加筋壁板VARI整體成型工藝設計與驗證*

叢晶潔 ， 陳志平 ,2， 胡忠民

（1.中國商飛北京民用飛機技術研究中心，北京 102211；2. 江蘇恒神股份有限公司，丹陽 212314）

先進輕質復合材料憑借其具有高比強度和比剛度，耐腐蝕和抗疲勞性能好，以及易于整體成型等優(yōu)點，正在逐步成為國內外新一代飛機的主要結構材料。其中波音波音787和空客A350中復合材料的結構重量已經(jīng)高達50%和52%[1-2]。當前先進復合材料在飛機結構中的用量已經(jīng)成為衡量飛機技術水平先進性的重要標志，也是大幅度提高飛機產(chǎn)品性能和市場競爭力的重要保證。

傳統(tǒng)的飛機結構中，由金屬蒙皮及縱橫向加強件構成的壁板結構件是最常見的結構，隨著復合材料逐步進入航空領域并成為金屬材料的替代品，復合材料加筋壁板已逐漸成為航空先進復合材料應用最普遍的結構件之一，特別是在大尺寸的翼面和機身等主承力結構中廣泛使用，如波音737平尾壁板、L-1011垂尾壁板、F-16垂尾壁板、AV-8B機翼與水平尾翼壁板、F-18垂尾壁板及A320平尾及垂尾壁板等。與金屬壁板相比，復合材料加筋壁板更容易發(fā)揮設計師的創(chuàng)造性，可以通過恰當?shù)匿亴硬眉艏罢w化結構設計，實現(xiàn)強度、剛度、重量、性能的多重優(yōu)化，減少零件數(shù)量和裝配工作量的同時獲得更低的結構重量[3-4]；但是復合材料壁板結構通常制造起來相當復雜，需要針對不同典型壁板結構開展必要的成型工藝及驗證研究。國際上較早就開展了復合材料加筋壁板結構的成型工藝相關研究，并在多個型號上得到驗證，國內相關研究也已開展，但大部分壁板結構采用熱壓罐/預浸料共固化、膠接共固化或二次膠接成型工藝方法完成制備[5-6]。

隨著復合材料用量的不斷增加，傳統(tǒng)的預浸料/熱壓罐成型工藝存在的問題不斷暴露出來，特別是繁瑣的工藝過程、高額的材料成本以及高投資配套設備所帶來的高昂的制造成本。低成本及高整體性的成型技術已經(jīng)成為新一代復合材料的發(fā)展方向。真空輔助樹脂滲透成型（Vacuum Assisted Resin Infusion，VARI）作為一種典型的低成本液體成型工藝已廣泛應用于復合材料制備中，并先后在美國及歐盟ACT、CAI以及TANGO等計劃中作為關鍵低成本制造技術而被廣泛研究[7-9]。

VARI成型工藝原理如圖1所示，首先將預先制備好的預制體放置在單面剛性模具上，真空封裝后進行預壓實，而后在真空作用下促使樹脂浸潤干態(tài)纖維預成型體，而后在室溫或烘箱中固化成型。相比傳統(tǒng)工藝，VARI工藝在一個大氣壓下完成，不需要額外施加壓力，省卻了熱壓罐及配套設備的高額投入，且所成型零件的尺寸不受熱壓罐尺寸的限制，尤其適用于超大尺寸復合材料零件成型；同時可以結合縫合、編織等三維增強手段實現(xiàn)復雜構件的整體成型，減少零件和緊固件數(shù)量，實現(xiàn)降低制造成本的目標。

盡管VARI工藝具有眾多的優(yōu)點，但目前尚未達到在航空復合材料構件上大規(guī)模應用的要求，所成型復合材料結構普遍存在厚度均勻性差的問題。為解決上述問題國內外研究人員在液體成型工藝質量影響因素分析[10]以及樹脂流動模擬等方面做了大量研究工作[11-16]，但缺少針對典型結構件開展VARI整體成型工藝設計及驗證相關研究。本文以一種典型變截面加筋壁板為研究對象，充分利用VARI成型工藝特點，完成內嵌式模具工裝設計及成型工藝流程，同時采用PAM-RTM軟件對樹脂流道進行模擬優(yōu)化，最終結合加筋壁板VARI工藝試驗結果進行驗證。

