熱塑性復(fù)合材料艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及整體成形技術(shù)分析

康龍輝，劉智敏，蔣斌林，羅 兵

（1.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024;2.空軍裝備部駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024）

0 引言

熱塑性復(fù)合材料是以熱塑性樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料，相較于熱固性復(fù)合材料，其優(yōu)點(diǎn)主要有：韌性、損傷容限性能、抗沖擊、抗裂紋擴(kuò)展等性能較好；成形周期短，生產(chǎn)效率高，節(jié)約成本；具有重塑性，可以循環(huán)利用，提高零件的可修理性，降低報(bào)廢率等等[1]。因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，熱塑性復(fù)合材料逐漸受到重視，在航空航天領(lǐng)域的用量也在不斷增加。

目前國(guó)內(nèi)使用熱塑性復(fù)合材料的比較少，且尚未將熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用于艙段上，只有少部分飛機(jī)的非承力部件用的是熱塑性復(fù)合材料，如“八五”期間采用靜電粉末法PEEK熱塑性預(yù)浸料制造的某型平板艙門；肖娟，彭興國(guó)，高彬[2]采用聚酰亞胺樹(shù)脂/T300碳纖維無(wú)緯布和織物制造的某型無(wú)人機(jī)后機(jī)身艙門結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)飛行器艙段大部分采用金屬鑄造及鈑鉚結(jié)構(gòu)等方法制造，結(jié)構(gòu)形式主要表現(xiàn)為傳統(tǒng)硬殼式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)重量占比較大，無(wú)法達(dá)到減重要求。為了達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)要求，本文首次將熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用于復(fù)雜加筋艙段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

1 加筋艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

艙段為某型無(wú)人機(jī)設(shè)備艙，總體要求如下：

1）結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度要求；

2）方便成件安裝與維護(hù)。

為滿足總體要求，艙段設(shè)計(jì)為典型薄壁筒體結(jié)構(gòu)，在艙段左右兩邊各設(shè)置一個(gè)大開(kāi)口用于成附件的安裝與維護(hù)，同時(shí)上下各設(shè)置天線安裝口框。艙段設(shè)計(jì)為典型壁厚的蒙皮+縱橫加強(qiáng)筋，針對(duì)四個(gè)不同功能區(qū)域，設(shè)置了四種不同高度的加強(qiáng)筋以滿足強(qiáng)剛度要求。復(fù)合材料加筋典型構(gòu)型主要有工字形、T字形、J字形、Z字形、帽形、角形等，為了獲得較好的工藝性，加強(qiáng)筋形式選T字形。艙段加強(qiáng)區(qū)域如下：主體區(qū)域環(huán)向設(shè)有若干加強(qiáng)筋；套接區(qū)域進(jìn)行增厚設(shè)計(jì)，環(huán)向設(shè)有加強(qiáng)筋；口框四周進(jìn)行增厚設(shè)計(jì)，同時(shí)縱向設(shè)有兩個(gè)加強(qiáng)筋；艙段垂直方向設(shè)有兩個(gè)腹板安裝凸臺(tái)，用于安裝成附件安裝板，各縱橫加強(qiáng)筋與蒙皮一起形成艙段整體結(jié)構(gòu)。艙段結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 艙段結(jié)構(gòu)示意圖

材料體系選用T700/PESEKK熱塑性復(fù)合材料，PESEKK（聚芳醚砜醚酮酮）是一種高性能熱塑性樹(shù)脂基體材料，它具有高強(qiáng)度、高模量、耐濕熱等特點(diǎn)，常溫下，該樹(shù)脂拉伸強(qiáng)度可達(dá)90MPa，模量可達(dá)3GPa。根據(jù)不同纖維長(zhǎng)度分別設(shè)計(jì)了短切纖維/PESEKK和T700碳布/PESEKK試驗(yàn)件，短切纖維試驗(yàn)件采用干法成形，連續(xù)纖維試驗(yàn)件采用濕法成形，室溫下其力學(xué)性能見(jiàn)表1。

