低成本復(fù)合材料在某型機(jī)減速板上的應(yīng)用

左曉娟，李偉東，付杰斌，段凌澤

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

先進(jìn)的復(fù)合材料因具有較高的比強(qiáng)度、比模量、優(yōu)異的抗疲勞性以及耐腐蝕性強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，被成功應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，但其比鋁合金高5～10倍的制造成本阻礙了其進(jìn)一步應(yīng)用。因此，“低成本、高性能”成為目前復(fù)材技術(shù)發(fā)展的主要方向。在已有材料體系基礎(chǔ)上開發(fā)的低成本制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生——液態(tài)成型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了航空航天對高性能、低成本制造工藝技術(shù)及減重等方面的要求。

飛機(jī)減速板用于調(diào)節(jié)飛機(jī)飛行阻力，在飛機(jī)進(jìn)行各種機(jī)動(dòng)動(dòng)作或降落時(shí)輔助控制飛行速度。設(shè)計(jì)時(shí)在滿足減速板性能要求的前提下，盡量降低結(jié)構(gòu)重量，提高有效任務(wù)載荷，降低成本，是我們的重要目標(biāo)。因此，對減速板展開低成本復(fù)合材料的研究十分有必要。

1 復(fù)材減速板結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)形式分析

某型機(jī)減速板位于機(jī)身背部對稱面處，與機(jī)身相連，通過液壓作動(dòng)筒的收放實(shí)現(xiàn)減速板的開合。該減速板是一個(gè)具有一定厚度的封閉式腔體，整個(gè)結(jié)構(gòu)高度＜70mm，內(nèi)部無裝載，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，相對厚度不大的封閉式構(gòu)件，采用全高度蜂窩，可以獲得很高的載荷/重量比、較好的剛度及耐沖擊性能。

減速板與機(jī)身的連接，采用兩根貫穿全高度蜂窩的縱梁與機(jī)身框連接，采用接頭連接液壓作動(dòng)筒。為維持減速板外形，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，橫向布置多處隔板。

整個(gè)結(jié)構(gòu)由全高度蜂窩腔體、減速板縱梁、作動(dòng)筒接頭等組成，如圖1所示。其中全高度蜂窩腔體由內(nèi)、外蒙皮，隔板，蜂窩組成；除作動(dòng)筒接頭為金屬結(jié)構(gòu)外，其余零件均為復(fù)材零件。該結(jié)構(gòu)形式零件數(shù)目少，裝配簡單，便于無損檢測，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

2 復(fù)材減速板結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 成型工藝及材料選擇

液態(tài)成型技術(shù)包括樹脂傳遞模塑成型技術(shù)(RTM)、樹脂膜滲透技術(shù)(RFI)、真空輔助樹脂滲透成型技術(shù)(VARI)、反應(yīng)注射成型(RIM)、高壓樹脂傳遞模塑成型(HPRTM)等。

圖1 減速板的結(jié)構(gòu)形式

較傳統(tǒng)的預(yù)浸料—熱壓罐成型技術(shù)，液態(tài)成型技術(shù)減少了預(yù)浸料的制備、儲(chǔ)存運(yùn)輸和熱壓罐的投入等高成本因素。

樹脂傳遞模塑成型技術(shù)（RTM），是在模腔中放好纖維增強(qiáng)材料預(yù)成型體，在一定壓力下將樹脂注入閉合模腔內(nèi)，通過樹脂與增強(qiáng)體的浸潤，固化成型。RTM工藝閉合模成型，制件尺寸穩(wěn)定、精度高、表面光滑；可把復(fù)雜部件作為一個(gè)零件進(jìn)行生產(chǎn)；用于制造內(nèi)外表面尺寸要求高，幾何特征復(fù)雜的小型零件。

真空輔助樹脂滲透成型技術(shù)（VARI），是在真空狀態(tài)下排除纖維增強(qiáng)體中的氣體，通過樹脂的流動(dòng)、滲透，實(shí)現(xiàn)對纖維及其織物的浸漬。VARI工藝的模具簡單,對模具材料要求低；不需要額外成型壓力，僅需要用密封真空袋保證的真空度；原材料利用率高，制件修整加工量少；適用于大平面或簡單曲面零件生產(chǎn)。

