復合材料Z型加筋壁板制造技術研究*

閆恩瑋，劉 琦，薛紅前，李玉軍

（1. 西北工業(yè)大學，西安 710072；2. 中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，西安 710089）

復合材料具有高比強度、高比模量、耐腐蝕、可設計性強等諸多優(yōu)點，在航空航天、航海等領域得到了廣泛應用[1]。為充分發(fā)揮復合材料可設計性強的優(yōu)勢，通常將不同結(jié)構(gòu)組分通過共固化或共膠接等方法在復合材料固化過程中結(jié)為一體形成整體化結(jié)構(gòu)，從而進一步減少緊固件數(shù)量，降低結(jié)構(gòu)重量與制造成本。飛機復合材料加筋壁板就是此類整體化組件的典型代表。然而，復合材料加筋壁板整體化成型工藝流程煩瑣，制造難度大，不同組件之間定位關系多、型面配合復雜，易導致復合材料組件之間壓力傳導不均、長桁軸線偏移、固化變形嚴重等問題[2–4]。因此，亟須針對該類型整體化結(jié)構(gòu)進行工藝研發(fā)，從而提升質(zhì)量穩(wěn)定性、降低制造風險。

周長庚等[5]研究了T型長桁邊緣處蒙皮纖維屈曲問題，建立了蒙皮纖維屈曲程度與長桁緣條邊緣倒角及蒙皮厚度的關聯(lián)模型。彭堅等[6]進一步將上述模型推廣至J型加筋壁板，對不同長桁倒角條件下加筋壁板的剛性進行分析，確定了綜合性能最佳的長桁邊緣倒角角度。孫勇毅等[7]針對工型加筋壁板的固化變形問題，分析了升/降溫速率、保溫時間等工藝參數(shù)對固化變形的影響。鄒堯等[8]以樹脂收縮理論和細觀動力學模型為基礎，對U型、V型典型結(jié)構(gòu)固化變形進行模擬仿真分析，并通過模具型面補償提高長桁成型精度。張鵬等[9]研究了預浸料鋪放間隙產(chǎn)生機理及演化規(guī)律，提出一種基于近似測地線的分層次鋪放軌跡規(guī)劃方法，充分利用預浸帶的合理變形實現(xiàn)了鋪放間隙和表面平整性的協(xié)同控制。薛向晨等[10]綜合運用自動鋪帶、疊層滑移成型、自動鋪絲等設備，解決了帽型長桁內(nèi)/外部均衡傳壓，長桁準確定位、填充芯材連續(xù)自動化成型等技術難題。韓小勇等[11]從力學性能、生產(chǎn)速率、制造成本等維度，對比分析了Z型機身隔框的5種制造方案，并對各方案的優(yōu)點、缺點、技術細節(jié)和應用范圍做了詳細說明。

大量工作推動了復合材料加筋壁板制造質(zhì)量和自動化程度的穩(wěn)步提升[12–15]。然而，現(xiàn)有研究主要針對T型、工型等結(jié)構(gòu)，較少涉及Z型加筋壁板這一特殊結(jié)構(gòu)。T型、工型長桁屬于靜穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在曲率變化不大的蒙皮上進行組合時能夠維持自身狀態(tài)的穩(wěn)定性。而Z型長桁屬于靜不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，即使在平板類蒙皮上靜置，也無法維持其自身狀態(tài)的穩(wěn)定性，從而導致傾倒側(cè)翻現(xiàn)象發(fā)生。這種結(jié)構(gòu)的特殊性，對長桁定位、整體結(jié)構(gòu)封裝、固化變形控制以及長桁–蒙皮膠接區(qū)域的壓力傳導提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

因此，本研究從Z型長桁制造、長桁軸線度控制、固化壓力均勻傳導、壁板固化變形分析、自動鋪帶軌跡規(guī)劃等維度入手，以內(nèi)/外部質(zhì)量協(xié)同控制為目標，對Z型加筋壁板整體制造技術難點進行分析，為此類靜不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的整體化成型提供經(jīng)驗借鑒。

