金屬改復(fù)合材料中艙門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱成香，張改華，高永強(qiáng)，李 瓊

(航空工業(yè)洪都,江西 南昌 330024)

0 引言

某型機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙門目前采用金屬鈑金鉚接結(jié)構(gòu)，存在零件數(shù)量較多，組裝過程中容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，與機(jī)體結(jié)構(gòu)之間存在強(qiáng)迫裝配現(xiàn)象，導(dǎo)致外形質(zhì)量難以保證，并且制造周期長(zhǎng)。為了解決此類問題，對(duì)艙門進(jìn)行復(fù)材結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本復(fù)材設(shè)計(jì)采用CATIA與FIBERSIM軟件集成的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)，從復(fù)合材料零部件整體成型體選材、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、制造工藝裝配等進(jìn)行論述，為復(fù)材整體成型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造一體化技術(shù)應(yīng)用提供思路。

1 原金屬中艙門結(jié)構(gòu)方案

原金屬艙門為鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)，由蒙皮和艙門骨架組成，艙門骨架主要有三個(gè)橫隔板、四個(gè)縱隔板以及兩個(gè)艙門梁組成；而每個(gè)橫隔板均由三段“Z”形LY12M-δ1.2鈑彎件組合而成，每個(gè)縱隔板均由兩段“C”形LY12M-δ1.2鈑彎件組成。艙門與周圍結(jié)構(gòu)均采用快卸鎖連接，左右兩側(cè)對(duì)稱分布3把鉤形快卸鎖與下大梁上的鎖環(huán)連接，前端4個(gè)插銷鎖座與前艙門4把插銷快卸鎖連接，后端4把插銷快卸鎖與36框上的鎖座連接，對(duì)稱面橫隔板處有一只彈簧快卸銷與中梁連接，連接艙門與周圍結(jié)構(gòu)的15個(gè)接頭均為鋁質(zhì)或鋼質(zhì)的機(jī)加零件，艙門結(jié)構(gòu)見圖1所示。

2 復(fù)合材料中艙門結(jié)構(gòu)方案

復(fù)材結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是材料和結(jié)構(gòu)同時(shí)成型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用和制造工藝緊密結(jié)合，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。

2.1 工藝方法的選擇

熱壓罐工藝是比較成熟的工藝方法，可以提供均勻的高溫度，高壓力場(chǎng)，制件質(zhì)量高。RTM工藝具有強(qiáng)度及性能可靠性高、成型工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、外表光滑、環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn)。

若將中艙門壁板和艙門骨架整體RTM成型，則蒙皮加泡沫結(jié)構(gòu)模具分塊多，設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，工作量大，成本高。綜合考慮，將熱壓罐工藝與RTM技術(shù)結(jié)合起來，熱壓罐工藝用于成形艙門壁板，RTM工藝用于成形艙門骨架，然后進(jìn)熱壓灌進(jìn)行二次膠接。雖然配合協(xié)調(diào)技術(shù)要求高，但降低了工藝難度；降低了制造大型構(gòu)件的風(fēng)險(xiǎn)，廢品率低，可充分發(fā)揮兩種工藝的優(yōu)勢(shì)。

2.2 材料選擇

復(fù)材夾層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的層壓板相比，具有高剛度、重量比的優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)到明顯的減重效果。夾層結(jié)構(gòu)的泡沫芯材相比蜂窩芯材，具有吸膠量低，抗吸濕性好的優(yōu)點(diǎn)。ROHACELLL-51WF材料是一種閉孔剛性發(fā)泡材料，具有卓越的強(qiáng)度和重量比，適合采用共固化工藝。

環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的力學(xué)性能、纖維界面粘接性能及成型工藝性能等特點(diǎn)，其品種多，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成形工藝等，所以根據(jù)結(jié)構(gòu)的最高溫度，可選擇5284RTM中溫環(huán)氧樹脂體系，U-3160及CF3031織物非常適宜碳纖維這類具有高模量且耐磨性差的纖維的織造。

因此選擇了U3160/5284RTM，CF3031/5284RTM ，及泡沫夾芯ROHACELL-51WF等材料，用于艙門設(shè)計(jì)制造。

2.3 復(fù)材方案確定

綜合考慮中艙門整體成形模具設(shè)計(jì)制造成本、材料的匹配性、零件生產(chǎn)制造和裝配等因素，根據(jù)艙門的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，RTM工藝成形艙門骨架，預(yù)浸料/熱壓罐工藝成形艙門壁板（泡沫夾芯），之后骨架與壁板進(jìn)行二次膠接組合，最后將鎖座等金屬接頭通過緊固件固定在艙門骨架上，完成整個(gè)艙門的裝配。艙門與周圍結(jié)構(gòu)的連接保持不變：左、右兩側(cè)各采用3把鉤形快卸鎖與后機(jī)身下大梁上的鎖環(huán)連接，中間采用1把快卸彈簧銷與中梁連接，前、后兩側(cè)各采用4把插銷分別與前艙門及36框連接。