圖1 VARI工藝原理Fig.1 Process of VARI

圖2 加筋壁板結構Fig.2 Structure of stiffened panels

圖3 筋條細節(jié)Fig.3 Stiffener structure

1 成型工藝設計

1.1 壁板結構

復合材料加筋壁板結構如圖2所示，尺寸為1018mm×1018mm，包括4根“T”型筋條和蒙皮。其中“T”型筋條兩端設計為展開形式，屬于變截面結構，其詳細設計見圖3。變截面的筋條區(qū)域增加了纖維預制體的預成型難度以及零件最終成型尺寸精度。壁板蒙皮區(qū)域鋪層設計為[±45/(0)14/±45]，共計16層；筋條區(qū)域鋪層設計為[±45/(+45/0/-45/90)2s/±45]，共計18層。

1.2 工藝材料

樹脂體系：BA9912，中溫環(huán)氧樹脂，中航復合材料責任有限公司。

增強織物：G0803織物，美國赫氏復合材料公司；U7192單向簾子布，碳VII纖維單向機織物，國產(chǎn)碳III纖維單向機織物[10]。

1.3 成型模具

復合材料VARI成型過程中只有一個真空壓力進行壓實，屬于一種低壓成型的工藝方法，且布置有大量的樹脂管道，要求模具結構在保證型面形狀和尺寸精度的同時，還能滿足真空環(huán)境下樹脂滲透成型及脫模的需要,所以很難直接采用熱壓罐成型的模具設計思路進行VARI 成型加筋壁板結構的模具設計。

對于復合材料加筋壁板而言，如何保證 “T”形筋條與蒙皮間相對位置的控制為其成型模具設計的關鍵要點。常規(guī)的加筋壁板結構多采用組合模具設計方案，即分別設計蒙皮與筋條的成型模具，并通過連接裝置將二者重新裝配連接在一起。該種設計方案的優(yōu)點是模具加工簡單，其缺點是成型過程中“T”形筋條與蒙皮間的相對位置將受模具裝配精度的影響，同時這種組合式成型模具直接影響VARI液體成型過程中樹脂流道的設計布局。

翻譯是一種心理活動，是對原語的解碼并提取意義，然后用目標語言進行編碼的過程。方夢之也認為“翻譯過程中譯者受多種心理機制的作用，譯者的心理狀態(tài)對轉換行為產(chǎn)生直接影響”。[1]“翻譯心理學從文化心理學的角度分析把“誤譯”分為“有意識誤譯”和“無意識誤譯”?！盁o意識誤譯”源自于譯者的無意識誤讀，這不屬于翻譯心理學研究的范疇。而“有意識誤譯”是指譯者翻譯時故意誤讀；譯者的故意誤讀受控于譯者的文化心理因素，如譯者的本土文化意識形態(tài)（包括政治態(tài)度）[2]24，有意識誤譯實際上就是歸化的表現(xiàn)。

基于加筋壁板結構設計特點，完成加筋壁板模具內嵌式模具設計方案如圖4所示，可以較好地滿足VARI成型工藝需求，保證了變截面筋條區(qū)域在真空環(huán)境下的充分傳壓及成型質量，同時也不會限制樹脂的滲透。此外，預制體成型模和壁板結構液體滲透成型模合二為一，簡化了變截面預制體的工藝操作過程，同時確保了筋條與蒙皮的相對位置精度，簡化了模具的設計制造，節(jié)省了加工成本。

圖4 模具設計方案Fig.4 Designing of mold

圖5 壁板整體成型流程Fig.5 Flow of the steps of making stiffened panels

圖6 結構模型網(wǎng)格劃分Fig.6 Meshing of structure

表1 模型尺寸及工藝模擬參數(shù)

1.4 制備流程

加筋壁板結構VARI成型工藝制備流程設計如圖5所示，包括以下工序內容：

（1） 模具制備：將內嵌式成型模具整體清理干凈，確保工裝表面及內槽區(qū)域清潔、無油脂，并涂以脫模材料備用。

（2） 筋條預成型：將G0803織物及U7192單向簾子布按設計給定鋪層角度及工藝尺寸裁剪，按工藝外形及順序進行變截面筋條鋪貼預成型；同時確保鋪層質量，不出現(xiàn)纖維架橋、皺褶、屈曲、夾雜物等現(xiàn)象。

（3）預制體定位：將變截面筋條預制體置入模具內部溝槽進行充分壓實并定位，根據(jù)需要對變截面區(qū)域修形至所要求尺寸。

（4） 蒙皮鋪層：在模具及筋條區(qū)域上表面完成蒙皮鋪層鋪疊成型，根據(jù)需要預壓實處理。

（5）真空封裝壓實：蒙皮鋪層上表面依次鋪放脫模布、導流網(wǎng)、隔離膜、吸膠氈及真空袋等輔助材料進行真空封裝壓實處理。

（6） 固化成型：真空壓力作用下促使液體樹脂流動并完成增強纖維充分浸潤后，升溫固化成型。

1.5 樹脂流道方案

在VARI 成型加筋壁板結構的過程中，增強纖維的浸潤通過真空壓力作用下樹脂流動完成，而樹脂的流動浸潤通常受到纖維鋪疊方式、注膠管路的布置、導流及出膠方式的影響，不合理的流道設計通常導致復合材料制件產(chǎn)生干斑、富脂及厚度分布不均勻等缺陷，最終影響產(chǎn)品性能。

