兩種復合材料加筋壁板筋條“R”區(qū)質量控制技術研究

李 義，葉宏軍，翟全勝

（中航復合材料有限責任公司；中航工業(yè)復合材料技術中心，北京 101300）

復合材料具有比強度高、比剛度大、可設計性強、抗疲勞損傷性能優(yōu)異以及耐腐蝕性好等優(yōu)點，成為航空航天領域重要的輕量化結構材料，已廣泛應用于飛機的機翼壁板、平尾、垂尾、機身、艙門等零部件結構中，其用量已經成為衡量航空飛行器先進性的重要指標之一[1-4]。加筋壁板結構是一種典型的航空復合材料面板結構基本形式，已應用在翼面和機身等部位，筋條對蒙皮的剛性方面有很大程度的增強，目前加筋壁板主要采用膠接共固化的成型工藝，在筋條膠接過程中，筋條R區(qū)容易產生分層、孔隙等缺陷。然而，R區(qū)是筋條承載的應力集中區(qū)，裂紋容易擴展，且后續(xù)無法進行補強，因此R區(qū)質量好壞對加筋壁板起著至關重要的作用。本文針對目前飛機上結構復合材料產品應用較多的兩類典型加筋結構，通過成型模具方案及相關工藝參數(shù)的優(yōu)化，逐步解決了R區(qū)容易出現(xiàn)的質量問題，為后續(xù)類似結構復合材料產品的研制提供參考。

1 加筋結構分類及缺陷介紹

根據(jù)目前飛機上結構復合材料的結構特點，本文主要討論兩類結構，第一類為“T”形加筋結構，主要應用于尾翼、機身、機翼等結構中；第二類為“Ω”形加筋結構，主要應用于艙門、機身等結構上。兩類結構如圖1所示。

圖1 加筋結構形式分類

本文所規(guī)定的R區(qū)包括筋條下R角、填充區(qū)及填充區(qū)膠膜，如圖2所示，加筋壁板在膠接共固化過程中，其R區(qū)質量較難控制，容易產生一系列缺陷，主要體現(xiàn)為R角分層、孔隙，無損檢測上表現(xiàn)為出現(xiàn)同一深度的信號波或不同深度的雜波；填充區(qū)與蒙皮脫粘或弱粘，無損檢測表現(xiàn)為膠膜層反射波信號有一定程度的增加；填充區(qū)出現(xiàn)孔隙，無損檢測表現(xiàn)為遠離膠膜層厚度處出現(xiàn)反射波信號。

圖2 “R”區(qū)示意圖

圖3 “T”形加筋

填充區(qū)理論填充料計算方式如下：

式（1）中：W為填充區(qū)所填預浸料寬度，mm；h為單層預浸料厚度，mm。

2 成型工藝及解決措施

2.1 “T”形加筋

“T”形加筋是一種較為常見的加筋結構形式，在成型過程中起加壓方式比較簡單，一般為保證筋條的外觀質量，筋條兩側的成型模具都采用鋼制模具，而且模具剛性越大，越有利于筋條R區(qū)預浸料及填充區(qū)的壓實。“T”形加筋R區(qū)在加壓過程中首先依靠剛性模具擠壓R角，其次通過R角將壓力傳遞給填充區(qū)，最后通過填充區(qū)壓實膠膜，因此在這個過程中填充區(qū)起著壓力傳遞的作用，為保證R區(qū)的內部質量，必須對填充區(qū)的填料進行定量化。本文分別采用了4種不同填充量的單向預浸料進行填充試驗，然后對4種填充效果的筋條進行了超聲A掃檢測及厚度檢測，結果如表1所示。

