熱塑性復合材料艙段結構設計及整體成形技術分析

康龍輝，劉智敏，蔣斌林，羅 兵

（1.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024;2.空軍裝備部駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024）

0 引言

熱塑性復合材料是以熱塑性樹脂為基體的復合材料，相較于熱固性復合材料，其優(yōu)點主要有：韌性、損傷容限性能、抗沖擊、抗裂紋擴展等性能較好；成形周期短，生產效率高，節(jié)約成本；具有重塑性，可以循環(huán)利用，提高零件的可修理性，降低報廢率等等[1]。因為這些優(yōu)點，熱塑性復合材料逐漸受到重視，在航空航天領域的用量也在不斷增加。

目前國內使用熱塑性復合材料的比較少，且尚未將熱塑性復合材料應用于艙段上，只有少部分飛機的非承力部件用的是熱塑性復合材料，如“八五”期間采用靜電粉末法PEEK熱塑性預浸料制造的某型平板艙門；肖娟，彭興國，高彬[2]采用聚酰亞胺樹脂/T300碳纖維無緯布和織物制造的某型無人機后機身艙門結構。

傳統(tǒng)飛行器艙段大部分采用金屬鑄造及鈑鉚結構等方法制造，結構形式主要表現(xiàn)為傳統(tǒng)硬殼式結構，結構重量占比較大，無法達到減重要求。為了達到輕量化設計要求，本文首次將熱塑性復合材料應用于復雜加筋艙段的結構設計中。

1 加筋艙段結構設計

艙段為某型無人機設備艙，總體要求如下：

1）結構滿足強度、剛度要求；

2）方便成件安裝與維護。

為滿足總體要求，艙段設計為典型薄壁筒體結構，在艙段左右兩邊各設置一個大開口用于成附件的安裝與維護，同時上下各設置天線安裝口框。艙段設計為典型壁厚的蒙皮+縱橫加強筋，針對四個不同功能區(qū)域，設置了四種不同高度的加強筋以滿足強剛度要求。復合材料加筋典型構型主要有工字形、T字形、J字形、Z字形、帽形、角形等，為了獲得較好的工藝性，加強筋形式選T字形。艙段加強區(qū)域如下：主體區(qū)域環(huán)向設有若干加強筋；套接區(qū)域進行增厚設計，環(huán)向設有加強筋；口框四周進行增厚設計，同時縱向設有兩個加強筋；艙段垂直方向設有兩個腹板安裝凸臺，用于安裝成附件安裝板，各縱橫加強筋與蒙皮一起形成艙段整體結構。艙段結構示意圖見圖1。

圖1 艙段結構示意圖

材料體系選用T700/PESEKK熱塑性復合材料，PESEKK（聚芳醚砜醚酮酮）是一種高性能熱塑性樹脂基體材料，它具有高強度、高模量、耐濕熱等特點，常溫下，該樹脂拉伸強度可達90MPa，模量可達3GPa。根據(jù)不同纖維長度分別設計了短切纖維/PESEKK和T700碳布/PESEKK試驗件，短切纖維試驗件采用干法成形，連續(xù)纖維試驗件采用濕法成形，室溫下其力學性能見表1。

2 艙段整體成形工藝技術

采用模壓成形工藝，成形總體思路如圖2所示：先將加強筋在模具上成形好后，放入主模具中陽模的凹槽中，再進行蒙皮的鋪貼，最后加熱加壓融合形成整體艙段主體結構。

圖2 工藝流程總圖

表1 不同纖維長度試驗件室溫下力學性能

模具設計：模壓成形工藝中，模具的設計至關重要，本文采用組合模具的形式，整個模具采用上下分模的分模方式，其中上下兩塊分模為陰模，中間部分為陽模，陽模由多個可活動的模塊組成，由于模具主要是靠上下兩個分模的壓力作用，前端框上的兩個平面無法受力，故前端框由單獨的模具模壓而成，內壁的加筋條也用單獨的模具模壓而成。艙段口框處，采用陰陽模具組合形式，陰模保證了開口的形狀與尺寸，陽模為陰模提供支撐。艙段整體模具分解圖如圖3 所示：其中，1 為下陰模，2、3、4、5、6 為中間部分的陽模，7為模擬艙段。脫模時，先抽出陽模2，再抽出陽模3、4，最后抽出5、6即可將制件取出。

圖3 模具分解示意圖

鋪貼設計：1）加強筋的成形：計算好各加強筋的重量，稱取同等重量的干法混合的短纖維/PESEKK熱塑性復合材料樹脂，將其放入模具中加壓高溫固化成形，成形好的加強筋如圖4所示。2）蒙皮鋪貼：將主模具的陽模組合完成之后，在陽模對應的凹槽上放入成形好的各加強筋，然后進行鋪貼。鋪貼過程：采用濕法成形，先將裁剪好的碳布按一定角度鋪于陽模上，再稱取與碳布等量的PESEKK樹脂溶液均勻涂刷于碳布上，如此反復直至鋪貼完成。

鋪貼完成后，合上陰模，對整個模具進行加熱加壓，保溫一段時間，待模具冷卻后開模取件，對試件毛邊進行修整后完成制造。采用傳統(tǒng)鋁合金鑄造的艙段重量為10.33kg，而采用熱塑性復合材料制備的零件重量為7.44kg，減重達28%，實物圖如圖5所示。

圖4 單獨成形好的加強筋

圖5 艙段實物照片

3 靜力試驗

如圖6所示，對艙段進行靜力試驗，不同工況下靜力試驗結果如表2所示。

圖6 艙段靜力試驗照片

表2 靜力試驗結果

由表2可知，不同工況下艙段在100%設計載荷下均未出現(xiàn)破壞，艙段整體滿足強度設計要求。

4 結語

本文采用骨架蒙皮結構，針對不同功能區(qū)域設計了不同高度的加強筋，完成了對某艙段結構的設計。首次將熱塑性復合材料應用于復雜加筋艙段，采用T700短切碳纖維/PESEKK與碳布/PESEKK熱塑性復合材料整體模壓成形技術，將加強筋單獨用短切纖維模壓成形后放入主模通過高溫高壓融滲成形為整體艙段；制成的艙段較傳統(tǒng)鑄造艙段減重28%；經靜力試驗考核，艙段結構滿足強剛度設計要求。