各復(fù)合材料零組件（包括1個(gè)艙門壁板、3個(gè)橫隔板、4個(gè)縱隔板、2個(gè)艙門梁以及1個(gè)口框）單獨(dú)固化成型后用中溫膠膜J-47E進(jìn)行二次膠接，最后將鎖座等金屬接頭通過緊固件固定在艙門骨架上，完成整個(gè)艙門的裝配，結(jié)構(gòu)示意見圖2。

3 艙門整體成型體細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

3.1 艙門骨架

艙門骨架采用RTM液態(tài)成形工藝制造，包括由3個(gè)橫隔板、5個(gè)縱隔板及2個(gè)艙門梁組成，各零件單獨(dú)固化成型，如圖3所示。

3.2 隔板

橫隔板左右跨度約2000mm，與艙門外形一致為“W”形結(jié)構(gòu)，主要為艙門壁板提供橫向支持，防止艙門受力時(shí)產(chǎn)生過大的橫向變形，并將艙門接頭傳來的集中載荷向壁板進(jìn)行擴(kuò)散，橫隔板因外形曲率大、彎折嚴(yán)重，采用CF3031/5284RTM碳纖維，充分利用該織物良好的鋪貼性；緣條部位采用U-3160/5284RTM碳纖維發(fā)揮其單向性能突出的優(yōu)勢(shì)。為提高零件的表面質(zhì)量，最外層采用沿45°方向布置的CF3031/5284RTM織物。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

縱隔板位于橫隔板之間，其功能與橫隔板類似，主要用于提高壁板剛度，防止受力時(shí)艙門產(chǎn)生過大的縱向變形，由6層CF3031/5284RTM和4層U3160/5284RTM共同鋪成。

3.3 艙門梁

艙門梁位于艙門的兩側(cè)，與橫隔板及壁板相連，金屬銷座通過緊固件固定在艙門梁上，其功能與縱隔板類似，主要防止艙門受力時(shí)產(chǎn)生過大的縱向變形。由6層CF3031/5284RTM和4層U-3160/5284RTM鋪成，與金屬銷座的連接部位局部加強(qiáng)，增加10層碳纖維。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.4 艙門壁板

艙門壁板及口蓋均為碳纖維泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的預(yù)浸料/熱壓罐工藝共固化成型，由內(nèi)、外蒙皮及泡沫夾芯組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。壁板及口蓋的內(nèi)、外蒙皮均采用8層HF10A/NY9200GA碳纖維預(yù)浸料鋪成，泡沫夾芯材料為Rohacell-51WF且厚度均為10mm。

3.5 口框

因艙門壁板上開有口蓋供拆裝快卸彈簧銷使用，壁板在口蓋周圍需要加強(qiáng)，因此布置了加強(qiáng)口框并通過二次膠接將口框固定在壁板上?？诳蛴?6層HF10A/NY9200GA碳纖維預(yù)浸料鋪成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.6 艙門接頭

在艙門與周圍結(jié)構(gòu)的連接保持不變的前提下，左右兩側(cè)的鉤形鎖座、中間的快卸銷座及前部的插銷座與金屬艙門基本相同，受復(fù)材零件完整性要求，連接艙門后部與隔框的插銷鎖改為彈簧快卸銷，后部的鎖座相應(yīng)改為插銷座，接頭布置如圖8所示。

因艙門骨架單獨(dú)成形，需要在縱、橫隔板的交叉部位增加連接件將骨架連成一個(gè)整體：在隔板的腹板之間增加L形角片傳遞剪力，在隔板的上緣條間增加連接片以傳遞軸力。如圖9，圖10所示。

3.7 艙門裝配

裝配時(shí)，接頭及鎖座等金屬零件與蒙皮、隔板等復(fù)材零件之間貼一層玻璃布防止電化學(xué)腐蝕，所有的結(jié)構(gòu)縫隙在固化后必須用環(huán)氧樹脂J-4膠封口。金屬和復(fù)材之間用鈦合金抽釘CR7771S和CR7770S進(jìn)行連接，艙門梁、縱隔板、鉤形快卸鎖與蒙皮典型連接如圖11所示。所有機(jī)械連接（口蓋處及注明除外）均采用濕連接，連接時(shí)釘孔涂H06-2環(huán)氧鋅黃底漆。

艙門的金屬接頭與碳纖維復(fù)合材料壁板及隔板連接，為防止電位差過大引起電位腐蝕：鉤形鎖座采用不銹鋼材料1Cr18Ni9Ti，其它接頭根據(jù)傳載的需要選用7050-T7451或30CrMnSiA，骨架間的連接片采用LY12鋁合金，并在與復(fù)合材料制件的貼合面處增加1層玻璃布進(jìn)行隔離。

