復(fù)合材料加筋板經(jīng)濟(jì)性研究

王慧 劉暢/海軍裝備部裝備審價(jià)中心

近年來，各航空強(qiáng)國為實(shí)現(xiàn)航空器機(jī)體結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)、高效等特點(diǎn)，新研型號(hào)和改進(jìn)型號(hào)中均不同程度并盡可能多地應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)［1］。復(fù)合材料的應(yīng)用帶來了結(jié)構(gòu)重量收益，但也導(dǎo)致制件成本的大幅上漲［2-3］。為推進(jìn)復(fù)合材料大面積應(yīng)用，美國和歐盟航空強(qiáng)國進(jìn)行了一系列DMLCC（低成本復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造）、AFS（先進(jìn)機(jī)身結(jié)構(gòu)）、ACT（先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)）和ATCAS（先進(jìn)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)）等研究專項(xiàng)計(jì)劃，旨在提高復(fù)合材料技術(shù)水平并降低復(fù)合材料成本。與航空強(qiáng)國相比，國內(nèi)復(fù)合材料應(yīng)用僅限于尾翼級水平，機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)尚無工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。機(jī)翼、機(jī)身典型結(jié)構(gòu)件均是大尺寸加筋板，設(shè)計(jì)難度極大。本文以典型主承力復(fù)合材料加筋板為研究對象，通過設(shè)計(jì)源頭分析影響制件成本的敏感因素，給出面向低成本的大尺寸復(fù)合材料加筋板設(shè)計(jì)方案，研究成果可為大尺寸復(fù)合材料加筋板經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

一、加筋板敏感因素

復(fù)合材料加筋板由蒙皮和縱向長桁組成，典型結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。復(fù)合材料加筋板經(jīng)濟(jì)可承受性受材料成本、工裝成本、制造成本和質(zhì)量控制四方面因素影響。

圖1 典型復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)示意圖

復(fù)合材料加筋板材料的選擇以碳纖維為增強(qiáng)材料、環(huán)氧樹脂為基體的單向帶預(yù)浸料為主要材料，其預(yù)浸料成本涉及碳纖維成本、環(huán)氧樹脂成本和預(yù)浸料制備成本。相對傳統(tǒng)金屬材料，高強(qiáng)度碳纖維制備技術(shù)難度高、工藝穩(wěn)定性差，所以航空級高強(qiáng)度碳纖維預(yù)浸料價(jià)格較傳統(tǒng)鋁合金材料價(jià)格相差極大。

復(fù)合材料加筋板主要原材料熱膨脹系數(shù)應(yīng)與工裝模具原材料接近。鋪貼過程中為保證壓實(shí)，還需特定的抽真空工藝。為滿足特有的工藝要求，其工裝模具原材料成本、加工成本均較傳統(tǒng)金屬材料有較大的提升。

復(fù)合材料加筋板制造成本主要體現(xiàn)在工時(shí)成本，影響其工時(shí)時(shí)長的主要影響因子是其截面形狀和固化方式。大尺寸復(fù)合材料加筋板截面形狀決定鋪貼效率，進(jìn)而影響工時(shí)時(shí)長；固化方式不同，加溫速率也存在一定差別，進(jìn)而影響固化工時(shí)時(shí)長。

復(fù)合材料加筋板以其特有的分層、夾雜、富樹脂或貧樹脂、孔隙密集、脫粘、纖維卷曲等故障模式，要求更多的檢查和測試成本；其原材料不易保存，易于失效，需要對其增加入廠檢測和超儲(chǔ)存期評價(jià)檢測等成本。

綜合分析，影響大尺寸復(fù)合材料加筋板制造成本的主要敏感因素如下：

1.制件自有屬性，主要包括原材料用量、結(jié)構(gòu)形式、外形尺寸、材料價(jià)格、鋪層設(shè)計(jì)等；

2.制件的工藝屬性，主要包括成型工藝、下料工藝、鋪貼工藝、材料綜合利用率、固化次數(shù)等；

3.制件的工裝，主要包括成型工裝和裝配型架。

復(fù)合材料加筋板制件成本在生產(chǎn)階段發(fā)生，但是制件成本的60%—70%由設(shè)計(jì)階段決定。因此，設(shè)計(jì)階段如何有效控制其制造階段成本是結(jié)構(gòu)工程師經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)的技術(shù)難題。結(jié)構(gòu)工程師需從構(gòu)型選擇、鋪層設(shè)計(jì)、工藝方案和生產(chǎn)模式等多方面考慮，以提高材料的利用率、設(shè)備利用率、生產(chǎn)制造效率、產(chǎn)品合格率等影響成本的敏感參數(shù)，最終科學(xué)有效地降低復(fù)合材料加筋板的成本。

