復合材料加筋壁板低成本控制研究

摘 要 為有效降低復合材料主承力結構件制造成本，制造部門一直在嘗試通過非熱壓罐固化工藝方案進行成本控制。本文以翼面類復合材料加筋壁板為研究對象，通過材料體系選用、長桁截面形式分析、公差要求等設計因素和材料利用率、工時成本、工裝成本等制造因素進行制件低成本驅動要素研究，同時結合VARTM和RTI非熱壓罐固化工藝制備復合材料加筋壁板進行總結說明。研究結果表明：設計階段對制件成本起決定性因素，制造階段主要通過提升制備效率降低制件成本；非熱壓罐固化工藝可以有效降低制件成本，但是需平衡設計部門對公差的要求和制造部門對工藝可操作性要求。

關鍵詞 復合材料；加筋壁板；低成本；驅動因素

DOI： 10.19840/j.cnki.FA.2024.02.008

航空器機體結構技術的發展一直與采用性能優越的新材料密切相關，材料的變革必然會引起機體結構設計的重大變革。近些年，歐美等強國為提高航空器結構效率和飛行品質等綜合性能，復合材料應用已經從整流罩、前后緣、擾流板等次承力結構到機翼、機身等主承力結構[1-2]。機體結構復合材料的大面積應用，使減輕結構重量的同時降低制造成本成為復合材料制件研究的熱點。復合材料制件成本估算模型主要有參數成本估算模型和制造工藝成本估算模型[3]。參數成本估算模型主要有作業成本法、模糊成本評估模型[4]、Rand公司建立的DAPCA IV模型[5]和NASA參數成本估算手冊[6]，其針對新材料、新工藝的復雜性很難定義生產成本與設計變量之間關系，模型準確度和使用范圍有限。制造工藝成本估算模型基本出發點是將結構的設計變量、材料體系與工藝成型方法、加工成本進行關聯，核心在于制件批產量、材料體系與結構形式、成型方法與模具、人工與設備費用、結構尺寸及復雜度等成本驅動因素數學模型的建立，此種方法較參數成本估算模型更加靈敏和準確。國內大尺寸、高承載復合材料主結構應用剛剛起步，結構設計參數與制造成本的關聯性可借鑒經驗不足。本文以翼面典型主承載結構件加筋壁板為研究對象，基于制造工藝成本估算模型定性分析復合材料加筋壁板成本驅動因素，給出面向制造成本的復合材料加筋壁板低成本控制方法，研究成果可為結構設計工程師借鑒和參考。

一、加筋壁板低成本設計

復合材料加筋壁板由蒙皮和長桁組成，典型結構形式如圖1所示。面向制造成本的復合材料加筋壁板設計應主要從材料選擇、長桁截面形式和公差要求三個維度降低其制造成本。

（一）材料體系選用

復合材料加筋壁板材料選用應綜合考慮強度、韌性、最高工作溫度、耐濕/熱性能、工藝性、成本、使用經驗、材料來源等因素綜合權衡折中，擇優選用。

航空器機體結構中應用的增強纖維有碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維等。碳纖維由于其性能好，纖維類型規格多，成本適中等因素，在航空器結構中應用最廣；芳綸纖維性能雖然尚佳，但在濕熱狀態下性能明顯下降，一般應用于航空器次承力結構；玻璃纖維一般應用于功能結構，如整流罩、雷達罩、艙內裝飾結構等。航空器結構常用纖維性能特點見表1。

復合材料加筋壁板承受翼面盒段彎矩轉化的拉伸、壓縮載荷，又參與盒段的扭矩傳遞，材料選用應堅持性能優先原則，目前廣泛采用中模高強的碳纖維預浸料。為了滿足新一代航空器的減重要求，航空器工程研發部門針對碳纖維預浸料提出了韌性要求，即將拉伸強度和拉伸模量提高30%～40%，使纖維斷裂伸長率提高20%，并要求與韌性樹脂基體組合提高抗損傷能力，以求使復合材料加筋壁板設計許用應變由0.3%～0.4%提高到0.6%以上。材料供應商為響應工程研發部門要求，研制了T800H、IM6、IM7等中等模量高強度碳纖維預浸料，并成功應用于B787飛機和A350飛機翼面盒段復合材料加筋壁板。

