復(fù)合材料在飛機(jī)起落架艙門(mén)的應(yīng)用研究

張恒康+++晁燦

摘 要：復(fù)合材料具有比強(qiáng)度，比剛度高的特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。起落架艙門(mén)則是飛機(jī)中最早及最多使用復(fù)合材料的部件之一。對(duì)比金屬材料起落架艙門(mén)，復(fù)合材料起落架艙門(mén)重量輕，剛度好，零件數(shù)量少，同時(shí)也存在著工藝難度大，成品率等問(wèn)題。文章研究了起落架艙門(mén)的材料選用，設(shè)計(jì)方法及工藝流程。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；碳纖維；蜂窩；起落架艙門(mén)

1 概述

先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、性能可設(shè)計(jì)和易于整體成形等許多優(yōu)異特性。先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用的部位和用量多少，現(xiàn)已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。目前大多數(shù)起落架艙門(mén)采用復(fù)合材料代替金屬設(shè)計(jì)，能夠減輕重量，提升艙門(mén)剛度。

2 起落架艙門(mén)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

起落架艙門(mén)由面板與接頭組成，艙門(mén)面板為結(jié)構(gòu)承力主體，通常為復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。夾層板的面板相當(dāng)于I型梁的翼板，它們承受梁所受到的彎曲載荷。一側(cè)面板承受壓應(yīng)力時(shí)，另一側(cè)面板承受拉應(yīng)力。相類似，蜂窩芯材相當(dāng)于I型粱的腹板。芯材承受剪應(yīng)力，將面板分離以提高結(jié)構(gòu)剛度，并在I型梁的基礎(chǔ)上有所提高。芯材為翼板或面板提供持續(xù)支撐，得到剛度增強(qiáng)后均勻分布的板材。結(jié)構(gòu)膠粘劑牢固地將夾層結(jié)構(gòu)各組分結(jié)合在一起。使其作為一個(gè)整體，具有高結(jié)構(gòu)扭矩及高彎曲剛度。使其成為擁有良好扭曲及彎曲剛度的統(tǒng)一體。

3 艙門(mén)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)

起落架艙門(mén)的夾層結(jié)構(gòu)中，面板選材主要有碳纖維和玻璃纖維。高模量碳纖維單向帶和預(yù)浸料應(yīng)用則更為廣泛。芯材材料則有蜂窩芯和泡沫芯，同時(shí)還需要搭配膠黏劑和發(fā)泡膠等其他材料有機(jī)整合成一個(gè)整體，才能提供足夠的強(qiáng)度和剛度。

一種典型蜂窩結(jié)構(gòu)起落架艙門(mén)的材料選用如表1所示。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)載荷方向，合理設(shè)計(jì)鋪層方向，盡量減少鋪層數(shù)量。同時(shí)保證鋪層的對(duì)稱性，避免耦合引起翹曲，同時(shí)在接頭處進(jìn)行必要鋪層的加強(qiáng)。

芯材如果選用芳綸紙蜂窩，則需要注意蜂窩的高度與傾斜角度，確保蜂窩在固化的成型過(guò)程中不會(huì)發(fā)生塌陷和滑移。起落架艙門(mén)往往由于接頭布置位置，剛度要求以及尺寸大小，不得不采用較高高度的蜂窩以及大角度傾角。此時(shí)則需在設(shè)計(jì)和工藝兩端同時(shí)采取防塌陷防滑移措施，例如邊緣灌封處理，分步固化成型等方法。

在緊固件連接位置需對(duì)蜂窩進(jìn)行加強(qiáng)，防止緊固件的擰緊力矩及局部集中載荷壓塌蜂窩。通常的做法是在緊固件區(qū)域進(jìn)行灌封或者增加鑲嵌件增加芯材的抗壓強(qiáng)度。典型的復(fù)合材料艙門(mén)如圖2所示。

4 復(fù)合材料艙門(mén)的工藝方法

復(fù)合材料艙門(mén)的制造工藝流程如下：

（1）材料準(zhǔn)備：準(zhǔn)備碳纖纖維織物或單向帶，蜂窩夾心，膠膜等，其中碳纖維及膠需要在冰庫(kù)中保存，相比金屬材料，復(fù)合材料保存條件要求高，材料保存周期短。

（2）蜂窩機(jī)加：蜂窩機(jī)加成型，通常蜂窩芯需穩(wěn)定化處理。

（3）工裝準(zhǔn)備：工裝需加溫加壓和抽真空固化成型零件，因此工裝需進(jìn)行氣密性檢查以及熱分布測(cè)試。

（4）鋪層：前起艙門(mén)通常采用手工鋪層方式。鋪層邊緣需延伸到模具邊緣防滑帶固定，防止鋪層在加壓后滑移。

（5）壓實(shí)：鋪層完成后需用真空帶壓實(shí)。

（6）固化：復(fù)材制件送進(jìn)熱壓罐加溫加壓固化，固化穩(wěn)定壓力曲線按相應(yīng)工藝規(guī)范執(zhí)行，整個(gè)固化過(guò)程需記錄溫度及壓力曲線。復(fù)材件固化過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)件性能影響重大，多數(shù)零件缺陷均在固化過(guò)程中產(chǎn)生。

（7）脫模切割。

（8）無(wú)損檢測(cè)。

復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬零件相比，制造難度高，工藝穩(wěn)定性差，成品率低。因此制定一套工藝方案需要通過(guò)數(shù)件試驗(yàn)件的研制，不斷改進(jìn)工藝方法，才能穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

起落架艙門(mén)作為剛度結(jié)構(gòu)件適合采用夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)材設(shè)計(jì)形式。材料選用則主要為碳纖維預(yù)浸料，芳綸紙蜂窩，搭配膠黏劑及灌封膠。設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分的考慮產(chǎn)品的工藝性，合理選擇蜂窩高度及傾角，對(duì)邊緣及緊固件連接處進(jìn)行強(qiáng)化處理。通過(guò)試驗(yàn)件試制合理制定工藝方案，增加工藝穩(wěn)定性和成品率。

參考文獻(xiàn)

[1]復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊(cè)[Z].航空航天工業(yè)部科學(xué)技術(shù)研究院，1990.