RTM整體成型機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

李瓊，王強(qiáng)，朱成香，高永強(qiáng)，熊盼

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

RTM整體成型機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

李瓊，王強(qiáng)，朱成香，高永強(qiáng)，熊盼

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

基于某型機(jī)金屬機(jī)尾罩開(kāi)展復(fù)材RTM整體成型機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究，旨在控制機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)變形，減輕重量，減少零件數(shù)量，降低裝配難度和制造成本，還可為其它類(lèi)似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和裝配提供參考。

RTM工藝；機(jī)尾罩；整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

復(fù)合材料由于可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、比強(qiáng)度高、比剛度大、成型工藝性好且便于大面積整體成型，同時(shí)具有優(yōu)異的耐腐蝕、抗疲勞性能和顯著的減重效果等優(yōu)點(diǎn)，使其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用水平得到了快速提高。

傳統(tǒng)的復(fù)材成型方法多采用熱壓罐工藝，絕大多數(shù)采用手工鋪疊，存在勞動(dòng)量大、工時(shí)費(fèi)用高、原材料利用率低、質(zhì)量精度低、互換協(xié)調(diào)性差，以及易造成制件超差等問(wèn)題。

而以RTM（樹(shù)脂傳遞模塑法）為主的液態(tài)成型工藝，避免了預(yù)浸料生產(chǎn)工序和對(duì)熱壓罐的依賴(lài)，省時(shí)省力，輔助材料消耗少，邊廢料少，為復(fù)材降低成本提供了方向，已成為復(fù)材結(jié)構(gòu)件的主流技術(shù)。其突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)整體性高，尺寸精度高，適于制造復(fù)雜高性能大面積構(gòu)件。

1 RTM整體成型機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)方案論證

某型機(jī)機(jī)尾罩為鋁合金薄壁鉚接結(jié)構(gòu)，零件數(shù)量多，內(nèi)外蒙皮薄，鉚接工作量大，結(jié)構(gòu)變形較大，結(jié)構(gòu)較重（13.27kg/件）。因此考慮采用復(fù)材RTM整體成型機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并使其達(dá)到如下設(shè)計(jì)目標(biāo)：

1）等代設(shè)計(jì)的復(fù)材機(jī)尾罩與原金屬結(jié)構(gòu)功能、效能相當(dāng)，可實(shí)現(xiàn)裝機(jī)互換；

2）結(jié)構(gòu)有明顯的減重效果，較原金屬結(jié)構(gòu)減重約20%；

3）能控制結(jié)構(gòu)變形，改善外表面質(zhì)量；

4）降低裝配難度及生產(chǎn)制造成本；

5）采用CATIA與FIBERSIM軟件集成的數(shù)字設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)，提高設(shè)計(jì)、制造效率。

1.1 原金屬機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)方案

機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)位于飛機(jī)尾部，僅受外表面的氣動(dòng)載荷及結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量力。左右各一個(gè)且為相同件，與機(jī)體采用可拆卸連接。如圖1所示，每個(gè)機(jī)尾罩由機(jī)身端框上的兩個(gè)導(dǎo)向銷(xiāo)對(duì)中、定位后，通過(guò)4只螺栓與端框連接，蒙皮上開(kāi)有4個(gè)口蓋供安裝螺母并保險(xiǎn)用。

機(jī)尾罩分前后兩段，前、后段外表面上、下兩塊蒙皮通過(guò)縱向隔板和連接片連接后，再通過(guò)一機(jī)加支撐環(huán)對(duì)接。前段布置了4個(gè)縱隔板、一個(gè)加強(qiáng)環(huán)、4個(gè)口蓋及口框、若干型材。后段采用了外蒙皮與槽形加強(qiáng)筋點(diǎn)焊連接而成的組合件，同時(shí)，因發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的引射氣流整流需要，后段設(shè)計(jì)了“V”形內(nèi)蒙皮，該內(nèi)蒙皮分前、后兩段制造，并在尖角處對(duì)焊，如圖2所示。

圖1 機(jī)尾罩連接示意

圖2 金屬機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)

1.2 復(fù)材RTM整體成型機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)方案

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所不同，它是根據(jù)預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用和制造工藝緊密結(jié)合起來(lái)，最大限度地利用復(fù)材獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性（可設(shè)計(jì)性和優(yōu)異的成形工藝性），整體成型，減輕重量，降低成本。