減速板縱梁是減速板的主要承力結(jié)構(gòu)，長約1300MM，高約75MM，最大寬度約80MM，截面以工字為主，存在局部加寬或增厚，幾何特征復(fù)雜，對內(nèi)外表面精度要求高，采用RTM成型工藝。

內(nèi)、外蒙皮與隔板是減速板的次承力部件，內(nèi)、外蒙皮是1100MMx730MM的薄板，無筋，外表面要求高；前、中、后隔板和加強(qiáng)隔板均是Z形薄板，最大長度約620MM，最大寬度約85MM，結(jié)構(gòu)形式簡單，故蒙皮與隔板采用VARI成型工藝。

選材是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，綜合考慮材料成本、結(jié)構(gòu)使用要求及技術(shù)成熟度等因素，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盡量選擇成熟的材料體系。復(fù)合材料選用碳纖維/環(huán)氧樹脂體系，環(huán)氧樹脂選用5284RTM改性環(huán)氧樹脂（適用于RTM成型工藝）、3228環(huán)氧樹脂（適用于VARI成型工藝），碳纖維選用U3160碳纖維單向帶、CF3031玻璃布。全高度蜂窩選用NH-1芳綸紙蜂窩。金屬材質(zhì)的作動(dòng)筒接頭選用30CrMnSiA。復(fù)材零件成型工藝及材料如表1所示。

表1 復(fù)材零件成型工藝及材料

2.2 制造工藝

減速板的制造、裝配工藝流程如圖2所示。

①減速板梁采用RTM成型工藝制造；蒙皮、隔板采用VARI成型工藝制造；金屬作動(dòng)筒接頭采用數(shù)控加工。

②內(nèi)、外蒙皮間中空腔采用芳綸紙蜂窩填充，采用分塊數(shù)控機(jī)加成型。

③復(fù)合材料零件與金屬作動(dòng)筒接頭通過J-47E膠膜進(jìn)行二次膠接，形成復(fù)材零部件整體成型體。

④其中內(nèi)、外蒙皮與縱梁、作動(dòng)筒接頭之間增加鈦合金高鎖螺栓連接；內(nèi)、外蒙皮四周增加鈦合金抽釘連接。

⑤裝配時(shí)，蒙皮與縱梁、作動(dòng)筒接頭由裝配模具上的減速板縱梁耳片連接孔及作動(dòng)筒連接孔進(jìn)行定位。

圖2 減速板制造工藝流程

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

減速板的外蒙皮構(gòu)成飛機(jī)氣動(dòng)外形，主要承受氣動(dòng)載荷；內(nèi)蒙皮主要承受面內(nèi)剪切力。內(nèi)、外蒙皮均采用復(fù)合材料U3160/3228，為提高表面質(zhì)量，最外層增鋪一層CF3031/3228玻璃布。外蒙皮為變厚度鋪層，外緣減薄,以提高結(jié)構(gòu)效率；內(nèi)蒙皮采用等厚度鋪層。外蒙皮鋪層為 [(±45)/0/45/90/-45/0]S，外緣鋪層為[(±45)/45/90/-45]S；內(nèi)蒙皮鋪層為[(±45)/02/90]S。

減速板的縱梁設(shè)計(jì)為工字梁，凸緣承受由彎矩引起的軸向力，腹板承剪和傳遞垂直于減速板的氣動(dòng)載荷，采用U3160/5284RTM材料變厚度鋪層設(shè)計(jì)，其厚度變化區(qū)從耳片至梁后根部共有4個(gè)厚度過渡區(qū)。如圖3所示，對集中載荷不大的區(qū)域進(jìn)行了減薄處理，并將過渡區(qū)域設(shè)計(jì)為交錯(cuò)丟層，以避免過渡區(qū)域產(chǎn)生明顯的臺(tái)階和應(yīng)力集中。減速板梁耳片鋪層為[(±45)/±45/02/90/0/(±45)22/0/90/02/±45]S，減速板梁腹板 前段 鋪層 為[(±45)/±45/02/90/0/(±45)2/0/90/02/±45]S；減速板梁腹板后段鋪層為[(±45)±45/02/90/02/90/02/±45]S；減速板梁緣條鋪層為[±45/±45/03/±45/03/±45/0/90/02/±45/02]；為改善損傷容限和保持表面層連續(xù)光滑，縱梁的外表面增鋪一層CF3031/5284RTM玻璃布。由于減速板開合依靠縱梁的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，為提高轉(zhuǎn)動(dòng)件的維護(hù)性及耐磨性，在減速板接頭處嵌入一只30CrMnSiA材質(zhì)的襯套。