1 試驗及方法

整體結(jié)構(gòu)試驗件為Z型加筋壁板，由1張蒙皮和16根Z型長桁組成，如圖1所示。試驗件為雙曲率梯形結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)四周高中間低分布形式，尖部區(qū)域局部無長桁。蒙皮長度約7000 mm，根部寬度約3500 mm，尖部寬度約500 mm，根部弓高約120 mm，尖部弓高約30 mm。蒙皮中間有一個六邊形的開口，開口區(qū)域需鋪層加強。蒙皮基準厚度約3 mm，加強區(qū)域厚度約5.2 mm。長桁截面為Z型，上窄下寬，頂部緣條寬度約20 mm，底部緣條寬度約25 mm，長桁高度約22 mm。長桁為等厚鋪層，厚度約2.5 mm，如圖2所示。長桁采用自動下料機下料，利用激光投影輔助手工鋪貼，進而利用熱壓罐加溫加壓固化。蒙皮采用自動鋪帶技術實現(xiàn)預成型，而后整體結(jié)構(gòu)采用干長桁+濕蒙皮的共膠接成型工藝，成型之后利用數(shù)控銑切外形輪廓。試驗件主材料選用中航復材制備的T800級碳纖維單向帶及織物，輔助材料選用Airtech公司的真空袋、隔離膜、透氣織物等，其中預浸料牌號為AC531/CF8611，單向帶牌號為AC531/CCF800，玻璃布牌號為AC531/EW100C，膠膜牌號為J–375。

圖1 Z型加筋壁板整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of Z-type stiffened panel

圖2 Z型長桁示意圖Fig.2 Schematic diagram of Z-type stringer

此外，本文還采用有限元仿真的方法預測壁板的固化變形。復合材料零件在固化過程中將經(jīng)歷多種材料狀態(tài)。應力–位移分析需要明確環(huán)氧樹脂的固化力學本構(gòu)模型。應用本構(gòu)模型正確地描述復合材料在固化過程中力學性能變化是非常重要的。Path-dependent樹脂固化本構(gòu)模型中描述樹脂性能變化的方程為

式中Em是樹脂的彈性模量；km是樹脂的體積模量； 上標r和g代表材料處于橡膠態(tài)或者玻璃態(tài)；αgel是樹脂玻璃化時的固化度，AC531樹脂固化度為0.40。

根據(jù)樹脂玻璃態(tài)的模量來進行樹脂橡膠態(tài)模量計算的過程為

本文所用國產(chǎn)T800級碳纖維和AC531樹脂的力學性能如表1所示。

表1 CCF800碳纖維與AC531樹脂的性能Table 1 Mechanical properties of CCF800 and AC531

采用模型切分和材料方向定義的方法實現(xiàn)零件鋪層方向的定義。采用C3D4進行網(wǎng)格劃分，確定網(wǎng)格數(shù)目為317800，節(jié)點數(shù)目為106828。得到的有限元模型如圖3所示。

圖3 壁板的網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh model of panel

通過有限元計算得到壁板成型結(jié)束后構(gòu)件內(nèi)部的殘余應力，然后釋放模具約束，僅對壁板有限元模型的1個單元進行約束避免出現(xiàn)剛體位移，計算應力釋放后復合材料構(gòu)件的固化變形。

2 結(jié)果與討論

2.1 Z型長桁批坯料制造及厚度控制

Z型長桁的腹板面和上、下緣條面近似垂直。在常規(guī)工裝方案中，需將Z型長桁腹板面與工裝水平面進行垂直設置，便于上、下緣條面的鋪貼，如圖4（a）所示。然而固化過程中，樹脂在重力作用下沿腹板面向下流淌，導致腹板厚度呈現(xiàn)梯度分布和側(cè)向受力不均的狀況。最終導致固化后的Z型長桁上緣條面外R角區(qū)域出現(xiàn)貧膠、偏薄，下緣條面內(nèi)R角區(qū)域出現(xiàn)富樹脂、偏厚等問題，并且腹板面易出現(xiàn)孔隙密集或分層缺陷。為解決此問題，本研究將Z型長桁的腹板面與工裝水平面由近似垂直調(diào)整至約45°角，如圖4（b）所示。將常規(guī)方案中樹脂在重力作用下的快速垂直流淌優(yōu)化為緩慢側(cè)向流淌，從而弱化樹脂的梯度分布，并且消除了固化過程中不穩(wěn)定的側(cè)向受力，確保腹板面和上、下緣條面的受力狀態(tài)接近，使得Z型長桁整體承力更為均衡。