基于計算機軟件完成的樹脂流動模擬技術，可以對工藝過程中樹脂在增強體中的流動形式、充模時間以及不同時間點對應充模壓力進行仿真模擬，從而避免由于樹脂流道設計方案不合理造成零件報廢，以及時間和成本的浪費。

本文基于PAM-RTM軟件完成樹脂流道設計方案的優(yōu)選。首先結合加筋壁板的結構特點，得到簡化的2.5D結構，導入Hypermesh中完成網(wǎng)格劃分如圖6所示，模擬相關參數(shù)見表1；其次，根據(jù)實際經(jīng)驗完成樹脂流道設計方案，如表2所示 ；最后將網(wǎng)格數(shù)模導入 PAMRTM 軟件，并結合預先設定的樹脂流道設計方案、預制體的滲透率、樹脂滲透粘度、滲透溫度和鋪層形式等參數(shù)對各方案進行仿真模擬，最后通過充型時間長短、充型是否完全和工藝的可操作性等多方面因素進行綜合評定，選擇最佳的流道布局方案。

根據(jù)經(jīng)驗設計表2所示的6種VARI工藝流道方案，通過PAM-RTM軟件進行加筋壁板注膠過程樹脂流動模擬；考慮重力加速度對樹脂滲透的作用，得到不同方案的樹脂填充時間分布及可能發(fā)生缺陷的樹脂流動前鋒圖像如圖7、8所示。其中X1、Y1兩組方案的樹脂充模時間超過1h，容易超出樹脂體系的工藝操作期，為避免樹脂完全浸潤纖維之前發(fā)生凝膠固化，初步排除。由圖8分析可見，X2、Y2兩組方案中，樹脂最后到達的位置（藍色區(qū)域）不屬于上下邊緣區(qū)域，不利于溢膠口位置的設置，容易形成氣泡、干斑等缺陷。Y6方案中，由于樹脂流動的邊緣效應，邊線區(qū)域樹脂流動較快，導致靠近邊緣的位置易產(chǎn)生樹脂流動“孤島”，進一步產(chǎn)生厚度不均勻、樹脂填充不完全等問題。最終，選擇X5方案為該壁板結構件的VARI整體成型樹脂流道方案，該方案在X軸方向均布5個注膠管路進行注射，樹脂流動距離更短，所以其充模時間較短總計1630s；此外采用交替進出膠的流道布局設置，可以有效避免樹脂流動過程中不同管路間相互干涉產(chǎn)生樹脂交匯，并導致干斑等缺陷[10-12]。

表2 流道設計方案及充模時間

圖7 樹脂充模時間模擬結果Fig.7 Simulation results of resin filling time

圖8 樹脂流動前鋒模擬結果Fig.8 Simulation results of resin flow

2 工藝試驗驗證

根據(jù)前期工藝設計方案，完成了復合材料加筋壁板的研制（見圖9）。其外表光滑無褶皺，內部質量穩(wěn)定，無貧膠、干斑缺陷；采用FCC-B-1型超聲檢測儀按GJB1038.1a-2004標準要求對典型件進行全覆蓋無損檢測，未在典型件內部發(fā)現(xiàn)缺陷；采用厚度CL400超聲測厚儀對典型件進行厚度分布測量，其厚度偏差在±5%范圍內，厚度均勻性良好。

3 結論

（1）研究了VARI液體成型工藝特點，并針對典型加筋壁板結構設計特點，完成了VARI工藝整體成型模具及制備流程設計。

（2）基于計算機軟件完成樹脂流道設計方案的優(yōu)選。采用PAM-RTM軟件對不同工藝方案樹脂流動過程進行仿真模擬，選擇X向5個注膠管路的流道設計，可以有效避免不同注膠管路間相互干涉產(chǎn)生樹脂交匯并導致干斑等缺陷。

（3）采用VARI工藝制備了加筋壁板構件,并對選定方案進行評估，對其進行超聲無損檢測與厚度測量。無損檢測結果顯示構件內部無明顯缺陷，厚度測量結果顯示厚度偏差在±5%范圍內，厚度分布較均勻，為復合材料加筋壁板VARI整體成型的工藝設計及制造提供了參考。

圖9 加筋壁板結構Fig.9 Structure of stiffened panel

參 考 文 獻

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