為保證裝機(jī)互換性，新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮導(dǎo)向銷(xiāo)、螺栓連接交點(diǎn)位置不變，安裝口蓋位置亦不變，而將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成復(fù)合材料零部件整體成型體與6個(gè)鋁合金角盒（左右各3個(gè)）鉚接而成，裝配時(shí)在角盒底與端框協(xié)調(diào)開(kāi)出螺栓孔并壓制鋼襯套。機(jī)尾罩載荷通過(guò)這6個(gè)角盒與機(jī)身端框上4個(gè)螺栓和2個(gè)導(dǎo)向銷(xiāo)連接傳至端框，如圖3所示。

圖3 復(fù)合材料RTM整體成型機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)

機(jī)尾罩內(nèi)、外蒙皮表面質(zhì)量要求較高，若采用RTM液態(tài)整體成型工藝，使用的雙面模具可使其獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量，但內(nèi)外蒙皮間間隙大，故需采用輕質(zhì)泡沫夾芯進(jìn)行填充，以滿(mǎn)足RTM整體成型工藝要求。

機(jī)尾罩為環(huán)形封閉結(jié)構(gòu)，整體成型模具需分塊設(shè)計(jì)，若將機(jī)尾罩橫、縱結(jié)構(gòu)整體RTM成型制造，則模具分塊多，設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，工作量大，且成本高。因此，考慮將縱向構(gòu)件分別單獨(dú)成型后，再與RTM成型體二次膠接。雖然配合協(xié)調(diào)技術(shù)要求高，但降低了工藝難度以及制造大型構(gòu)件的風(fēng)險(xiǎn)，廢品率低。而縱向構(gòu)件內(nèi)表面精度要求不高，可采用單面模具RFI成型法，以降低模具制造成本。

綜上所述，基于模具設(shè)計(jì)制造成本、材料的匹配性、零件表面質(zhì)量和生產(chǎn)裝配等因素，制定了復(fù)材機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)方案：機(jī)尾罩由復(fù)合材料零部件整體成型體與6個(gè)壓有鋼襯套的鋁合金角盒組成。復(fù)合材料零部件整體成型體主體采用RTM整體成型工藝，縱向構(gòu)件（如縱向隔板、縱隔板、縱向加強(qiáng)件等）采用RFI工藝制造后與RTM整體成型體通過(guò)SY-21膠膜進(jìn)行二次膠接。機(jī)尾罩后段內(nèi)外蒙皮間采用輕質(zhì)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)；口蓋開(kāi)口由縱向構(gòu)件、環(huán)向型材補(bǔ)強(qiáng)相應(yīng)取消口框；口蓋制造時(shí)可與RTM整體成型體一起制出，切割修銼而成，口蓋連接仍采用螺釘-托板螺母連接形式，如圖3所示。

上述機(jī)尾罩復(fù)材結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)相比，傳力結(jié)構(gòu)、路線基本相同，連接形式不變，僅需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，即通過(guò)整體成型工藝技術(shù)將眾多零碎的零件整體化設(shè)計(jì)與成型，因此，該方案不但能控制結(jié)構(gòu)變形，減輕重量，還能減少零件數(shù)量及其連接，降低裝配難度和制造成本，且風(fēng)險(xiǎn)可控。

2 新工藝新材料選用

復(fù)材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材原則除滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)完整性要求、低成本為基點(diǎn)外，同時(shí)還應(yīng)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)使用環(huán)境、工藝性、不同材料匹配性和結(jié)構(gòu)特殊性等要求。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)最高工作溫度及其采用的工藝方法選擇樹(shù)脂基體體系，并根據(jù)性能要求和成本指標(biāo)選擇纖維等。

2.1 機(jī)尾罩工作環(huán)境溫度測(cè)試

機(jī)尾罩內(nèi)部為發(fā)動(dòng)機(jī)艙，其艙內(nèi)溫度和尾噴氣流對(duì)機(jī)尾罩內(nèi)蒙皮的影響，直接決定新材料、新工藝的選用。

為驗(yàn)證復(fù)材機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)能否滿(mǎn)足工作環(huán)境溫度要求，在金屬機(jī)尾罩內(nèi)蒙皮上布置了8個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)，同時(shí)選取了發(fā)動(dòng)機(jī)慢車(chē)、最大巡航、油門(mén)桿推到最大、教學(xué)等狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試并繪制溫度曲線圖，得出在測(cè)溫環(huán)境為溫度23.6℃、濕度74.4%RH下，實(shí)際最高測(cè)試點(diǎn)3的最大巡航狀態(tài)溫度為59.70℃。溫度測(cè)試點(diǎn)布置示意見(jiàn)圖4。

