復合材料在飛機起落架艙門的應用研究

張恒康+++晁燦

摘 要：復合材料具有比強度，比剛度高的特點，在航空航天領域有著廣泛的應用。起落架艙門則是飛機中最早及最多使用復合材料的部件之一。對比金屬材料起落架艙門，復合材料起落架艙門重量輕，剛度好，零件數(shù)量少，同時也存在著工藝難度大，成品率等問題。文章研究了起落架艙門的材料選用，設計方法及工藝流程。

關鍵詞：復合材料；碳纖維；蜂窩；起落架艙門

1 概述

先進復合材料具有比強度和比模量高、性能可設計和易于整體成形等許多優(yōu)異特性。先進復合材料在飛機上應用的部位和用量多少，現(xiàn)已成為衡量飛機結構先進性的重要指標之一。目前大多數(shù)起落架艙門采用復合材料代替金屬設計，能夠減輕重量，提升艙門剛度。

2 起落架艙門結構特點

起落架艙門由面板與接頭組成，艙門面板為結構承力主體，通常為復合材料蜂窩夾層結構。夾層板的面板相當于I型梁的翼板，它們承受梁所受到的彎曲載荷。一側面板承受壓應力時，另一側面板承受拉應力。相類似，蜂窩芯材相當于I型粱的腹板。芯材承受剪應力，將面板分離以提高結構剛度，并在I型梁的基礎上有所提高。芯材為翼板或面板提供持續(xù)支撐，得到剛度增強后均勻分布的板材。結構膠粘劑牢固地將夾層結構各組分結合在一起。使其作為一個整體，具有高結構扭矩及高彎曲剛度。使其成為擁有良好扭曲及彎曲剛度的統(tǒng)一體。

3 艙門的復合材料設計

起落架艙門的夾層結構中，面板選材主要有碳纖維和玻璃纖維。高模量碳纖維單向帶和預浸料應用則更為廣泛。芯材材料則有蜂窩芯和泡沫芯，同時還需要搭配膠黏劑和發(fā)泡膠等其他材料有機整合成一個整體，才能提供足夠的強度和剛度。

一種典型蜂窩結構起落架艙門的材料選用如表1所示。

設計過程中，根據(jù)載荷方向，合理設計鋪層方向，盡量減少鋪層數(shù)量。同時保證鋪層的對稱性，避免耦合引起翹曲，同時在接頭處進行必要鋪層的加強。

芯材如果選用芳綸紙蜂窩，則需要注意蜂窩的高度與傾斜角度，確保蜂窩在固化的成型過程中不會發(fā)生塌陷和滑移。起落架艙門往往由于接頭布置位置，剛度要求以及尺寸大小，不得不采用較高高度的蜂窩以及大角度傾角。此時則需在設計和工藝兩端同時采取防塌陷防滑移措施，例如邊緣灌封處理，分步固化成型等方法。

在緊固件連接位置需對蜂窩進行加強，防止緊固件的擰緊力矩及局部集中載荷壓塌蜂窩。通常的做法是在緊固件區(qū)域進行灌封或者增加鑲嵌件增加芯材的抗壓強度。典型的復合材料艙門如圖2所示。

4 復合材料艙門的工藝方法

復合材料艙門的制造工藝流程如下：

（1）材料準備：準備碳纖纖維織物或單向帶，蜂窩夾心，膠膜等，其中碳纖維及膠需要在冰庫中保存，相比金屬材料，復合材料保存條件要求高，材料保存周期短。

（2）蜂窩機加：蜂窩機加成型，通常蜂窩芯需穩(wěn)定化處理。

（3）工裝準備：工裝需加溫加壓和抽真空固化成型零件，因此工裝需進行氣密性檢查以及熱分布測試。

（4）鋪層：前起艙門通常采用手工鋪層方式。鋪層邊緣需延伸到模具邊緣防滑帶固定，防止鋪層在加壓后滑移。

（5）壓實：鋪層完成后需用真空帶壓實。

（6）固化：復材制件送進熱壓罐加溫加壓固化，固化穩(wěn)定壓力曲線按相應工藝規(guī)范執(zhí)行，整個固化過程需記錄溫度及壓力曲線。復材件固化過程對結構件性能影響重大，多數(shù)零件缺陷均在固化過程中產(chǎn)生。

（7）脫模切割。

（8）無損檢測。

復合材料與傳統(tǒng)的金屬零件相比，制造難度高，工藝穩(wěn)定性差，成品率低。因此制定一套工藝方案需要通過數(shù)件試驗件的研制，不斷改進工藝方法，才能穩(wěn)定產(chǎn)品質量。

5 結束語

起落架艙門作為剛度結構件適合采用夾層結構的復材設計形式。材料選用則主要為碳纖維預浸料，芳綸紙蜂窩，搭配膠黏劑及灌封膠。設計過程中應充分的考慮產(chǎn)品的工藝性，合理選擇蜂窩高度及傾角，對邊緣及緊固件連接處進行強化處理。通過試驗件試制合理制定工藝方案，增加工藝穩(wěn)定性和成品率。

參考文獻

[1]復合材料設計手冊[Z].航空航天工業(yè)部科學技術研究院，1990.