圖4 Z型長桁成型工裝方案Fig.4 Schematic diagram of tooling scheme for Z-type stringer

Z型長桁帶有1個內(nèi)R角和1個外R角，外R角區(qū)域受力集中容易出現(xiàn)鋪層滑移；內(nèi)R角區(qū)域則容易出現(xiàn)失壓現(xiàn)象，誘發(fā)纖維皺褶、孔隙密集等缺陷。為解決此問題，通常采用專用工裝或假件制造壓力墊，從而均勻傳導固化壓力。但使用此方法，壓力墊放置位置的準確性、壓力墊與Z型長桁坯料的匹配性以及壓力墊軟–硬的均衡性都會影響最終的傳壓效果。為減少成本、均衡固化壓力并降低操作難度，本研究在調(diào)整長桁成型姿態(tài)的基礎上，針對R角區(qū)域的均勻傳壓，提出了3種方案：無壓力墊和兩種局部簡易壓力墊 （表2和圖5）并進行了對比驗證。

圖5 Z型長桁傳壓試驗示意圖Fig.5 Schematic diagram of pressure transmission test of Z-type stringer

表2 壓力均勻傳導對比試驗Table 2 Comparison test of pressure uniform conduction

采用3種方案制造的Z型長桁，其內(nèi)部致密，均無分層、孔隙密集等缺陷，但表面質(zhì)量略有差異。（1）方案1在密封膠帶的邊緣區(qū)域存在預浸料皺褶現(xiàn)象，這主要是因為在高溫環(huán)境下密封膠條逐步變硬，影響其邊緣區(qū)域的匹配性，從而形成局部低壓區(qū)域。與T型長桁直角邊緣類似[2]，預浸料在固化壓力作用下向密封膠條邊緣滑移，進而產(chǎn)生皺褶。（2）方案2在Airpad的邊緣區(qū)域存在預浸料輕微皺褶現(xiàn)象，這是因為Airpad的厚度約2 mm，在其邊緣區(qū)域形成了一個微小內(nèi)R角，預浸料在壓力作用下產(chǎn)生滑移形成輕微皺褶。（3）在方案2的基礎上，方案3中兩層Airpad采用錯臺式鋪貼，近似形成1個倒角，弱化了底層Airpad邊緣區(qū)域小內(nèi)R角的影響，有效避免了預浸料的滑移現(xiàn)象，因此方案3中Z型長桁表面光滑平整。

圖6為16根Z型長桁的厚度測量值，圖7是2#、3#長桁分區(qū)域厚度測量值。由比對數(shù)據(jù)可知，Z型長桁整體厚度均勻，上、下緣條面和腹板面的厚度無明顯差異。長桁表面光滑平整，無明顯皺褶，說明固化過程中壓力傳導均衡，樹脂未出現(xiàn)明顯匯聚。工裝調(diào)平和方案3起到了良好效果，實現(xiàn)零件表面平整性和內(nèi)部致密性的協(xié)同控制。

圖6 16根Z型長桁厚度數(shù)據(jù) （1# ～16#）Fig.6 Thickness measurement data of Z-type stringer (1# -16#)

圖7 2#和3#長桁厚度數(shù)據(jù)Fig.7 Thickness measurement data of 2# and 3# stringers

2.2 Z型長桁軸線度控制

Z型長桁特殊的靜不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，導致其放置在蒙皮上時無法穩(wěn)定維持自身姿態(tài)，長桁存在滑移和傾倒的雙重風險 （圖8），增加了軸線度的控制難度。本研究在Z型長桁的半封閉內(nèi)腔采用殷鋼材質(zhì)的金屬芯模實現(xiàn)了支撐維形和軸線度控制的雙重目標。為了增加穩(wěn)定性，抑制滑移趨勢，金屬芯模采取上窄下寬的梯形結(jié)構(gòu)。

圖8 長桁滑移和傾倒示意圖Fig.8 Schematic diagram of slipping and toppling of Z-type stringer

Z型長桁與蒙皮組合的具體步驟如下： （1）使用激光投影系統(tǒng)，在蒙皮表面標記Z型長桁膠接面和金屬芯模底面的外形輪廓； （2）按照激光投影線，在Z型長桁膠接面鋪貼一層膠膜； （3）在膠膜上放置一層無孔隔離膜； （4）按照激光投影線，放置金屬芯模和Z型長桁； （5）安裝卡板，校準Z型長桁的位置； （6）抽真空壓實； （7）拆除Z型長桁和金屬芯模，檢查膠膜配合狀態(tài)。在固化過程中，采用真空袋外卡板，控制長桁軸線精度，使用真空袋外卡板固定金屬芯模，Z型長桁在真空和固化壓力作用下，與金屬芯模緊密貼合，實現(xiàn)控制長桁軸線精度的目標。同時，本研究提出了兩種真空袋外卡板固定金屬芯模的方案，并進行了應用驗證。方案1是使用定位銷穿透真空袋，插入金屬芯模的定位底孔，固定金屬芯模；方案2是使用壓緊器，在真空袋外壓緊金屬芯模，限制其在固化過程中的滑移。