圖4 機(jī)尾罩內(nèi)蒙皮溫度測(cè)試點(diǎn)布置示意

2.2 新工藝新材料選擇

預(yù)成形件/RTM或RFI液態(tài)成型工藝方法是一種近乎無(wú)余量、低成本的工藝方法，不僅可以提高復(fù)材的設(shè)計(jì)許用應(yīng)變，改善勞動(dòng)強(qiáng)度與環(huán)境條件，還適合于各種鋪放形式與毛坯構(gòu)形的復(fù)雜構(gòu)件，制造零件尺寸精度高，整體性好。RTM與RFI的區(qū)別在于：RTM方法是樹(shù)脂在面內(nèi)壓力下注射到預(yù)成形件內(nèi)再固化成型，需雙面模具；而RFI方法是樹(shù)脂膜熔化后沿厚度方向浸透預(yù)成形件，再固化成型，可采用單面模具。

因環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)良的力學(xué)性能、與各種纖維匹配性好，制孔、切削等機(jī)械加工性能好，適于低成本RTM成型工藝等。所以根據(jù)結(jié)構(gòu)的最高溫度，可選擇5284RTM或5228RFI中溫環(huán)氧樹(shù)脂體系。

U3160/5284RTM，U3160/5228RFI為單向碳纖維織物材料，CF3031/5284RTM為碳纖維編織布材料，均具有良好的力學(xué)性能。為提高鋪貼工藝性，改善構(gòu)件的抗壓和抗沖擊特性，提高制件的表面質(zhì)量，在鋪層的最外層一般采用CF3031/5284RTM復(fù)合材料。

PMI結(jié)構(gòu)泡沫是一種閉孔剛性發(fā)泡材料，具有卓越的強(qiáng)度和重量比、熱成型性能、機(jī)加性能、低表面樹(shù)脂吸收量及適合采用共固化工藝等優(yōu)點(diǎn)。

綜上考慮，復(fù)合材料機(jī)尾罩采用RTM和RFI液態(tài)整體成型工藝，并選擇U3160/5284RTM，CF3031/ 5284RTM，U3160/5228RFI及PMI結(jié)構(gòu)泡沫夾芯等材料，不但能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的使用溫度范圍、力學(xué)性能要求,還能減輕結(jié)構(gòu)重量，控制結(jié)構(gòu)變形，提高外形精度和表面質(zhì)量，并減少零件數(shù)量及機(jī)械連接，降低裝配難度和制造成本。

3 機(jī)尾罩整體成型體細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

3.1 RTM整體成型體設(shè)計(jì)

RTM整體成型體由加強(qiáng)環(huán)、環(huán)向加強(qiáng)筋、內(nèi)蒙皮、外蒙皮、墊塊等分別完成碳纖維織物鋪層預(yù)定型體后，與泡沫夾芯（分塊機(jī)加再組合形成預(yù)定型體）一起采用RTM工藝整體成型。為保證口蓋有良好的外形、與蒙皮對(duì)縫間隙均勻，且節(jié)約口蓋模具的制造費(fèi)用，以滿(mǎn)足低成本要求，口蓋制造時(shí)可與RTM整體成型體一起制出，切割修銼而成。如圖5所示。

3.2 縱向零件設(shè)計(jì)

縱向零件主要包括左右縱向隔板、4件左右分別對(duì)稱(chēng)的縱隔板和縱向加強(qiáng)件共10件，如圖6所示。設(shè)計(jì)時(shí)不僅考慮縱向零件傳遞軸向載荷，還可與加強(qiáng)環(huán)、環(huán)向加強(qiáng)筋一起補(bǔ)強(qiáng)口蓋開(kāi)口區(qū)及滿(mǎn)足口蓋安裝要求。同時(shí)考慮將縱向零件下陷長(zhǎng)度與深度設(shè)計(jì)一致，采用RFI成型工藝，既可保證零件尺寸精度，又能降低模具制造費(fèi)用。

圖5 RTM整體成型體

3.3 防雷電設(shè)計(jì)

因機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)處于雷電影響2區(qū)，僅需在外表面噴涂抗靜電PUB漆即可達(dá)到目的。

3.4 鋪層信息表達(dá)