3.8 典型零件FIBERSIM鋪層信息表示

FIBERSIM軟件為世界領(lǐng)先的復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造軟件，集成于CATIA軟件，鋪層信息比較直觀，為復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制造提供了全面的解決方案，能夠自動(dòng)生成生產(chǎn)所需的下料、激光定位等信息。

典型的橫隔板零件因外形曲率大、彎折嚴(yán)重，隔板截面為“工”字形，貼膜面如圖12所示。隔板腹板由10層碳纖維織物（CF3031/5284RTM）鋪成，在與銷座的連接部位局部加強(qiáng)（增加5層CF3031/5284RTM），并在過渡區(qū)內(nèi)逐級(jí)剔層；隔板緣條由1層CF3031/5284RTM及5層U3160/5284RTM鋪成，如圖13，圖14所示。通過FIBERSIM軟件可以很直觀的看見零件的鋪層信息，而且FIBERSIM軟件可與有限元分析接口，進(jìn)行強(qiáng)度校核，可進(jìn)行可制造性分析形成相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 靜強(qiáng)度計(jì)算

經(jīng)過強(qiáng)度分析，中艙門復(fù)合材料結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，艙門結(jié)構(gòu)的安全余量、穩(wěn)定性系數(shù)和失效指數(shù)具體如表1所示。

5 工藝重點(diǎn)分析及技術(shù)措施

5.1 工藝重點(diǎn)分析

5.1.1 壁板外形控制

影響艙門壁板形面質(zhì)量的因素包括：外蒙皮的厚度精度；泡沫夾芯的尺寸精度；內(nèi)蒙皮的厚度精度；零件整體變形量。

5.1.2 膠接質(zhì)量控制

發(fā)動(dòng)機(jī)艙門由壁板和縱、橫隔板、梁采用J-47E中溫膠膠接成型。壁板外形復(fù)雜、尺寸大，存在很大的變形風(fēng)險(xiǎn)。因此壁板與縱橫隔板、梁膠接面會(huì)出現(xiàn)不同程度的間隙或干涉現(xiàn)象。因此，首先會(huì)出現(xiàn)膠接質(zhì)量不理想，其次隨著時(shí)間推移應(yīng)力釋放將出現(xiàn)膠接面脫粘現(xiàn)象。

表1 艙門強(qiáng)度指標(biāo)

表2 模具設(shè)計(jì)

5.1.3 鎖座安裝定位

鎖座是發(fā)動(dòng)機(jī)艙門與機(jī)身連接的部位，是這兩部分的裝配交點(diǎn)，其安裝位置的準(zhǔn)確度直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)艙門能否成功與機(jī)身連接。

5.2 技術(shù)措施及工藝過程

本著工裝數(shù)量最小化及制造依據(jù)的一致性，對(duì)于壁板成形、艙門骨架組合及兩者的膠接、快卸鎖的安裝四部分工作制定模具如表2所示。

5.2.1 艙門骨架組合工藝過程

首先，用RTM零件檢查與壁板膠接區(qū)是否存在干涉，然后用J-81膠定位膠接各RTM零件，再用模具上的定位裝置將各RTM零件定位，最后用角片和連接片通過機(jī)械連接將各RTM零件組裝成骨架。

5.2.2 壁板與骨架膠接工藝過程

首先，校驗(yàn)?zāi)Ｐｒ?yàn)骨架與壁板膠接面配合情況，然后，根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果放置相應(yīng)層數(shù)的膠膜J-47E，最后用均壓板均勻施壓保障膠接質(zhì)量。

5.2.3 鎖座安裝工藝過程

借用現(xiàn)有某型教練機(jī)中艙門裝配架，通過型架定位器確定鎖座安裝位置。

6 設(shè)計(jì)指標(biāo)評(píng)價(jià)

6.1 連接件數(shù)量

艙門的連接件主要位于金屬件與復(fù)材件的連接部位，連接件數(shù)量減少74%。

6.2 零件數(shù)量

根據(jù)復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)艙門的詳細(xì)設(shè)計(jì)數(shù)模，零件數(shù)量減少45%。

6.3 艙門重量

按照詳細(xì)設(shè)計(jì)數(shù)模，重量減小9.5%。

7 結(jié)語

本文通過對(duì)金屬改復(fù)材艙門優(yōu)化設(shè)計(jì)研究過程進(jìn)行論述，選取相應(yīng)的材料體系，借助FIBERSIM軟件設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了某型機(jī)艙門結(jié)構(gòu)先進(jìn)復(fù)材整體成型設(shè)計(jì)—工藝技術(shù)，不但能減輕結(jié)構(gòu)重量，控制結(jié)構(gòu)變形，改善外表面質(zhì)量，而且可以減少零件數(shù)量及機(jī)械連接，降低裝配難度。

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