大尺寸泡沫填充帽型復合材料加筋壁板成型工藝研究

孟翠翠　徐小偉　何煜文　董浪　許英杰

摘要：? ? ? 以大尺寸泡沫填充帽型復合材料加筋壁板為對象， 針對影響其表面質量及內部質量的整體成型工藝方法進行研究。 從壁板內R區加捻量、 透氣氈的鋪放方式、 壓力墊的放置方式三個主要工藝參數考慮， 以制件的表面質量、 無損內部質量為衡量指標， 開展了不同成型工藝參數下的試驗驗證。 基于工藝參數影響規律研究結果， 得到最佳表面質量、 內部質量控制方法。 對泡沫和蒙皮接觸的內R區進行加捻時， 按照計算公式可得到最佳捻條寬度。 制袋時透氣氈整體放置， 可消除零件表面的壓痕。 此結構及尺寸的零件無需放置壓力墊， 但對于具有復雜幾何過渡的零件， 則必須考慮整體的壓力墊設計。 通過該研究， 成功制造了9.5 m×0.9 m泡沫填充帽型復合材料加筋壁板。

關鍵詞：? ? ?復合材料； 泡沫填充； 共膠接； 帽型加筋壁板； 工藝參數中圖分類號：? ? ? TJ760； V257

文獻標識碼：? ? A文章編號：? ? ?1673-5048（2023）02-0059-05

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0256

0引言

高強度纖維特別是碳纖維增強樹脂基復合材料因其高比強度和比模量性能， 具有優異的減重效果， 在飛機結構件上得到廣泛應用。 復合材料通過集成設計與整體成型技術， 可以大幅減少緊固件數量， 將多個次級零件整體成型為單個主體零件從而顯著降低裝配成本， 是一種降低復合材料制備成本的有效方法， 已成為飛機結構設計制造技術的發展方向， 也是復合材料應用發展的必然趨勢［1-3］。 復合材料加筋壁板是復合材料機翼、 機身等主承力構件的主要結構形式［4］， 20世紀70年代中期以來， 美國的民機上率先應用復合材料機翼壁板結構， 歐洲隨即也在新研制的民機上采用復合材料機翼壁板結構［5］， 如Boeing787機翼、 尾翼壁板， 空客A350機翼、 尾翼壁板［6］， 復合材料在民機上的用量已經從1980年整機質量的4％上升到目前的50％［7］。

目前復合材料整體化制造的研究主要圍繞加筋壁板結構件。 Li等［8］采用設置預制調型孔的硅橡膠芯模與復材工藝蓋板的內外膨脹定位法成型復合材料帽型加筋壁板。 葉宏軍等［9］采用5428/T700預浸料制造了工型加筋壁板， 研究了共膠接成型工藝。 Hasan等［10］對帽型加筋壁板翹曲變形情況進行了討論， 發現在厚截面位置， 共固化成型方式檢測到的翹曲量明顯小于二次固化與二次膠接。 李向蘇等［11］通過Airpad橡膠包覆帽型長桁得到表面光滑平整的復合材料帽型加筋壁板。 Xie等［12］提出一種基于硅膠氣囊芯棒的碳纖維增強復合材料帽狀加筋板共固化新工藝， 成型過程中零件的厚度和壓力相對均勻， 有效提高了成型精度。 羅剛堂等［13］對T型加筋壁板采用硬-硬組合模具或軟-硬組合模具以及干長桁-濕蒙皮、 濕長桁-干蒙皮的成型工藝進行了研究。 Kim等［14］對帽型加筋壁板的固化形式、 芯模材料等因素對壁板成型質量、 結構強度的影響進行了研究。 楊博等［15］使用環氧碳纖維預浸料CCF300/BA9916-Ⅱ， 采用共固化的成型方法， 研制了復合材料工型加筋壁板。 相比T型、 工型加筋壁板， 帽型加筋壁板因其具有良好的后屈曲承載能力及結構穩定性好、 傳遞周向載荷效率高、 減重效果好的優點， 近年來在航空結構件上得到廣泛應用。 馬剛等［16］通過研究帽型加筋壁板氣囊的制作工藝， 完成了C919后機身壁板的制造。 Ambur等［17］對泡沫填充帽型加筋壁板的力學性能進行了研究， 驗證了帽型加筋壁板具有出色的損傷承載能力。

目前國內外對于復合材料帽型加筋壁板的研究主要集中在結構設計、 力學性能測試與仿真模擬以及損傷失效模式的理論和實驗研究［18-19］， 對于制造工藝、 特別是成型工藝參數的研究相對較少。 對于帽型加筋壁板而言， 其表面質量和內部質量控制難度較大， 不合適的工藝參數會導致壁板表面、 內部產生缺陷。 為此， 本文針對大尺寸泡沫填充帽型復合材料加筋壁板整體成型工藝方法進行研究， 分析了不同工藝參數對成型質量的影響規律， 得到最佳表面質量、 內部質量的控制方法。通過該研究， 成功制造了尺寸為9.5 m×0.9 m的泡沫填充帽型復合材料加筋壁板。