二、加筋板設(shè)計(jì)技術(shù)

加筋板設(shè)計(jì)主要工作包括材料體系選用、長桁截面設(shè)計(jì)和尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。材料體系通過自身價(jià)格和用量影響制件成本；長桁截面不同制造難度不一樣，最終通過工時(shí)影響制件成本；尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)工作需權(quán)衡重量和工藝相互關(guān)聯(lián)性，減輕制件重量可以降低原材料用量，但是也需考慮對制件工時(shí)的影響。

（一）材料體系選用

原材料費(fèi)用一般占復(fù)合材料制件成本的20%左右，因此材料體系選用直接影響制件成本。復(fù)合材料加筋板材料體系選用應(yīng)堅(jiān)持性能優(yōu)先原則，同時(shí)需考慮適航性、工藝性、安全性、先進(jìn)性、通用性、經(jīng)濟(jì)性和相容耐腐蝕性等相關(guān)要求。

復(fù)合材料加筋板原材料選用經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)具體要求如下：

1.在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，原材料的工藝性能盡量滿足現(xiàn)有零件制造工藝要求，并且與所采用的工藝方法相適應(yīng)；

2.原材料具有良好的工藝性，即預(yù)浸料黏性適中、鋪覆性好、加壓帶寬、固化溫度低、室溫使用壽命與貯存期長，并且機(jī)械加工性、可修理性好等；

3.原材料需充分考慮其通用性、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化要求，盡量減少材料品種和規(guī)格，以利于材料的管理和降低材料的采購成本；

4.在滿足各項(xiàng)需求的前提下，材料體系優(yōu)先選用綜合成本相對較低的材料體系。

復(fù)合材料加筋板占翼面盒段重量比較大，航空強(qiáng)國為最大限度地降低其結(jié)構(gòu)重量，材料體系選用高強(qiáng)中模的T800級別碳纖維高韌環(huán)氧樹脂預(yù)浸料。波音公司提出適用于民用飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料規(guī)范BMS8-276，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用應(yīng)變達(dá)到6000με—8000με，較T300級別碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用應(yīng)變有大幅度提高［4］。因此，B787 飛機(jī)翼面盒段復(fù)合材料加筋板通過選用T800/3900高強(qiáng)中模預(yù)浸料降低結(jié)構(gòu)重量、減少材料用量和制造工時(shí)，最終降低其全壽命周期費(fèi)用。

（二）長桁截面論證分析

復(fù)合材料加筋板主要有兩種截面形狀，一種以空客系列產(chǎn)品為代表的“T”形截面復(fù)合材料加筋板，另一種以波音系列產(chǎn)品為代表的“工”形截面復(fù)合材料加筋板。典型結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示。長桁截面形狀的確定應(yīng)從力學(xué)性能和工藝要求兩個(gè)維度進(jìn)行綜合論證分析。

圖2 加筋板典型截面示意圖

復(fù)合材料加筋板主要承受盒段彎矩載荷轉(zhuǎn)化的軸向載荷和扭矩轉(zhuǎn)化的剪切載荷，截面形狀應(yīng)利于其抗軸向載荷屈曲和壓剪復(fù)合載荷屈曲?！癟”形和“工”形兩種截面復(fù)合材料加筋板均可高效地承受其屈曲載荷，但是“工”形截面長桁較“T”形截面長桁多一水平緣條，所以“工”形截面復(fù)合材料加筋板慣性矩、抗屈曲承載能力均高于“T”形截面復(fù)合材料加筋板。

復(fù)合材料加筋板工藝性應(yīng)力求質(zhì)量穩(wěn)定可靠、重復(fù)再現(xiàn)性好、模具簡單高效、操作簡單?！肮ぁ毙谓孛鎻?fù)合材料加筋板相對“T”形截面復(fù)合材料加筋板模具有復(fù)雜、鋪貼效率不高且不易固化后脫模等特性，所以從工藝性方面考慮，“T”形截面復(fù)合材料加筋板更好。

通過上述分析，不同截面復(fù)合材料加筋板各有優(yōu)缺點(diǎn)。“T”形截面復(fù)合材料加筋板較“工”形截面復(fù)合材料加筋板工藝性簡單、制造費(fèi)用低；“工”形截面復(fù)合材料加筋板較“T”形截面復(fù)合材料加筋板抗總體屈曲能力強(qiáng)。

