“大學通”在競賽制作模塊的理論落實

陳冠旭 王飛 雷雯 楊銀 張中正

摘要：本文隸屬于創新創業項目大學通項目中比賽制作部分實際執行部分，基于大學通指導理念，完成對于大學本科生及研究生階段對于制作類比賽的探索，將大學本科生在競賽方面的理論進行實踐，完成對于創新創業項目在在整個項目中在競賽實操方面的理論實踐，總結出相應經驗并完成對于整個項目理念的完善。以下內容即為制作部分的項目專利大致內容以及對應對應參賽實際作品理念詳情。基于大學通理念的競賽參賽作品與傳統工藝相比，創新點在于通過實驗測試了手糊成型與液體成型拉伸和壓縮性能差異，計算離散系數。同時利用PAM-VARI軟件來模擬樹脂的成型，從而降低成本，減少成型工藝對環境的污染，更加經濟和高效地進行工業生產。采用整體化成型，舵面內部由傳統的泡沫夾層改為波形，在實現一體成型方面既減少零件的數量，又增加結構的剛度，同時簡化生產步驟。在工藝方面，我們利用單向透氣膜替代傳統真空袋，不僅簡化工業生產中的步驟，同時優化了產品的質量。

關鍵詞：手糊成型;液體成型;VARI;一體成型;單向通氣膜

1.項目背景及國內外研究現狀

項目背景：

航空工業的發展，要求飛行器具有輕量化、高可靠性、長壽命、低成本化等特點。樹脂基復合材料結構本身擁有高的比強度、比剛度、比模量，高綜合效費比和結構效率以及復雜構件材料性能的可設計性強等特點，具有其它材料不可比擬 的優勢。同時，復合材料優良的抗疲勞性和耐腐蝕性，可以大大提高飛機結構件的使用壽命，降低維護費用;增加機艙內的壓力和空氣濕度，提高乘坐的舒適度。復合材料是輕質高強結構設計的理想材料，在高端制造業被廣泛重視的背景下，復合材料以其優良的綜合特性，在世界上得到了大力提倡和發展，正廣泛應用于工業技術領域。尤其在航空領域，復合材料整體化液體成型技術通過減少零件及緊固件的數目，大大減輕了制件質量，減少了連接及裝配工作量，降低了研制成本。因此，采用低成本的非熱壓罐固化工藝，是降低復合材料制件成本的有效途徑，從而使第 2 種大面積整體成型技術— 低成本的復合材料液體成型技術成為目前世界上復合材料研究領域的一個熱點。

2.項目研究內容

本課題的主要研究內容主要分為四個部分：

第一，進一步比較手糊工藝與液體成型工藝力學基本性能。從基本性能測試可以看出液體成型優于手糊成型。提出并采用新型波形板。類似波浪形狀的梁架結構，不同于以往的工字梁結構，波形梁更適合用液體成型加工，波形有更好的抗彎性能，提升舵面的剛度。波形梁結構具有更好的力學性能，可以應用于飛機舵面的發展研究。

第二，降低復合材料構件的制造成本由于整體化成型技術將諸多零件通過共膠接、共固化、二次膠接等方式整合成一個或幾個零件，減少了結構的分段和對接從而大幅度地減少結構質量。由于復合材料的成本最后是以單位質量進行計量，因此減輕質量一定會帶來成本降低的直接效應。

第三，我們嘗試在生產中，以單項透氣膜代替真空袋，尋求最大程度簡化工藝流程。

第四，我們探究如何通過PRM-RTM軟件模擬樹脂成型來找出一種更加經濟且快速地生產超輕型飛機舵面的方法，并比較液體成型與手糊成型的性能差異，探究液體成型的優勢。

液體成型與傳統的手糊成型相比，所得出的產品質量更加集中，而手糊成型時由于出現貧膠和富膠的情況，對各個產品的性能會產生巨大的影響。實驗數據如下圖所示。

針對本項目，我們創造性地采用PRM-RTM軟件來模擬樹脂成型，進而探究如何更加經濟且快速地生產超輕型飛機舵面。

3.項目研究結果

1.我們團隊采用波紋形內梁，是目前國內還沒有在輕型飛機實施使用生產的新型梁架結構。不同于以往的工字梁結構，波形梁更適合用液體成型加工，波形有更好的抗彎性能，提升舵面的剛度。通過大量實驗，得到拉伸、壓縮的數據，進行分析得出：波形梁結構具有更好的力學性能，可以應用于飛機舵面的發展研究。

2.液體成型的制品與傳統手糊的制品相比，下表為實驗數據，由數學分析得到數據的離散系數更小，離散系數大概在4%左右，而傳統手糊工藝則有10%之多，說明液體成型的材料抗拉抗壓的性能更好，穩定性更高。

4.項目市場性分析

我們采用的液體成型整體化技術，是將來的趨勢。新型液體成型技術簡化了成型工藝流程和成型設備需求。顯著降低了樹脂和清洗溶劑以及樹脂管道的材料成本，具有更高效、更低成本的特點。

（1）相比傳統VARI成型工藝，新型液體成型技術所制備的復合材料制件具有更佳的厚度均勻性，可以滿足航空材料結構大規模生產的需求。

（2）采用新型液體成型技術研制的飛機舵面，其外表光滑無缺陷，內部質量穩定，且厚度均勻性良好，滿足航空復合材料構件的應用要求;驗證了新型液體成型工藝的可靠性和可行性，為 VARI技術在我國飛機上的應用奠定了堅實的基礎。

5.項目總結

優勢：實現了一種低成本，制作較簡便的液體成型飛機舵面。我們首次采用了整體融合成型方法，試驗表明整體成型可降低成本，提高制件性能。結果表明這些技術可實現復合材料舵面的低成本化。因此，目前對復合材料舵面的整體成型技術研究也僅停留在針對個別部件的整體成型，然后采用共膠接或共固化技術將其組裝成整個舵面。有關全復合材料舵面的整體成型技術、力學考核及其破壞機理分析的研究還很少。整體成型能保證纖維的連續性，可充分發揮纖維的承載能力，避免采用薄弱的層間來傳遞載荷。為此，本工作采用整體成型技術，以泡沫作為芯材，設計并制備了不同結構形式的復合材料模型舵面，同時對其進行了力學試驗驗證，分析其破壞機理，探索整體成型技術在復合材料舵面上的可行性。通過實際結論完成對于整個技術的革新以及比較了以往技術與結合了“互聯網+”后完成的技術改革，真正意義上踐行了，大學通中對于競賽模塊的創新應用，身體力行的將創新創業理念融入到了具體的大學通競賽中，使得大學通的整體理念更加完備，為大學生項目在學生競賽方面積累了寶貴的經驗。

作者簡介：

陳冠旭，男，漢族，沈陽航空航天大學2017級航空宇航專業本科生

王飛，男，漢族，創新創業項目指導教師

雷雯、楊銀、張中正，沈陽航空航天大學2015級本科生

本文用于沈陽航空航天大學省級創新創業項目：201810143181大學通

（作者單位：沈陽航空航天大學）