1帽型加筋壁板結構形式及成型工藝

復合材料泡沫填充帽型加筋壁板的結構形式如圖1所示。 加筋壁板主要由蒙皮和帽型加強筋條組成， 蒙皮截面為變厚度形式， 由根部到尖部逐漸變薄。 帽型筋條內填充聚甲基丙烯酰亞胺（polymethacrylimide， PMI）泡沫芯， 泡沫芯上的蒙皮由加強層和整層組成。 帽型加筋壁板又稱為Ω型加筋壁板， 相對于T型、 工型、 L型等結構來說， 具有結構穩定性好、 傳遞周向載荷效率高的優點， 在滿足強度、 硬度和穩定性的前提下， 可大幅減輕結構重量。 泡沫填充對結構件受力的關鍵部位進行剛度加強， 不僅減少了芯材的用量和成本， 同時可以提高結構件的使用效率并降低結構件重量。

采用熱壓罐工藝成型圖1中的復合材料帽型加筋壁板， 成型工藝流程如圖2所示。 先將PMI泡沫機加成型， 然后將已固化的下蒙皮與PMI泡沫組合， 再進行帽型蒙皮預浸料鋪貼， 最后膠接共固化。

2工藝參數影響試驗

復合材料帽型加筋壁板成型質量的常用衡量指標為表面質量、 內部質量， 以及帽型筋的軸線度， 其中表面質量包括樹脂堆積、 鋪層皺褶、 凹坑、 貧膠等； 內部質量包括分層、 空隙、 加雜、 脫粘等； 帽型筋的軸線度主要指成型后帽型筋在蒙皮上的實際軸線位置與設計位置的偏差。 成型后的帽型加筋壁板要求無表面及內部缺陷， 且軸線度控制在±1.5 mm。 以上指標中， 帽型筋的軸線度可以采用捻條固定和抽真空壓實的方法進行控制， 表面質量和內部質量則和多種工藝參數相關， 如加捻量會影響帽型筋外R區的成型質量， 不同壓力墊放置方式會通過改變壓力傳遞均勻性從而影響零件表面質量和內部質量， 不同透氣氈鋪放方式會通過改變帽型筋的透氣均勻性從而影響其表面質量和內部質量。 為此， 本文針對復合材料帽型加筋壁板的表面質量和內部質量， 開展了不同工藝參數下的成型試驗， 基于成型后試驗件的檢測結果分析加捻量、 透氣氈鋪放方式、 壓力墊放置方式的影響規律。

2.1加捻量影響試驗

壁板泡沫芯定位后， 需要在加捻區增加適量捻條， 加捻量的多少直接影響帽型筋外R區的內部質量和表面質量。 通過加入不同寬度的捻條進行成型試驗， 其中試驗件1的捻條寬度為12 mm； 試驗件2的捻條寬度為24 mm； 試驗件3的捻條寬度為36 mm； 試驗件4的捻條寬度為48 mm。

2.2透氣氈鋪放方式影響試驗

由于帽型加筋壁板靠袋型面較復雜， 為了防止帽型筋底部透氣氈架橋而引起壓力傳遞不均， 按照經驗需要將可能架橋的透氣氈處剪開， 然后在其上搭接透氣氈。 成型過程中采用3種不同的透氣氈鋪放方式， 包括： （1）將帽型筋處透氣氈剪開， 并在此處搭接相應尺寸透氣氈； （2）將帽型筋之間的透氣氈剪開并搭接； （3）鋪放整張透氣氈。

2.3壓力墊放置方式影響試驗

帽型筋與蒙皮的過渡區域是最易出現壓力傳遞不均的區域， 從而造成零件表面和內部的缺陷。 通常可以采用Airpad壓力墊來改善壓力傳遞的均勻性， 為此， 本文研究了壓力墊的放置方式對零件表面質量和內部質量的影響， 包括： （1）零件表面局部（帽型筋處無壓力墊）放置已固化的Airpad壓力墊； （2）零件表面局部放置未固化的Airpad壓力墊； （3）零件表面放置已固化的Airpad壓力墊； （4）不放置壓力墊。

3結果與分析

3.1加捻量的影響規律分析

對不同加捻量成型后的加筋壁板進行表面質量和內部質量的檢測， 可以發現加捻條的寬度對帽型筋外R區表面質量和內部質量均有影響， 結果如表1所示。 圖3中加捻區域的面積可以采用如下公式進行計算：