（三）尺寸優(yōu)化工作

復(fù)合材料加筋板沿展向和弦向均需進(jìn)行載荷的搜集、傳遞，因此其變厚度區(qū)域較多且復(fù)雜，有必要進(jìn)行詳細(xì)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮工藝需求約束條件，實(shí)現(xiàn)重量收益和工時(shí)消耗平衡?；趶?fù)合材料制件工藝性需求，尺寸優(yōu)化約束要求如下：

1.加筋板鋪層順序應(yīng)該相對于中性軸對稱、均衡；

2.加筋板每方向鋪層角度比例應(yīng)該介于8%—67%之間；

3.制件表面鋪層角度應(yīng)避免與主承載載荷方向一致；

4.相同鋪層角度連續(xù)數(shù)量不超過4層；

5.制件非必要不設(shè)計(jì)含內(nèi)邊界的鋪層信息。

基于結(jié)構(gòu)承載特性，尺寸優(yōu)化結(jié)果必然導(dǎo)致制件含較多鋪層內(nèi)邊界，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)仔細(xì)評估鋪層內(nèi)邊界帶來的重量收益和引起的工時(shí)成本的增加，科學(xué)合理地設(shè)置鋪層內(nèi)邊界。

三、工藝成型技術(shù)

復(fù)合材料加筋板生產(chǎn)成本主要體現(xiàn)在材料成本、工時(shí)成本和工裝成本。其工藝方案設(shè)計(jì)（鋪貼工藝、固化工藝、成型工藝和工裝設(shè)計(jì)）應(yīng)緊緊圍繞提高材料利用率、減少制件工時(shí)和降低工裝分?jǐn)偝杀鹃_展工作。

（一）鋪貼工藝

復(fù)合材料制件鋪貼工藝目前主要有手工鋪貼、自動(dòng)鋪帶和自動(dòng)絲束鋪放三種鋪貼工藝方式［5］。手工鋪貼工藝是較傳統(tǒng)的復(fù)合材料制件鋪貼工藝，其工時(shí)成本主要是人力成本。但是其過度依賴于工人技術(shù)水平，工藝穩(wěn)定性極差且鋪貼效率不高，一般應(yīng)用于小規(guī)模、非主承力復(fù)合材料制件；自動(dòng)鋪帶和自動(dòng)絲束鋪放工藝是伴隨復(fù)合材料在機(jī)體主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用而產(chǎn)生的鋪貼工藝，其共同特點(diǎn)是鋪貼效率高、工藝穩(wěn)定性好，主要不同點(diǎn)是鋪貼預(yù)浸料幅寬的差別。自動(dòng)鋪帶工藝鋪貼的預(yù)浸料主要有75mm、150mm 和300mm 三種幅寬；自動(dòng)絲束鋪放工藝鋪貼的預(yù)浸料主要有6.25mm、12.5mm 和25mm 三種幅寬。預(yù)浸料幅寬的不同反映到自動(dòng)鋪貼工藝就是鋪貼效率、外形曲率適應(yīng)性的差異。研究表明：手工鋪貼單向帶預(yù)浸料效率約3 磅/h，而自動(dòng)鋪帶鋪貼能達(dá)到15—30 磅/h；手工鋪貼單向帶預(yù)浸料廢料效率是15%—20%，而自動(dòng)鋪帶鋪貼廢料率可減少到5%左右。另外，手工鋪貼定位精度低于自動(dòng)鋪帶鋪貼2個(gè)數(shù)量級以上。

復(fù)合材料加筋板尺寸大、定位精度要求高、外形曲率較小。鋪貼工藝應(yīng)首選自動(dòng)鋪帶工藝，其次選擇自動(dòng)絲束鋪放工藝，不建議采用手工工藝。某先進(jìn)民機(jī)大尺寸復(fù)合材料加筋板自動(dòng)鋪帶工藝如圖3所示。

圖3 某典型加筋板自動(dòng)鋪帶示意圖

（二）固化工藝

復(fù)合材料加筋板固化工藝主要有共膠接和共固化兩種工藝［6］。共膠接是指加筋板蒙皮或者長桁已經(jīng)固化成型，然后與長桁或者蒙皮未固化的預(yù)成型件通過膠粘劑，在一次固化工藝中固化并膠接成加筋板的工藝方法；共固化是指加筋板蒙皮和長桁的預(yù)成型件，經(jīng)過一次固化成型為一個(gè)整體加筋板的工藝方法。