圖3 減速板縱梁

橫向構(gòu)件由前、中、后隔板、加強(qiáng)隔板組成，如圖4所示，主要對蒙皮提供支持，維持減速板外形，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，主要承受蒙皮傳來的氣動(dòng)力及其引起的彎矩。隔板采用復(fù)合材料CF3031/3228等厚度鋪層，前隔板鋪層為[45/90/0/45]S，中隔板鋪層為[45/90/45/0/90]S；后隔板鋪層為[45/90/45/0]S。加強(qiáng)隔板采用U3160/3228等厚度鋪層設(shè)計(jì)，外表面增鋪一層CF3031/3228 玻璃布，鋪層為[(±45)/0/45/90/-45/0]S。

圖4 隔板

作動(dòng)筒接頭位于減速板的中心區(qū)域，設(shè)計(jì)為雙耳接頭的盒形件，盒形結(jié)構(gòu)剛度好，能承受各方向的載荷。接頭兩邊采用4個(gè)HL11VUE-8高鎖螺栓及一個(gè)Φ15.5大螺栓與減速板縱梁連接。作為主承力結(jié)構(gòu)的連接部分，該零件采用30CrMnSiA材料。如圖5所示。

圖5 作動(dòng)筒接頭

蜂窩芯材共6塊，填充減速板的空隙部分，提高減速板的整體剛度。

此外，還對減速板進(jìn)行表面防護(hù)設(shè)計(jì)：

①對所有零件進(jìn)行涂漆防護(hù)；

②碳纖維復(fù)合材料與金屬接觸部位鋪放玻璃布進(jìn)行電偶腐蝕防護(hù)；

③與復(fù)合材料件連接的緊固件選用鈦合金材質(zhì)。

④由于減速板位于雷擊掃掠沖擊區(qū)域，故在外蒙皮外表面增鋪一層銅網(wǎng)，以防雷擊。

3 強(qiáng)度校核

依據(jù)減速板外形要求和安裝位置建立減速板有限元模型，采用六面體元模擬全高度蜂窩，采用桿元模擬作動(dòng)筒，采用殼元模擬減速板梁、內(nèi)外蒙皮、隔板和作動(dòng)筒接頭，在減速板梁耳片中心點(diǎn)及作動(dòng)筒接頭處施加X、Y、Z向平動(dòng)約束。減速板有限元模型如圖6所示。

圖6 減速板有限元模型

以Hoffman失效因子考核復(fù)合材料蒙皮、梁及隔板強(qiáng)度。圖7為減速板最嚴(yán)重載荷（40D）時(shí)的失效因子分布云圖，失效因子值為0.77，小于臨界失效因子值1；此時(shí)，最大Mises應(yīng)變?yōu)?430με，小于碳纖維復(fù)合材料的許用應(yīng)變值4000 με，如圖8所示，故蒙皮、梁及隔板在設(shè)計(jì)載荷下不會(huì)發(fā)生失效破壞。

對于蜂窩芯材，最大橫向剪切應(yīng)力為0.18MPa，最大縱向剪切應(yīng)力為0.37MPa，最大壓應(yīng)力為0.47MPa，均小于材料的許用值，故蜂窩芯材在設(shè)計(jì)載荷下不會(huì)發(fā)生失效。

采用MSC.Natran屈曲模塊分析減速板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，載荷情況40D時(shí)第一階屈曲因子最小，屈曲因子為1.8＞1，減速板在設(shè)計(jì)載荷下不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖7 失效因子分布云圖

圖8 最大應(yīng)變云圖

根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊，對減速板其他結(jié)構(gòu)及相關(guān)連接件進(jìn)行強(qiáng)度校核。結(jié)果表明，減速板滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文對某型機(jī)復(fù)合材料減速板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了闡述，選取了相應(yīng)的材料體系和液態(tài)成型工藝，得到了可行的制造、裝配方案，以及滿足強(qiáng)度要求的復(fù)材減速板。該復(fù)材減速板較金屬方案，零件數(shù)量減少63%，重量減輕17.8%，達(dá)到了減重、降成本的目的。