（二）長桁截面形式

翼面復合材料加筋壁板長桁截面形式主要有“T”形截面和“工”形截面兩種結構形式，典型結構形式如圖2所示。

“T”形截面復合材料加筋壁板下緣條由腹板直接翻邊成形，成形工藝簡單、制造成本低；“工”形截面復合材料加筋壁板下/上緣條除由翻邊直接成形還需單獨制作部分下/上緣條。工藝成本方面考慮，“T”形截面復合材料加筋壁板優于“工”形截面復合材料加筋壁板；“工”形截面復合材料加筋壁板長桁存在上緣條對腹板的支持，所以“工”形截面復合材料加筋壁板抗屈曲能力強于“T”形截面復合材料加筋壁板。B787飛機機翼根部對接采用“土”字形結構形式對接，“工”形長桁上緣條直接通過“土”字形對接接頭上緣條直接傳遞，因此機翼復合材料加筋壁板采用“工”形截面結構形式；A350飛機機翼根部對接采用“T”字形結構形式對接，長桁腹板擴散至下緣條進行搜集、擴散，因此機翼復合材料加筋壁板采用“T”形截面結構形式。通過對比分析，復合材料加筋壁板長桁截面形式應綜合考慮翼面盒段根部載荷傳遞方式，設計準則要求，最終確定加筋壁板長桁截面形式。

（三）公差要求

復合材料制件公差受原材料類型、鋪層結構、成形方法及工藝、模具材料及結構、模具精度、構件尺寸大小及復雜程度、操作人員的素質和技術水平等多種因素影響。為確保產品質量，降低成本，避免生產不合格品，設計復合材料加筋壁板產品時，應規定一個合理的公差值。復合材料加筋壁板公差主要涉及長桁軸線公差、壁厚公差和成形后翹曲公差。

長桁軸線公差影響盒段內長桁與翼肋的間隙，長桁與翼肋的間隙影響翼肋對加筋壁板的支持系數，間隙增大導致加筋壁板抗屈曲能力降低。經研發部門與工藝部門反復評估，復合材料加筋長桁軸線公差在翼肋軸線處±1mm、其余位置±1.5mm最優。盒段內長桁與翼肋配合關系如圖3所示。

復合材料加筋壁板一般采用真空加壓成型工藝，其厚度公差涉及預浸料樹脂含量、固化壓力、模具種類及精度等因素。空客研發部工程師經大量研究、觀察，并總結層壓類零件制造生產情況，針對加筋壁板類層壓制件厚度公差規定如下：

1. 制件最小厚度=預浸料單向帶單層厚度×制件鋪貼層數+0.1；

2. 制件最大厚度=（預浸料單向帶單層厚度×制件鋪貼層數+0.1）×1.04。

復合材料加筋壁板成形后翹曲主要是由于局部非對稱鋪貼引起附加彎曲變形，是其自有屬性。復合材料加筋壁板長桁下緣條根部一般全部打開與蒙皮一起固化，長桁下緣條自身對稱、蒙皮自身對稱，但是長桁下緣條與蒙皮固化后整體結構是非對稱結構，因此一般在此處產生較大的翹曲變形。翹曲變形公差大，復合材料加筋壁板裝配時需要帶較大的預應力或較厚的墊片進行裝配，給翼面盒段帶來技術風險，因此工程師應對此處做詳細的公差要求評估。工程上，復合材料加筋壁板通過應力有效釋放設計后，其在50N力輕壓下，允許其翹曲公差不超過0.2mm。

二、加筋壁板低成本制造

復合材料加筋壁板制件成本分為材料成本、工時成本和工裝成本，其中材料成本和工時成本定義為重復成本（Recurring Cost，RC），工裝成本定義為非重復成本（Non-recurring Cost，NRC）[7]。

（一）材料成本

材料成本等于實際用量乘以采購單價。實際用量由材料利用率和理論用量兩個因素決定，采購單價由設計人員所選用的預浸料市場價格決定。因此，復合材料加筋壁板降低材料成本應通過減輕其理論重量、提高其材料利用率和降低其原材料采購單價等三方面開展工作。復合材料加筋壁板理論重量應開展多輪次的布置優化、尺寸優化工作，充分發揮復合材料輕質、高效的優點，最終實現理論重量最小的收益；材料利用率主要通過制造部門進行控制，制造部門應通過復合材料料層邊界優化、拼搭接工藝方案優化、料片排版優化、下料程序優化、同類材料的混排下料等方式提高材料利用率；設計人員所選用的預浸料應充分考慮制造部門的實際情況，盡量減少制造部門主材料品類，通過制造部門批量采購降低采購單價，減少入廠驗收成本和廠內儲存成本。

