復合材料C型梁成型質量影響因素研究

摘 要 針對復合材料C型梁在采用自動鋪帶加熱隔膜預成型制造時出現的褶皺問題，研究了自動鋪帶錯拼縫間距、平板料層預壓實、熱隔膜次數及結構特征等因素對梁成型質量的影響，采用L/D的方法對零件質量進行表征，分析了不同因素下的梁緣條、腹板、R角等區域的褶皺情況，為梁產品研發時結構設計及制造工藝方案提供了參考。研究結果表明，自動鋪帶錯拼縫間距對零件褶皺無影響，鋪帶后不進行預壓實更有利于熱隔膜預成型，降低緣條高度可一定程度上改善熱隔膜預成型褶皺，分次熱隔膜也能改善零件褶皺，但緣條高度較高時，分次熱隔膜改善零件褶皺的效果不明顯。

關鍵詞 C型梁；熱隔膜；結構特征；褶皺

Study on the Forming Quality Effect Factors

of Composite C Spar

HAN Shu，QIAN Ying，YU Ting，HUANG Binyao，CHEN Ping

（Composite Center， Commercial Aircraft Corporation of China， Ltd.， Shanghai 201324）

ABSTRACT Wrinkles regular occurred when composite C spar formed by Automated Tape Laying（ ATL） and Hot Drape forming（HDF）， the effects of ATL splicing gaps、precompaction、multiple hot Drape forming and structure feature on the composite C spar forming quality were investigated. In order to evaluate the forming quality， wrinkles appeared in flange、web、radius were analyzed by L/D，providing reference for the spar design and manufacture. The results show that ATL splicing gaps has no influence to wrinkle， without precompaction is more beneficial to HDF， reduce the flange height can improve HDF wrinkle， multiple hot drape forming can also improve wrinkle， but there’s no obvious effect when the flange is more higher.

KEYWORDS C Spar；hot drape forming；structure feature；wrinkle

1 引言

梁是民機上常見的一種關鍵結構，近些年來，隨著復合材料應用部位由次承力結構向主承力結構的發展，復合材料梁類零件也向著大型化、結構整體化方向發展[1]。隨著零件結構尺寸的增大，傳統的預浸料手工鋪放技術已無法滿足民用航空業對生產效率和質量穩定性方面的更高要求，隨著自動化技術水平的提高，復合材料梁結構件的制造也開始朝著自動化方向發展。目前，波音、空客等國際知名的航空制造企業都非常廣泛地采用了自動鋪絲、熱隔膜預成型等自動化制造工藝進行梁類結構的制造，在極大提高生產效率的同時，也保證了成型質量的穩定性[2]。

復合材料梁零件有多種不同的結構形式，根據梁的材料類型、結構形式、尺寸大小、精度要求、裝配需求等，其成型方法也不一樣。對比熱隔膜和自動鋪絲兩種鋪放/預成型工藝[3]，對于尾翼外伸盒段C型梁來說，自動鋪帶加熱隔膜預成型技術仍是一種具有競爭力的工藝選擇。為了滿足熱隔膜預成型技術工程化應用的迫切需求，目前國內許多專家學者都在積極對C型梁的熱隔膜預成型開展研究。姚雙[4]和邊旭霞[5]等人采用自行設計的熱隔膜預成型工藝試驗裝置，對熱固性碳纖維/環氧樹脂單向帶預浸料開展了熱隔膜預成型工藝試驗，考察了工藝溫度、成型速率對預成型體質量的影響。汪冬冬[6]、蔣詩才[7]、晏冬秀[8]等人采用自行研制的熱隔膜預成型設備，分別對幾款不同的預浸料進行了熱隔膜預成型工藝研究，考察了成型溫度、成型時間、成型壓力對成型質量的影響，進而得出較優的熱隔膜工藝參數。李璐璐[9]等人采用成熟的大型商業熱隔膜機研究了溫度、壓力、材料、熱隔膜次數及坯料鋪放形式對零件褶皺的影響。趙學瑩[10]等人在對熱隔膜預成型相關參數及影響因素研究的基礎上，將其成功應用于7 m級大尺寸工型梁的制造。以上研究工作大多都集中在熱隔膜預成型工藝參數方面，零件結構、制造過程等因素對零件成型質量的影響研究較少，且對零件成型質量的表征比較定性，缺少定量的數值評判。