共膠接工藝主要優(yōu)點(diǎn)：加筋板蒙皮與長桁表面貼合度較高，未固化零件和固化零件配合協(xié)調(diào)性好；膠接質(zhì)量可靠，技術(shù)成熟度高；預(yù)先固化零件可批量進(jìn)行固化、供應(yīng)。共膠接工藝主要缺點(diǎn)：加筋板蒙皮與長桁之間需預(yù)處理膠接界面，且一般放置面密度250 g/m2的膠粘劑，最終引起人工工時(shí)和結(jié)構(gòu)重量有所增加。

共固化工藝主要優(yōu)點(diǎn)：加筋板蒙皮與長桁之間無需進(jìn)行膠接表面預(yù)處理，具有最佳的表面貼合度；無需額外放置膠粘劑，結(jié)構(gòu)重量更輕。共固化工藝主要缺點(diǎn)：模具設(shè)計(jì)、制造的精度要求嚴(yán)格，加工復(fù)雜，制造成本偏高；工藝存在較大風(fēng)險(xiǎn)；制件的尺寸公差帶寬，精度控制較難。

共膠接和共固化兩種固化工藝均適用大尺寸復(fù)合材料加筋板固化成型。固化方案的選擇應(yīng)考慮加筋板蒙皮與長桁間貼合度具體要求、預(yù)浸料工藝性能、模具設(shè)計(jì)等綜合因素，必要時(shí)需咨詢材料專家和工藝制造專家。

（三）成型工藝

復(fù)合材料加筋板是高承載的主承力制件，其成型工藝主要是通過熱壓罐成型［7］。熱壓罐工作原理是利用罐體內(nèi)部空氣壓力和均勻溫度場對單向帶預(yù)浸料鋪層毛坯施加溫度與壓力，最終達(dá)到固化。熱壓罐成型的制件具有均勻的樹脂含量、致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和良好的內(nèi)部質(zhì)量，但是也存在其耗能較大、使用成本和維護(hù)成本較高的缺點(diǎn)。為有效降低制件成本，工藝設(shè)計(jì)師需考慮對罐體進(jìn)行綜合應(yīng)用以降低制件的分?jǐn)偝杀尽?/p>

熱壓罐綜合應(yīng)用需以罐體內(nèi)溫度場分布為約束條件，以制件擺放位置、擺放方向?yàn)閮?yōu)化變量，以制件組合方式為優(yōu)化目標(biāo)，最終優(yōu)化出罐體內(nèi)最佳的產(chǎn)品組合方式。熱壓罐綜合應(yīng)用優(yōu)化模擬結(jié)果需輔助以一定的工程驗(yàn)證，即將工裝按優(yōu)化排布放入熱壓罐內(nèi)，并在工裝典型位置布置一定數(shù)量的熱電偶，按照預(yù)浸料工藝固化參數(shù)進(jìn)行模擬，以驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。

復(fù)合材料加筋板可以通過熱壓罐綜合應(yīng)用降低其分?jǐn)偝杀荆切枰浞挚紤]制造廠家工藝水平、技術(shù)積累等客觀因素。如果制件在熱壓罐中排布不合理，會(huì)引起罐體內(nèi)熱空氣循環(huán)受阻，從而使罐體內(nèi)溫度不均勻，影響到制件的固化質(zhì)量。

（四）工裝設(shè)計(jì)

復(fù)合材料制件成型模具的材料應(yīng)具有良好的熱傳導(dǎo)性、熱穩(wěn)定性，以及與構(gòu)件相匹配的熱膨脹系數(shù)、易于成型和加工、低密度、低成本并能保持光滑的脫模表面；其選擇范圍主要有普通鋼、殷鋼和復(fù)合材料三種材料。各種材料成型模具優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 工裝模具材料優(yōu)缺點(diǎn)

復(fù)合材料成型模具的熱膨脹系數(shù)對制件質(zhì)量影響較大，為了保證零件的外形和內(nèi)部質(zhì)量，首選殷鋼材料模具。殷鋼材料中模具材料成本占比較高，工裝應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成殷鋼面板加普通鋼框架的組合形式，減少非成型面的殷鋼使用量，同時(shí)工藝部門編制工裝設(shè)計(jì)規(guī)范，明確工裝材料選擇原則和范圍。

四、結(jié)束語

復(fù)合材料加筋板經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜、需權(quán)衡利弊的過程。設(shè)計(jì)師要全方位從成本源頭進(jìn)行低成本設(shè)計(jì)，將提高材料利用率、提升鋪貼效率、優(yōu)化熱壓罐固化組合方案、工裝優(yōu)化設(shè)計(jì)等因素，貫穿于設(shè)計(jì)、工藝、制造全過程，最終實(shí)現(xiàn)制件成本可控。