2 艙段整體成形工藝技術(shù)

采用模壓成形工藝，成形總體思路如圖2所示：先將加強(qiáng)筋在模具上成形好后，放入主模具中陽(yáng)模的凹槽中，再進(jìn)行蒙皮的鋪貼，最后加熱加壓融合形成整體艙段主體結(jié)構(gòu)。

圖2 工藝流程總圖

表1 不同纖維長(zhǎng)度試驗(yàn)件室溫下力學(xué)性能

模具設(shè)計(jì)：模壓成形工藝中，模具的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，本文采用組合模具的形式，整個(gè)模具采用上下分模的分模方式，其中上下兩塊分模為陰模，中間部分為陽(yáng)模，陽(yáng)模由多個(gè)可活動(dòng)的模塊組成，由于模具主要是靠上下兩個(gè)分模的壓力作用，前端框上的兩個(gè)平面無(wú)法受力，故前端框由單獨(dú)的模具模壓而成，內(nèi)壁的加筋條也用單獨(dú)的模具模壓而成。艙段口框處，采用陰陽(yáng)模具組合形式，陰模保證了開(kāi)口的形狀與尺寸，陽(yáng)模為陰模提供支撐。艙段整體模具分解圖如圖3 所示：其中，1 為下陰模，2、3、4、5、6 為中間部分的陽(yáng)模，7為模擬艙段。脫模時(shí)，先抽出陽(yáng)模2，再抽出陽(yáng)模3、4，最后抽出5、6即可將制件取出。

圖3 模具分解示意圖

鋪貼設(shè)計(jì)：1）加強(qiáng)筋的成形：計(jì)算好各加強(qiáng)筋的重量，稱取同等重量的干法混合的短纖維/PESEKK熱塑性復(fù)合材料樹(shù)脂，將其放入模具中加壓高溫固化成形，成形好的加強(qiáng)筋如圖4所示。2）蒙皮鋪貼：將主模具的陽(yáng)模組合完成之后，在陽(yáng)模對(duì)應(yīng)的凹槽上放入成形好的各加強(qiáng)筋，然后進(jìn)行鋪貼。鋪貼過(guò)程：采用濕法成形，先將裁剪好的碳布按一定角度鋪于陽(yáng)模上，再稱取與碳布等量的PESEKK樹(shù)脂溶液均勻涂刷于碳布上，如此反復(fù)直至鋪貼完成。

鋪貼完成后，合上陰模，對(duì)整個(gè)模具進(jìn)行加熱加壓，保溫一段時(shí)間，待模具冷卻后開(kāi)模取件，對(duì)試件毛邊進(jìn)行修整后完成制造。采用傳統(tǒng)鋁合金鑄造的艙段重量為10.33kg，而采用熱塑性復(fù)合材料制備的零件重量為7.44kg，減重達(dá)28%，實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 單獨(dú)成形好的加強(qiáng)筋

圖5 艙段實(shí)物照片

3 靜力試驗(yàn)

如圖6所示，對(duì)艙段進(jìn)行靜力試驗(yàn)，不同工況下靜力試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖6 艙段靜力試驗(yàn)照片

表2 靜力試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，不同工況下艙段在100%設(shè)計(jì)載荷下均未出現(xiàn)破壞，艙段整體滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用骨架蒙皮結(jié)構(gòu)，針對(duì)不同功能區(qū)域設(shè)計(jì)了不同高度的加強(qiáng)筋，完成了對(duì)某艙段結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。首次將熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用于復(fù)雜加筋艙段，采用T700短切碳纖維/PESEKK與碳布/PESEKK熱塑性復(fù)合材料整體模壓成形技術(shù)，將加強(qiáng)筋單獨(dú)用短切纖維模壓成形后放入主模通過(guò)高溫高壓融滲成形為整體艙段；制成的艙段較傳統(tǒng)鑄造艙段減重28%；經(jīng)靜力試驗(yàn)考核，艙段結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)剛度設(shè)計(jì)要求。