本文針對特定的材料、在特定的熱隔膜工藝參數下，研究了自動鋪帶錯拼縫間距、平板料層預壓實、熱隔膜次數及結構特征等因素對C型梁成型質量的影響，采用L/D的方法對零件質量進行表征，分析了不同因素下的梁緣條、腹板、R角等區域的褶皺情況，為梁產品研發時優化結構設計及制造工藝方案提供了參考。

2 試驗部分

2.1 材料、設備與工藝

試驗件制造所用材料為T800級碳纖維單向帶預浸料，試驗件制造工藝流程為采用自動鋪帶機鋪貼平板，熱隔膜機預成型，采用陰模在熱壓罐中固化成型。

2.2 試驗件構型

試驗件為C型變截面、閉角結構，如圖1所示。按照緣條高度h的不同，共對3個構型的試驗件進行研究，相應的結構參數如表1所示，3個試驗件的緣條型面特征參數均相同。鋪層順序為[45/90/-45/0/-45/90/45/0/-45/0/-45/0/0/45/0/45/0/45/0/45/0/0/-45/0/-45/0/45/90/-45/0/-45/90/45]s。

2.3 試驗方案

針對不同構型的試驗件，試驗矩陣設計如表2所示。分次熱隔膜試驗現場如圖2所示。

2.4 成型質量表征

對于熱隔膜預成型質量，采用目視觀察、人工觸摸的方式，判斷預成型體是否有褶皺，同時觀察其外表面和內表面。

對于固化后質量，目視外觀質量，同時采用剖切的方式，觀察其內部質量。內部褶皺測量示意如圖3所示，按照圖3進行內部褶皺表征。其中L代表褶皺區域寬度，D代表褶皺高度，以L/D數值的大小表征褶皺的嚴重程度。L/D的值越小，褶皺越嚴重，L/D的值越大，褶皺程度越輕，成型質量越好。

3 結果與討論

熱隔膜預成型后、固化后的外觀質量情況如表3所示，可以看出，sy-2的K1、K4特征附近位置在熱隔膜后出現了褶皺，如圖4（a）所示，sy-1、sy-3、sy-4、sy-5熱隔膜后外表面均無褶皺，但內表面特征區R角處有不同程度的褶皺或不光順現象，如圖4（b）、（c）所示。sy-6熱隔膜后外表面無褶皺，內表面也無不光順現象。所有的試驗件固化后均無褶皺，外觀質量較好，如圖5所示。

對sy-2熱隔膜褶皺區域、每一個試驗件的K1-K6特征區及鄰近的非特征區進行剖切，觀察零件內部纖維排布情況。對每個剖切試樣，按照圖3所示測量L/D，結果如表4所示，可以看出，雖然固化后從外觀看褶皺消失，但試驗件內部仍存在一定程度的纖維褶皺，尤其內表面R角不光順的位置，固化后內部纖維排布也不圓順，這也說明了即使零件熱隔膜后外表面無褶皺，也還需要進一步確認其內部質量，才能最終對零件成型質量做出評價。