3.2透氣氈鋪放方式的影響規律分析

試驗結果顯示， 透氣氈的鋪放方式直接影響零件表面質量（如表2所示）。 可以看到， 將帽型筋處透氣氈剪開， 并在此處搭接相應尺寸透氣氈后， 成型得到的試驗件帽型筋兩邊立面產生了突起壓痕； 將帽型筋之間的透氣氈剪開并搭接后， 成型得到的試驗件帽型筋之間的表面形成了突起壓痕； 而采用鋪放整張透氣氈的方式后， 成型得到的試驗件表面平整、 光滑。

分析上述3種試驗件的表面質量， 可以看出零件上的突起壓痕均是在透氣氈搭接處產生， 這是由于在熱壓罐壓力作用下， 透氣氈被壓縮， 搭接處會形成明顯的棱， 從而將零件表面壓出痕跡。 因此， 對于型面較復雜的零件， 在鋪放透氣氈的過程中， 首先需要判斷是否可能存在透氣氈架橋， 若條件允許則盡量使用整張鋪放透氣氈的方式保證表面質量。

3.3壓力墊放置方式的影響規律分析

采用不同的壓力墊放置方式成型得到4種試驗件， 分別檢測其表面質量和內部質量， 試驗結果如表3所示。 可以看到， 局部放置已固化或未固化的Airpad壓力墊， 成型后零件內部質量較好， 無缺陷， 但均會在帽型筋底部產生壓痕； 而整體放置已固化的Airpad壓力墊或不放置壓力墊， 成型后零件的表面質量和內部質量均較好。

造成上述現象的原因主要是局部放置壓力墊會造成帽型筋與蒙皮的壓力差異， 從而在帽型筋底部形成壓痕， 而整體放置壓力墊或不放置壓力墊， 成型過程中零件表面處于均勻受壓狀態， 因此不會形成壓痕等表面缺陷。 對于本文所研究的帽型加筋壁板， 零件的幾何過渡較為平緩， 因此不放置壓力墊也能獲得較好的壓力傳遞效果并保證零件成型質量。 但對于具有復雜幾何過渡和變厚度特征的復合材料零件， 則必須合理設計壓力墊的放置方式來調節壓力傳遞效果。

基于上述工藝參數影響規律的分析結果， 本文進一步成型得到如圖6所示的泡沫芯填充帽型加筋復合材料壁板， 壁板尺寸為9.5 m×0.9 m。 經檢測， 該壁板零件的表面質量、 內部質量， 以及帽型筋的軸線度均符合設計要求。

4結論

本文針對大尺寸泡沫填充帽型復合材料加筋壁板成型， 對其整體成型工藝方法進行研究， 分析了不同工藝參數對成型質量的影響規律， 得到如下結論：

（1） 針對本文制造的帽型加筋壁板， 對泡沫和蒙皮接觸的內R區進行加捻時， 按照捻條寬度36 mm進行加捻的壁板固化后表面質量和內部質量均最佳， 這驗證了理論計算結果的準確性。

（2） 制袋時透氣氈整體放置， 則可消除零件表面的壓痕， 使零件表表面平整、 光滑。

（3） 整體放置壓力墊， 成型過程中零件表面處于均勻受壓狀態， 不會形成壓痕等表面缺陷， 使零件表面平整、 光滑； 對于本文所研究的帽型加筋壁板， 零件的幾何過渡較為平緩， 因此不放置壓力墊也能獲得較好的成型質量， 但對于具有復雜幾何過渡和變厚度特征的復合材料零件， 則必須合理設計壓力墊的放置方式。

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Study on Manufacturing Process of Large Size Foam-Filled

Composite Hat-Stiffened Panel

Meng Cuicui Xu Xiaowei He Yuwen Dong Lang Xu Yingjie

（1. AVIC Xian Aircraft Industry Group Company Ltd.， Xian 710089， China; 2. State IJR Center of

Aerospace Design and Additive Manufacturing， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China;

3. School of Mechanical Engineering， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China）

Abstract： The molding process methods affecting the surface quality and internal quality of large size foam-filled composite hat-stiffened panel is studied. By considering three main process parameters： the amount of twisting in the inner R zone of the wall panel， the placement of the breathable felt and the placement of the pressure pad， the surface quality and the non-destructive internal quality of the parts are taken as indicators and the test verification is carried out under different molding process parameters. Based on the research results of the influence law of process parameters， the best surface quality and internal quality control methods are obtained. When twisting the inner R zone in contact with foam and skin， the optimum twist width can be obtained accor-ding to the calculation formula for twisting. The breathable felt is placed integrally to eliminate the indentation on the surface of the parts during bag manufacturing. Parts of this construction and size do not require the pressure pads， but for parts with complex geometric transitions， the overall? pressure pad design must be considered. Through this research， a 9.5 m×0.9 m foam-filled composite hat-stiffened panel can be successfully manufactured.

Key words：? composite； foam-filled； co-bonding； hat-stiffened panel； process parameters