T型長桁邊緣倒角對蒙皮纖維屈曲的影響

周長庚 荀國立 邱啟艷 陳 靜

（中國航空制造技術研究院復合材料技術中心，北京 101300）

文 摘 針對T 型加筋壁板典型結構共膠接成型過程中T 型長桁邊緣處蒙皮纖維屈曲的問題，開展了T型長桁邊緣倒角對蒙皮纖維屈曲的影響研究，對長桁邊緣產生纖維屈曲的原因、機理以及長桁邊緣倒角角度與纖維屈曲程度關系進行研究。結果表明，共膠接成型制備T 型加筋壁板時，長桁緣條面邊緣倒角能改善長桁緣條邊緣處蒙皮的纖維屈曲的程度；長桁邊緣處蒙皮纖維屈曲的劇烈程度與長桁緣條邊緣倒角角度和蒙皮厚度成正比，與蒙皮鋪層中90°纖維鋪層比例成反比。工程應用中，對長桁邊緣適當倒角，在不使用工藝軟模的條件下有利于提高復合材料加筋壁板的成型質量。

0 引言

復合材料具有高比強度、性能可設計、抗疲勞性和耐腐蝕性好等優(yōu)點，廣泛地應用于各類航空航天飛行器，大大地促進了飛行器的輕量化、高性能化、結構功能一體化。復合材料的應用部位已由非承力部件及次承力部件發(fā)展到主承力部件，并向大型化、整體化方向發(fā)展，先進復合材料的用量已成為航空航天飛行器先進性的重要標志［1-2］。

復合材料加筋壁板結構作為復合材料結構中最常用的結構類型，主要應用于飛機機身、機翼、垂尾，平尾、火箭筒段等主承力件上。復合材料加筋壁板依據長桁/筋條的結構形式不同分為:T 型長桁加筋壁板、工型長桁加筋壁板、帽型長桁加筋壁板和π 型筋條壁板。復合材料加筋壁板結構整體化成形工藝主要有預浸料-熱壓罐、預成形件/RTM 或RFI 成形工藝等［3-5］。

通常T 型加筋壁板熱壓罐成型工藝有共固化成型、共膠接成型和二次膠接成型。共膠接成型工藝中，其中一種就是先固化長桁，再將未固化的蒙皮與長桁進行共膠接。一般說來，這種工藝方法能較好保證膠接質量和控制變形，適合長桁較多、型面較為復雜的加筋壁板。采用這種方法通常需要制作軟模，而對于長桁較多/分布復雜的加筋壁板，軟模制備繁瑣，軟模與長桁配合困難，配合不好時，長桁邊緣處蒙皮容易產生缺陷，尤其是蒙皮局部的纖維屈曲/褶皺，這對加筋壁板的力學性能造成不利影響［6-10］，用常規(guī)的檢測方法較難測量表征；為此，可以將長桁邊緣進行倒角，不使用軟模，直接覆蓋工藝輔助材料，再進行共膠接成型。本文針對T型加筋壁板典型結構共膠接成型，開展T型長桁邊緣倒角對蒙皮纖維屈曲影響研究，對長桁邊緣產生纖維屈曲的原因、機理以及長桁邊緣倒角角度與纖維屈曲程度關系進行研究，為T型加筋壁板結構的先固化長桁的共膠接成型工藝提供支持，為長桁邊緣倒角構型在航空航天飛行器結構上的應用提供支撐。

1 試驗

1.1 試驗材料

本次試驗采用國產300 級碳纖維/雙馬來酰亞胺預浸料（CCF300/QY9511），其樹脂含量為33wt%，面密度為200 g/m2，固化后單層厚度為0.125 mm。使用的膠膜高溫固化雙馬結構膠膜（J-299）膠膜，膠膜厚度為0.2 mm。

1.2 試驗件構型

本文采用T型加筋壁板作為試驗對象，試驗件長2 m，寬1.2 m，長桁緣條寬度40 mm。試驗件均布有T 型長桁4 根。試驗件蒙皮包含不同厚度區(qū)，厚度分別為:2、5 、8 mm，不同厚度區(qū)0°、±45°和90°鋪層比例一致。同時長桁不同部位分別設置6 種不同角度的倒角，分別為:90°、65°、45°、35°、30°、20°，試驗件構型示意圖見圖1。