過(guò)去復(fù)合材料的設(shè)計(jì)是通過(guò)AutoCAD軟件進(jìn)行畫(huà)圖，然后根據(jù)二維圖手工鋪貼，其設(shè)計(jì)和制造效率很低。FIBERSIM軟件為世界領(lǐng)先的復(fù)材設(shè)計(jì)制造軟件，集成于CATIA軟件，為復(fù)材的設(shè)計(jì)和制造提供了全面的解決方案。FIBERSIM軟件可與有限元分析接口，并進(jìn)行可制造性分析，能生成激光投影儀、自動(dòng)下料機(jī)以及自動(dòng)鋪放機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖6縱向零件

圖7 是機(jī)尾罩口蓋零件鋪層信息表達(dá)示例，它采用CATIA軟件建模、FIBERSIM軟件表達(dá)鋪層信息。兩軟件的集成不僅能充分發(fā)揮復(fù)材結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)，給飛機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)了許多新的特點(diǎn)和新的設(shè)計(jì)概念，推動(dòng)結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，而且從圖中可以輕易獲取貼模面、設(shè)計(jì)邊界、制造邊界、鋪設(shè)坐標(biāo)、鋪層表、鋪層表等設(shè)計(jì)制造信息，提高了設(shè)計(jì)、制造效率。

圖7 口蓋零件鋪層信息表達(dá)

3.5 靜強(qiáng)度分析與校核

本設(shè)計(jì)采用PATRAN軟件建立機(jī)尾罩有限元模型，并在模型中施加該型飛機(jī)機(jī)尾罩最嚴(yán)重的4個(gè)工況氣動(dòng)載荷，然后進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。再根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度校核，主要包括機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)總體、局部穩(wěn)定性計(jì)算，復(fù)合材料單層失效分析、應(yīng)變控制、連接強(qiáng)度計(jì)算等工作。校核結(jié)果表明，復(fù)材RTM整體成型機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4 制造與檢測(cè)

4.1 制造工藝及裝配

機(jī)尾罩制造工藝及裝配順序示意見(jiàn)圖8。

4.2 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與質(zhì)量保證

復(fù)材結(jié)構(gòu)件必須建立制造工藝過(guò)程中及產(chǎn)品最終驗(yàn)收過(guò)程中使用的無(wú)損檢測(cè)、目視檢查等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)特制定了復(fù)合材料機(jī)尾罩靜力試驗(yàn)件制造與驗(yàn)收技術(shù)條件，對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制。

4.3 重量評(píng)估

經(jīng)計(jì)算復(fù)材機(jī)尾罩單件重量為9.708kg，較金屬結(jié)構(gòu)13.27 kg減重3.562kg，減重效率為26%。裝機(jī)件為2件相同件，機(jī)尾罩共減重7.124 kg。

其中單件機(jī)尾罩復(fù)合材料件重9.42 kg，金屬件重0.148 kg，標(biāo)準(zhǔn)件重0.14 kg，復(fù)材件重量占機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)重量的97%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文進(jìn)行的復(fù)合材料RTM工藝整體成型機(jī)尾罩設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

復(fù)合材料是一種材料，也是一種結(jié)構(gòu)，它的最大特點(diǎn)是材料和結(jié)構(gòu)成型同時(shí)完成，設(shè)計(jì)是主導(dǎo)、材料是基礎(chǔ)、制造是關(guān)鍵、檢測(cè)是保證。復(fù)材的低成本化是一個(gè)系統(tǒng)工程，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作是一個(gè)復(fù)雜的反復(fù)迭代的過(guò)程，還應(yīng)該根據(jù)復(fù)合材料自身特點(diǎn)，實(shí)施并行工程，不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)新結(jié)構(gòu)，發(fā)展新的工藝，獲得更優(yōu)成本更低的新結(jié)構(gòu)。

[1]楊乃賓，章怡寧.復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).北京：航空工業(yè)出版社，2002，5.

[2]北京航空材料研究院第二十八研究室.樹(shù)脂傳遞模塑成型5284RTM環(huán)氧樹(shù)脂體系(Q/6S 2084－2006).北京：北京航空材料研究院，2006.

>>>作者簡(jiǎn)介

李瓊,女，1970年10月出生，1994年畢業(yè)于南昌航空工業(yè)學(xué)院，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Study on Structural Design Techniques of Tail Fairing Integrally Formed Using RTM

Li Qiong,Wang Qiang,Zhu Chengxiang,Gao Yongqiang,Xiong Pan
(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi 330024)

Based on the study on the structural design techniques of metal tail fairing integrally formed using RTM,it is intended to control the structural deformation of tail fairing,reduce the weight,quantity of parts,and difficulties in assembling,also to provide reference for design,manufacturing and assembling of similar structure.

RTM technology；Tail fairing；Integral structure design

2016-06-22）