（二）工時成本

復合材料制備工藝自動化程度低、中間過程冗長是國內復合材料制件成本居高不下的主要原因。工業部門統計結果表明：手工鋪疊復合材料效率為3磅/h，自動化技術能達到15～30磅/ h；手工鋪疊復合材料廢料量為15%～20%，而自動化技術可以減少到5%左右。因此，復合材料加筋壁板降低工時成本應通過自動鋪帶技術（ATL）和自動纖維鋪放技術（AFP）實現。B787客機和B777X 客機機翼復合材料加筋壁板均采用了自動化鋪貼技術，B777X客機機翼復合材料加筋壁板AFP設備20個盤型卷軸鋪絲頭安裝于12.8m的主龍門梁上，其重量達1.7t，20個卷軸一次可鋪放760mm寬的單向帶預浸帶。A350客機機翼復合材料加筋壁板初始采用ATL工藝制，隨著AFP工藝可鋪貼機翼下壁板維護開口區域復雜輪廓，最終工藝又更改成AFP工藝。從波音公司和空客公司復合材料加筋壁板制造工藝發展歷程看，復合材料加筋壁板自動化鋪貼工藝是降低工時成本的最有效途徑，AFP工藝較ATL更具備發展前途[8-9]。A350飛機機翼加筋壁板AFP鋪貼如圖4所示。

（三）工裝成本

復合材料制件變形與模具材料關聯性較大，模具工裝材料熱膨脹系數應與碳纖維預浸料熱膨脹系數相當，復合材料加筋壁板工裝材料應以殷鋼材料為主。以某民用飛機復合材料加筋壁板為例，其理論重量為200kg，按目前通用價格估算方法，復合材料加筋壁板制造成本（含無損檢測成本）為0.74萬元/公斤，制造費用約為148萬元。大型復合材料制件需要的殷鋼模具造價較高，成本約為11萬元/平方米，某民用飛機復合材料加筋壁板所需模具面積約為38平方米，模具投入需418萬元。工裝成本投入屬于一次性投入，按批生產分攤，按一套模具使用50次（一般可用100次以上），某民用飛機復合材料加筋壁板制造成本僅增加8.36萬元分攤，工裝成本占制件制造成本5.6%，因此工裝成本對復合材料加筋壁板制造成本影響不大。

三、加筋壁板成本發展方向

復合材料加筋壁板是高承載的主承力制件，成型工藝主要是通過熱壓罐固化成型。熱壓罐成型耗能大，直接影響制件制造成本，一直被低成本設計工程師所詬病。結構低成本工程師一直在嘗試通過OOA（非熱壓罐成型）、液體成型等工藝降低復合材料制件成本。

俄羅斯聯合航空制造集團公司研制的干線客機MS–21，客機是全球第一架采用非熱壓罐工藝（Out of Autoclave）真空輔助樹脂傳遞模塑（Vac‐uum assisted resin transfermolding， VARTM）工藝制造機翼復合材料加筋壁板的大型客機[10]。加筋壁板采用龍門立式自動鋪絲機在陰模鋪貼成預成型體后，將制件轉移至脂熱注射設備進行注膠，注膠結束后進行固化爐成型。VARTM工藝的成功應用得益于美國Cytec 公司研發的中模高強碳纖維TX1100和EP2400樹脂，EP2400樹脂通過增韌技術有效地解決了低黏度狀態下復合材料加筋壁板的樹脂完全浸潤。VARTM工藝具有設備投入少、能耗低、結構減重效果好的優勢，但是成型模具復雜，結構工程師需平衡加筋壁板公差和工藝可操作性要求。MS–21機翼盒段示意圖如圖5所示。

加拿大龐巴迪C系列客機機翼復合材料加筋壁板采用了樹脂轉移注射（Resin transferinjec‐tion， RTI）工藝制造，加筋壁板材料選用無屈曲織物（Non-crimped fabric， NCF），鋪貼預成型后轉移至成型模具，并在熱壓罐內進行注膠及固化。RTI工藝兼顧了液體成型工藝和熱壓罐固化的優點，熱壓罐的固化壓力可加速復合材料加筋壁板結樹脂浸漬過程，并保證預成型體的質量以及降低制件的孔隙含量，制件的纖維體積可通過注入樹脂的含量和熱壓罐壓力進行有效控制。

四、結束語

復合材料加筋壁板低成本控制一個系統復雜、且需權衡得失的過程。設計部門要全方位從材料選擇、制件重量、公差要求等成本驅動因素來降低制件材料成本、提高制件制造效率。制造部門應通過提高材料利用率和降低工時進行制件成本把控。非熱壓罐工藝制造是低成本設計師研究的熱點，低成本制造工藝的實施需平衡設計部門對公差的要求和制造部門對工藝可操作性要求。 AFA

參考文獻

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（編輯：馮金玉）