試驗表明，兩種方案均能實現(xiàn)控制長桁軸線精度的目標，但方案1破壞了真空袋膜的完整性，增加了大量潛在漏氣風險點，增加了真空袋的制作難度，并且一旦出現(xiàn)真空滲漏，需要重新封裝，因此該方案的風險較高、故障排除周期較長；方案2對封裝過程無影響，且可操作性強、風險較低。因此本試驗最終采用方案2控制長桁軸線精度。由測量結(jié)果可知，長桁軸線精度能夠基本控制在±1.0 mm范圍內(nèi)，如圖9所示。

圖9 Z型長桁軸線度測量值Fig.9 Measured value of axiality of Z-type stringer

2.3 固化壓力均勻性控制

試驗件蒙皮為四周高，中間低的內(nèi)凹式型面。長桁整體為弧形，高低點落差約110 mm。若長桁芯模采用整體式結(jié)構(gòu)，其大細長比的特點將導致變形量較大、安裝及拆除困難的問題。為解決上述問題，本研究采用分段式芯模結(jié)構(gòu)，每段長度約1～1.5 m。長桁與蒙皮組合時，各段通過連接鍵，固定連接成為整體。Z型長桁與芯模間無連接、定位關系。

在芯模的對接區(qū)域，不可避免地存在不同程度的階差，影響此區(qū)域Z型長桁與蒙皮的配合狀態(tài)。并且，由弧形長桁兩端頭起向內(nèi)側(cè)延伸，金屬芯模的拆除難度不斷增加。為此，本研究在芯模對接部位采用小間隙配合，增加對接彈性提高其在固化過程中對蒙皮物理–化學狀態(tài)變化的適應性。同時，在芯模對接部位設置撬口，組合后使用脫模布進行溢膠保護，降低脫模難度。

與T型長桁類似，金屬芯模放置在蒙皮上方，其底部型面尤其是邊緣區(qū)域的結(jié)構(gòu)直接影響對應區(qū)域蒙皮內(nèi)部的致密性和表面的平整性[2]。本研究在采用斜坡式金屬芯模的基礎上，對比驗證了小R角和無R角兩種設計方案，如圖10所示。結(jié)果表明，這兩種方案芯模下方的蒙皮區(qū)域內(nèi)部致密，均無分層或孔隙密集等缺陷，但是表面平整性存在差異。無R角方案，芯模邊緣僅有少量溢膠，且在脫模過程易于清除，蒙皮表面平整；而小R角方案，芯模邊緣存在大量弧形溢膠，阻礙了芯模的順利拆除，蒙皮表面存在輕微皺褶。Z型長桁與蒙皮膠接面的R角區(qū)域構(gòu)成了一個較小的真空區(qū)，通常使用單向帶將此區(qū)域填充，并使用玻璃纖維織物或碳纖維織物封閉。此方法能夠保證該區(qū)域填充緊密，壓力傳導均衡。但是，對于Z型長桁，此方法的操作難度較大。本研究未對此區(qū)域進行專門填充或封閉，而是依靠固化過程中蒙皮鋪層的溢膠將此區(qū)域充滿，最終使產(chǎn)品外觀光滑、內(nèi)部致密。

圖10 芯模邊緣R角示意圖Fig.10 R-angle of the core edge for Z-type stringer

2.4 固化變形分析與控制

Z型長桁可以拆分為兩個反向?qū)拥腖型角材。固化后，單側(cè)L型角材的收口會引起Z型長桁上、下緣條面的反向變形。若以下緣條面為基準，固化后Z型長桁會出現(xiàn)類似“后倒”的固化變形情況，如圖11所示。本研究對Z型長桁的固化變形進行了仿真分析，并以此為依據(jù)，對Z型長桁成型模的上緣條面和下緣條面各設置了1°的修型補償，以抵消收口變形帶來的不利影響。

圖11 Z型長桁收口變形示意圖Fig.11 Schematic diagram of spring-in deformation for Z-type stringer

