及機械連接，降低裝配難度。

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