優化復合材料鋪層結構抑制T型長桁固化變形技術研究

孟翠翠 劉琦 柳青 余高杰

摘 要：本文針對熱壓罐成型的T型長桁固化后出現的固化變形問題，通過優化鋪層結構的方法，深入研究T型長桁固化變形的抑制方法。試驗結果表明，T形長桁鋪層設計的對稱性是長桁翹曲變形的決定性因素。在保證鋪層角度對稱的情況下，當T形長桁底緣鋪層角度分別是+45°或-45°時長桁均會產生翹曲變形;當無45°底緣鋪層或底緣鋪層為0°或45°底緣鋪層放入L結構，則會抑制長桁的固化變形;當底緣鋪層僅有一層0°或90°時，也會抑制長桁的固化變形。

關鍵詞：復合材料;鋪層結構;加筋壁板;T形長桁;扭曲變形

碳纖維增強樹脂基復合材料具有高比強度、高比模量、耐腐蝕性等一系列優異的性能，因而在航空航天領域得到越來越廣泛的應用[1-3]。復合材料加筋壁板結構由于其良好的后驅承載能力及減重效果，已被廣泛應用于飛機的主承力結構。根據不同的承載能力需求，加筋壁板的結構形式多樣化，人們按照長桁的截面形狀分為T型、工型、Ω型、J型以及Z型加筋壁板[4]，其中T型加筋板在機械載荷作用下表現出良好的穩定性，遠大于其他截面形式的加筋板 [5]，同時T形長桁相對于工型、J型長桁，具有剖面形狀簡單、成型工裝結構簡單、工藝設計簡單的特點，故目前在加筋壁板上首選“T”形長桁作為其加強筋，特別是大尺寸的外翼盒段壁板，如A350XWB機翼長約35m，壁板上的加強筋為T形長桁[6]。所以對于T型加筋壁板的共膠接成型，T型長桁的成型是第一步也是關鍵的一步。除了控制T型長桁的表面質量和內部質量，控制長桁的固化變形也是至關重要的，一旦長桁發生固化變形將會影響整個壁板的膠接，即長桁和蒙皮的配合精準性，即使通過外力將長桁壓緊到蒙皮上帶著應力進行組合，壁板固化后可能會發上更大的固化變形進而產生更大的損失。

造成T型長桁固化變形的原因較多，在固化過程中熱脹冷縮效應、基體樹脂的化學收縮效應、復合材料與模具的熱膨脹不匹配性以及鋪層結構等因素均是引起長桁固化變形的原因。

1? T長桁的結構及特點

T形長桁一般結構為圖1所示，為減小加筋壁板重量，但要保證長桁底部表面質量，長桁立筋鋪層為[45/0/-45/0（織物）/45/0/-45/0/0/-45/0/45/0（織物）/-45/0]s，長桁底緣鋪層在上45/0/-45/0（織物）/45/0/-45/0/0/-45/0/45/0（織物）/-45/0上有1層45°單向帶鋪層。從整體鋪層上看，長桁腹板左右對稱，長桁底緣整個鋪層以0/0鋪層為中心對稱。但以上鋪層結構的T型長桁固化后出現了嚴重的扭曲變形問題，以底緣為中心，兩端頭對角向上翹曲，最大翹曲量達8～10mm，如圖2所示。

2試驗過程

2.1原材料

碳纖維預浸單向帶：CYCOM977-2-35-12KHTS-134，美國CYTEC公司生產

碳纖維預浸織物：CYCOM977-2A-37-3KHTA-5H-280，美國CYTEC公司生產

2.2成型模具及工藝流程

模具材料采用INVAR合金鋼，結構一側為定模、一側為動模，如圖3所示。鋪層過程為：按設計鋪層結構先分別鋪出兩側L型鋪層并逐層進行真空壓實，然后將動模移動進行合模定模，完成三角區加捻填充，最后鋪貼底緣45°單向帶鋪層。鋪貼完成后封袋進入熱壓罐固化。

2.3試驗內容

為了快速解決長桁固化扭曲變形問題，從優化長桁鋪層結構入手，進行了不同底緣鋪層角度和織物對長桁固化變形的影響2類試驗，具體試驗內容如表1 所示。整個試驗過程采用相同的工裝結構、成型方法、操作人員以及固化參數。

2.4試驗結果及分析

以上8組試驗件固化后，放置于平板工裝（長桁底緣面與工裝相貼）上，一端壓緊測量另一端與工裝的變形量。從試驗結果看出，02、04、05、08試驗件均無明顯固化變形，。01、03、06、07試驗件有不同程度上的固化變形。以上8組試驗主要從底緣和織物的鋪層優化兩個方面進行分析。當左右兩邊立筋面上+45度/-45度對稱時，底緣面上的+45度/-45度是交錯的，底緣面鋪貼1層45度單向帶時，只能保證底緣面的對稱性，令一側則一定不對稱。此結果必然導致長桁底緣面固化后發生翹曲變形。通過試驗可以看出01試驗件去掉底緣45°鋪層、底緣增加1層-45°鋪層、底緣45°鋪層改為0°以及底緣45°一字鋪層改為L鋪層均能有效消除長桁的固化變形。

CYCOM 977-2A-37-3KHTA-5H-280織物為5 緞紋，此編織方法得到的織物左右兩面為非對稱結構，無論是0度織物還是90度織物均為非對稱鋪層，故07試驗件固化變形;將1層0度織物換成2層90°單向帶或90°加0°單向帶后， 05試驗件0°鋪層和90°鋪層的占比分別為35.4%和23.5%，而06試驗件0°鋪層和90°鋪層的占比分別為47.1%和11.8%，鋪層比例相差較大，導致固化變形。

對以上試驗結構進行模擬仿真，仿真結果與實際試驗結論吻合，模擬仿真云圖如圖4～7所示。

3結論

3.1 T形長桁鋪層設計的對稱性是長桁翹曲變形的決定性因素。

3.2在保證鋪層角度對稱的情況下，當T形長桁底緣鋪層角度分別是+45°或-45°時長桁均會產生翹曲變形;當無45°底緣鋪層或底緣鋪層為0°或45°底緣鋪層放入L結構，則會抑制長桁的固化變形;當底緣鋪層僅有一層0°或90°時，也會抑制長桁的固化變形。

參考文獻：

[1]AL–SALEH M H， SUNDARARAJ U.Review of the mechanical properties of carbonnanofiber/polymer composites[J]. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2011， 42（12）： 2126–2142.

[2]杜善義.先進復合材料與航空航天[J].復合材料學報， 2007， 24（1）： 1–12.

[3]GIBSON R F.A review of recent research on mechanics of multifunctional composite materials and structures[J].Composite Structures，2010，92（12）：2793–2810.

[4]金笛，寇艷榮.復合材料加筋壁板結構選型設計[J].復合材料學報，2016，33（5）：1142-1146.

[5]馬良，馬玉娥，秦強.熱力耦合下不同加筋壁板穩定性分析[J].西北工業大學學報，2020，38（1）：40-47.

[6]段友社，周曉芹，候軍生.大飛機復合材料機翼研制技術現狀[J].航空制造技術，2012 （18）：34-37.