圖1 試驗件構型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test piece

1.3 試驗件成型工藝

試驗件采用先固化長桁，再將未固化的蒙皮與長桁進行共膠接。試驗件膠接時，不放置工藝軟模，直接在組裝好的試驗件上覆蓋工藝輔助材料。試驗件采用熱壓罐共膠接成型，共膠接成型工藝參數為:真空度-95 kPa，加壓60 kPa，升溫至120℃，保溫35 min，升溫至185℃，保溫70 min，升溫至195℃，保溫300 min，降溫至60℃，泄壓。升降溫速率≤1.5℃/min。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

用纖維屈曲隆起的高度D和屈曲的寬度L的比值D/L來評價纖維屈曲的嚴重程度，其值越大表示纖維屈曲越厲害，其值越小則表明纖維屈曲越平緩，如圖2所示。同時用D/H表示纖維屈曲高度在厚度方向上的占比。

圖2 纖維屈曲程度示意圖Fig.2 Schematic diagram of the fiber buckling

試驗件固化后，通過截取不同長桁邊緣倒角角度區(qū)域和不同厚度區(qū)域的試樣，用Ptillia M20-HD 型視頻顯微鏡對試樣橫截面進行拍照和測量，得到了6種倒角（90°、65°、45°、35°、30°、20°）和3 種蒙皮厚度（8、5、2 mm）蒙皮纖維的屈曲程度，具體見表1。

從表1上可以看出，對于同一蒙皮厚度，隨著倒角角度的減小，纖維屈曲越來越平緩。對于同一倒角角度，隨著蒙皮的厚度增加，纖維屈曲鋪層數越多，纖維屈曲的隆起高度和寬度相對越大，從圖上可以看出長桁邊緣的倒角減緩了纖維屈曲的劇烈程度。

通過用Ptillia M20-HD 型視頻顯微鏡的測量工具對纖維屈曲隆起的高度D和屈曲的寬度L進行測量，分別計算D/L 和D/H，其結果見圖3。

從圖3（a）可以看出對于同一蒙皮厚度，纖維屈曲高度隨著倒角角度的變大而增大，對于同一倒角角度，隨著蒙皮厚度的增加，纖維屈曲的高度也隨之增加。從圖3（b）可以看出對于同一蒙皮厚度，纖維屈曲寬度隨著倒角角度的變大而增大，對于同一倒角角度，隨著蒙皮厚度的增加，纖維屈曲的寬度也隨之增加。從圖3（c）可知，同一蒙皮厚度隨著倒角角度的增大，D/L越來越大，纖維屈曲越厲害，當倒角角度一定時，D/L隨著蒙皮的厚度增加而增加。從圖3（d）可知，同一蒙皮厚度，隨著倒角角度的增大，D/H越來越大，纖維屈曲高度占厚度的比例隨著倒角角度增大，當倒角角度一定時，D/H隨著蒙皮的厚度增加而減小，這說明雖然纖維屈曲的程度隨蒙皮厚度增加而變得厲害，但是其高度占比蒙皮厚度卻越來越小。

表1 不同倒角角度和蒙皮厚度纖維屈曲情況Tab.1 Fiber buckling for different angle of chamfering and skin thickness

為研究不同鋪層角度纖維屈曲對倒角的敏感程度，選取長桁倒角角度為45°，設計三種不同鋪層（0°、90°、準各向同性鋪層）且厚度為4.5 mm的試樣，采用同樣的工藝共膠接后，獲得三組不同鋪層（0°、90°、準各向同性鋪層）對應的纖維屈曲的情況，通過測量D和L，計算得出D/L結果如表2所示。可知，倒角角度相同時，當蒙皮為全0°鋪層時纖維屈曲最為明顯。當蒙皮為全90°鋪層時，纖維屈曲程度最為小，蒙皮為準各向同性鋪層時，纖維屈曲程度介于二者之間，與90°鋪層時纖維屈曲的差異較小。

表2 纖維屈曲程度隨鋪層角度的變化Tab.2 Variation of fiber bucking degree with skin ply angle

圖3 纖維屈曲的不同要素隨倒角角度的變化曲線Fig.3 Graphs of the variation of different elements of fiber buckling with the chamfer angle