針對復合材料加筋壁板整體構(gòu)件，采用商用有限元軟件ABAQUS進行固化變形分析。仿真模型中采用前述Path-dependent本構(gòu)模型，從而實現(xiàn)復合材料在固化過程中的時變力學特性準確描述，同時兼顧模型計算效率和計算精度，進而利用ABAQUS軟件的二次開發(fā)功能植入UMAT子程序。仿真計算過程中，固化制度與制造零件所用工藝曲線保持一致。計算結(jié)果如圖12所示。可以發(fā)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)成型之后發(fā)生回彈變形，且變形較大區(qū)域處于壁板尖部及邊緣區(qū)域，而零件內(nèi)部區(qū)域的變形值較小。實際整體加筋壁板銑切完成后，使用定位銷固定在成型模具上，在自由狀態(tài)下使用激光跟蹤儀測量其內(nèi)型面。由測量結(jié)果可得（表3、4），內(nèi)型面實測公差為– 4.5～4.5 mm。偏差較大的部位集中在壁板尖部和邊緣區(qū)域，如圖13所示。壁板中間區(qū)域型面實測公差在–0.4～0.4 mm范圍內(nèi)。在Z型加筋壁板的邊緣，每間隔250 mm均勻施加50 N的力，壁板與工裝的貼合間隙約0.3 mm，且間隙均勻。試驗測量結(jié)果與仿真計算結(jié)果規(guī)律吻合度較高，后續(xù)可以在仿真模型的基礎上進一步進行模具修正與工藝參數(shù)優(yōu)化。

圖12 Z型加筋壁板固化變形計算Fig.12 Simulated result of curing deformation for Z-type stiffened panel

圖13 Z型加筋壁板測量結(jié)果Fig.13 Experimental result of curing deformation for Z-type stiffened panel

表3 偏差分布統(tǒng)計Table 3 Statistics of deviation distribution

表4 超出臨界統(tǒng)計Table 4 Out-of-critical statistics

2.5 自動鋪帶軌跡規(guī)劃

本試驗鋪帶設備為M.Torres公司的龍門式自動鋪帶機，配套編程軟件為基于CATIA二次開發(fā)的Tolay軟件。整個編程過程包括設置參數(shù)、生成鋪貼面、生成起始點、創(chuàng)建軌跡、檢查廢料及后置處理。Tolay軟件中鋪帶軌跡規(guī)劃算法共兩種，分別是平行法和測地線法。蒙皮鋪貼面曲率較緩，采用兩種算法分別生成0、45°及90°鋪層軌跡，對比分析后發(fā)現(xiàn)，兩種算法生成的軌跡角度偏差及料帶間隙均符合零件制造要求。測地線是曲面上測地曲率為零的曲線，料帶沿著測地線軌跡進行鋪放可不發(fā)生褶皺，具有良好的鋪放工藝性。為保證蒙皮的鋪放質(zhì)量，最終采用測地線法進行軌跡規(guī)劃。同時，為提高鋪貼效率，對料帶形狀進行了優(yōu)化：（1）使前一條料帶末端形狀與后一條料帶始端形狀保持一致，避免鋪帶頭頻繁到廢料區(qū)鋪貼廢料； （2）修改料片形狀，將非滿帶寬料片更改為滿帶寬料片，并對軌跡標記點位置進行了調(diào)整，如圖14所示； （3）調(diào)整楔輥與壓輥的切換時機，提前使壓輥下壓，提高鋪層間壓實程度，保證鋪放質(zhì)量。

圖14 修改料片形狀Fig.14 Schematic diagram of modification sheet shape

3 結(jié)論

（1）將Z型長桁的腹板面與工裝水平面由近似垂直調(diào)整至約為45°角，從而弱化樹脂的梯度分布，使得Z型長桁整體承力更為均衡。在此基礎上將兩層Airpad橡膠墊采用錯臺式鋪貼，有效避免了預浸料的滑移現(xiàn)象。

（2）在Z型長桁的半封閉內(nèi)腔，采用殷鋼材質(zhì)的上窄下寬金屬芯模實現(xiàn)支撐維形和軸線度控制的雙重目標。

（3）在采用斜坡式金屬芯模的基礎上，采用無R角邊緣設置，從而保證該區(qū)域填充緊密，壓力傳導均衡。

（4）對Z型長桁成型模的上緣條面和下緣條面各設置了1°的修型補償，以抵消收口變形帶來的成型精度問題，并使用ABAQUS軟件結(jié)合子程序開發(fā)功能，實現(xiàn)整體加筋壁板固化變形預測，試驗測量結(jié)果與仿真計算結(jié)果規(guī)律吻合度較高。