在本試驗中，對每一種填充量的結果都進行了一個批次的筋條驗證，當填充量/理論值為100%時，經超聲A掃發(fā)現(xiàn)某些筋條從底部檢測時，膠膜層后面出現(xiàn)一個反射波，且膠膜層自身反射波有一定的降低。把該位置處的試樣經處理后在金相顯微鏡下觀察，填充區(qū)出現(xiàn)大量的孔隙，見圖4；同時從R角方向探測下R角時，發(fā)現(xiàn)某些筋條下R角出現(xiàn)比較高的缺陷反射波，在金相顯微鏡下此處R角出現(xiàn)分層，見圖5，這主要是由于填充區(qū)填料不夠，導致傳遞給填充區(qū)及下R角的壓力不足，使填充區(qū)出現(xiàn)孔隙或下R角出現(xiàn)分層。

表1 不同填充量填充效果分析

圖4 填充區(qū)超聲A掃及金相顯微缺陷圖

圖5 下R角超聲A掃及金相顯微缺陷圖

當填充量/理論值為105%時，筋條R區(qū)內部質量合格，且筋條立邊厚度在理論范圍值內。當填充量/理論值為110%時，筋條R區(qū)內部質量合格，但筋條立邊厚度超厚，這主要是由于填充料過量，被擠壓至立邊中，導致立邊厚度超差。當填充量/理論值為115%時，發(fā)現(xiàn)某些筋條出現(xiàn)立邊分層，某些筋條立邊或下緣條出現(xiàn)孔隙，這主要是由于當填充料過量時，筋條R角尺寸會大于理論值，造成與筋條模具R角不匹配，在成型過程中會導致筋條成型模發(fā)生逆時針或順時針偏轉。當成型模逆時針偏轉時，造成下緣條壓力不夠，出現(xiàn)孔隙；當成型模順時針偏轉時，造成筋條立邊壓力不夠，出現(xiàn)孔隙，見圖6、圖7.

2.2 “Ω”形加筋

“Ω”形加筋壁板由于穩(wěn)定性好，傳遞周向載荷效率高，越來越多地應用于機身結構及艙門中。“Ω”形加筋壁板在后期裝配時一般帽型材要與跨過筋條的金屬橫梁進行裝配，因此對帽型材外形要求較高，需采用陰模成型方法?！唉浮毙渭咏畋诎逡话阌擅毙徒?、附加層、填充區(qū)組成，采用內套真空袋的方法成型，從圖8中可以看到，帽型材R角加壓較為復雜，需由真空袋對附加層加壓，然后由附加層對填充區(qū)加壓，最后由填充區(qū)將帽型材R區(qū)壓實，在壓實過程中，附加層能否滑移起著較為重要的影響。

圖6 筋條模具翻轉

圖7 筋條立邊或下緣條超聲A掃及金相顯微缺陷

圖8 “Ω”形加筋成型方法

為減少附加層的滑移，使壓力能最大傳遞至帽型材R區(qū)，采用了圖9所示的成型工藝路線，將帽型材與填充料先預壓至理論厚度，然后安放附加層及膠接組裝，同時為增強R區(qū)的壓力傳遞效果，在真空袋與附加層之間增加一層AirPad軟模，采用上述方法制造的帽型材經無損檢測合格。改進后的“Ω”形加筋成型方法如圖10所示。

3 結論

經論述，得出以下結論：①填充量對“T”形加筋壁板R區(qū)質量影響較為關鍵，當填充量/理論值為105%時，筋條R區(qū)內部質量與立邊厚度都合格；②通過對帽型材及填充料進行合理的預壓實，減少附加層的滑移，同時通過軟模提高帽型材的傳壓效率，可避免帽型材R區(qū)分層缺陷的產生。

圖9 工藝路線

圖10 改進后的“Ω”形加筋成型方法

［1］趙渠森.先進復合材料手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［2］航空航天工業(yè)部科學技術研究院.復合材料設計手冊［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1990.

［3］陳紹杰.大型飛機與復合材料［J］.航空制造技術，2016（15）：32-37.

［4］曾安民.一種新型高溫寬頻透波天線罩結構設計［J］.科技與創(chuàng)新，2018（4）：145-146.