2.2 長桁邊緣產生纖維屈曲的機理分析

當長桁邊緣與蒙皮之間有臺階時，輔助材料鋪放在壁板內型面上，抽真空時輔助材料和真空袋會在長桁下凸緣的邊緣與蒙皮形成一個架橋區(qū)。壁板放入熱壓罐中加壓并升溫后，在架橋區(qū)的輔助材料和真空袋受外壓作用會延展伸長，使得架橋區(qū)減小，架橋區(qū)的圓角半徑也進一步減小，但是在架橋區(qū)的真空袋和輔助材料處于繃緊狀態(tài)，傳遞壓力時會有損失，同時真空袋內的透氣材料等處于疏松狀態(tài)，也不能對其下方的蒙皮產生充分傳壓。當升溫到一定階段，樹脂處于低黏度粘流態(tài)，樹脂可以在層內和層間流動。此時樹脂內部壓力pm略小于熱壓罐內壓力p，而架橋區(qū)域附近由于部分外壓傳遞不到，樹脂內部壓力ps＜pm＜p。因此在預浸料內部沿層內方向形成壓力梯度，樹脂沿著壓力梯度，從壓力大的地方向壓力小的架橋區(qū)域附近流動，同時在架橋區(qū)域沿著厚度方向的壓力差，使得這個區(qū)域樹脂沿著厚度方向流動，去填充架橋的空腔區(qū)，所以在靠近內型面的層間樹脂會越來越富集，同時樹脂在層間的流動和富集會造成局部纖維產生沿著厚度方向向上的面外位移，因此產生褶皺和纖維屈曲，如圖4所示。

圖4 蒙皮纖維屈曲產生的機理示意圖Fig.4 Schematic diagram of mechanism of fiber buckling in skin

2.3 不同因素對蒙皮內部纖維屈曲程度的影響

2.3.1 倒角角度與局部纖維屈曲程度關系分析

假設長桁邊緣倒角角度為α，為簡化計算假定架橋區(qū)域工藝輔助材料及真空袋為圓弧狀，圓弧半徑為R，如圖5所示。

圖5 倒角后架橋區(qū)域示意圖Fig.5 Schematic diagram of bridging area after chamfering

依據圖5可得:

架橋區(qū)域總投影長度:L=Rsinα，Ls=Rtan(α/2)

架橋區(qū)域面積:S(α)=[tan(α/2) -(απ/360)]R2

對S求導數:S'(α)=

當0≤α≤90°，0≤α/2≤45°，S'＞0。

故S（α）隨α減小而減小，從上式可以看出隨著倒角角度的減小，架橋區(qū)的面積和架橋區(qū)在蒙皮上的投影長度都將減小，蒙皮內部的纖維屈曲程度也會隨之減小。因此對長桁邊緣進行倒角，是減少蒙皮內部纖維在長桁邊緣局部區(qū)域內屈曲的有效措施，并且隨倒角角度的減小，纖維屈曲的程度越低。

2.3.2 蒙皮厚度與局部纖維屈曲程度關系分析

由于纖維的屈曲是由于局部壓力差造成的，由于蒙皮厚度越大，架橋區(qū)的低壓區(qū)沿著蒙皮厚度方向的深度越大，同時厚度越大的蒙皮，在固化過程中在外壓作用下的厚度方向上的總壓縮量更大，而由于壓力差造成的壓縮量差也就相對更大，所以隨著蒙皮厚度越大，局部纖維屈曲的程度越明顯。但是，纖維屈曲的高度與蒙皮厚度之比隨蒙皮厚度增大而減少。

2.3.3 鋪層角度與局部纖維屈曲程度關系分析

當鋪層全為0°鋪層時，樹脂在層間流動時對纖維擾動受外壓和長桁的抑制最小，纖維最容易受樹脂流動在層間產生較大位移，而纖維全部為90°時，樹脂在層間流動時對纖維擾動受外壓及長桁的抑制最大，所以纖維屈曲程度相對小很多，如圖6所示。而鋪層中間0°、90°、±45°比例相同時，由于90°和±45°纖維的影響，樹脂的流動對纖維擾動較小，和全0°纖維鋪層相比纖維屈曲程度相比小很多。

圖6 不同角度方向纖維屈曲程度不同示意圖Fig.6 Schematic diagram of degree of fiber buckling for different ply angle

通過以上研究，結合實際工程應用過程中復合材料結構設計要求及裝配緊固件釘邊距限制要求，加筋壁板共膠接時，推薦優(yōu)先對長桁倒角45°，這樣在盡可能滿足設計要求的前提下降低蒙皮局部的纖維屈曲程度，提高零件的成型質量。

3 結論

（1）共膠接成型制備T 型加筋壁板時，長桁緣條面邊緣倒角能改善長桁緣條邊緣處蒙皮的纖維屈曲的程度。

（2）長桁邊緣處蒙皮纖維屈曲的劇烈程度與長桁緣條邊緣倒角角度和蒙皮厚度成正比，與蒙皮鋪層中90°纖維鋪層比例成反比。