3.1 分次熱隔膜對褶皺的影響

對比sy-1、sy-4、sy-6在特征區的L/D測量值，如圖6所示，可以看出，在相同特征區位置，分次熱隔膜比不分次熱隔膜的L/D值要大，說明分次熱隔膜一定程度上能減輕零件褶皺。尤其對于sy-6，僅在K1、K3處存在輕微褶皺，其他特征位置處均無褶皺，這一方面可能與熱隔膜分次的位置有關，按P40+P26分次時，分界面處的鋪層角度分別為45°和0°，按P42+P24分次時，分界面處的鋪層角度分別為-45°和0°，兩次熱隔膜分界面處的鋪層角度對零件質量產生了影響。另一方面也有可能與緣條高度有關，sy-1、sy-4的緣條高度為103 mm，sy-6的緣條高度為80 mm，說明降低緣條高度，可改善零件成型質量。這同時也說明在緣條高度較高時，分次熱隔膜對改善試驗件質量效果不明顯。

3.2 錯拼縫間距對褶皺的影響

從表3可以看出，sy-4、sy-5在熱隔膜后，內表面特征區R角均存在輕微不光順現象，對比sy-4、sy-5在特征區的L/D值，如圖7所示，可以看出，除了在K2特征處的L/D值相差較大以外，在其余特征處的L/D值相差不大，均存在纖維褶皺，初步說明不同的錯拼縫間距對零件成型質量無影響。K1特征處L/D最小，說明此處纖維褶皺程度最大，進一步對比sy-4、sy-5在K1處的內部質量，如圖8所示。從90°鋪層（亮白色）可以看出，二者產生褶皺的位置高度相似，也進一步證實了改變錯拼縫間距對零件成型質量無影響。

3.3 結構特征及預壓實對褶皺的影響

對比sy-1、sy-2、sy-3，sy-2在熱隔膜預成型后出現了比較明顯的褶皺，這與鋪帶后的平板料層預壓實有關，說明預壓實不利于熱隔膜預成型。雖然sy-3也進行了預壓實，但其緣條高度只有54 mm，所以熱隔膜預成型質量較好，也說明了緣條高度對熱隔膜預成型質量有影響。

圖9、圖10分別對比了6件試驗件不同緣條型面變化對零件成型質量（L/D）的影響。從圖9可以看出，型面變化量為1.48 mm時，隨著型面變化比例的減小，L/D呈現出變大的趨勢，sy-2、sy-6型面變化為1∶60、1∶80時，均無褶皺。同樣的，在型面變化量為1.11 mm時，大部分試驗件的L/D也呈現出1∶60比1∶40大的現象。這充分說明了型面變化比例越小，零件成型質量越好。

從圖10可以看出，在型面變化比例為1∶40，型面變化量為1.11 mm和1.48 mm時，除sy-2以外，其余試驗件的L/D差異不大，這可能與型面變化量相差較小有關，僅相差0.37 mm。在型面變化比例為1∶60，型面變化量為1.11 mm和1.48 mm時，sy-1、sy-4的L/D差異不大，sy-3、sy-5的L/D差異較大，且出現相反的現象，這也可能與型面變化量相差較小有關。另外sy-3與sy-5的緣條高度、熱隔膜次數等均不相同，也有可能與這些因素有關。

4 結語

（1）本研究表明，C型梁的成型質量，包括熱隔膜預成型質量、固化成型質量與零件結構特征、制造工藝過程等均有關系。在進行C型梁產品研發時，需同時考慮這些因素對零件質量的綜合影響。

（2）緣條高度影響熱隔膜預成型褶皺，降低緣條高度可一定程度上減輕熱隔膜褶皺。鋪帶后不進行預壓實對熱隔膜預成型更有利。分次熱隔膜可一定程度改善零件成型質量，但緣條高度較高時，分次熱隔膜改善零件褶皺的效果不明顯，且不適合于工程化應用。型面變化比例越小，零件成型質量越好。暫未發現錯拼縫間距對零件成型質量有影響。

（3）對于C型梁的成型質量，要同時關注其熱隔膜外表面、內表面質量及固化后內部質量。尤其對于熱隔膜預成型質量，目前還大量依賴于試驗，未來可借助仿真手段，對熱隔膜褶皺等缺陷進行數值模擬仿真，從而降低研制成本，縮短復材零件的研發周期。

參 考 文 獻

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