T型長桁加筋壁板膠層厚度的影響因素研究*

閆 超，林德志，劉鈞天，劉婉玥，呂芳萱

（1.中國商飛上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324；2.中國商飛復(fù)合材料中心，上海 201324）

復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和高模量的特點(diǎn)，利于減重，并具有高的設(shè)計(jì)自由度，因此，在航空結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。隨著自動(dòng)鋪絲技術(shù)日益成熟，復(fù)合材料應(yīng)用在機(jī)身結(jié)構(gòu)上，使得復(fù)合材料在民用客機(jī)上的使用量取得飛躍提升，從A380的22%提升到波音787的50%和A350XWB的52%[1-6]。

但是復(fù)合材料的抗剪切力和抗應(yīng)力集中與金屬材料相比，存在較大的不足，使用鉚接又容易產(chǎn)生復(fù)合材料分層、開裂現(xiàn)象。而膠接技術(shù)是面連接，有效避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，還能改善抗疲勞性能，可使重量減輕25%，成本下降約20%。因此，膠接技術(shù)在機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等壁板上廣泛應(yīng)用[7-11]。膠接性能的影響因素很多，包括膠黏劑和基材的性能、表面處理、膠層厚度等。Campbell[12]認(rèn)為膠層厚度是影響膠接性能的一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)，一般膠黏劑應(yīng)輕微過量以確保膠接配合間隙充分填滿，同時(shí)，也要避免膠黏劑過多擠出造成脫黏。劉志明等[13]探究了膠層厚度對碳纖維/BMI 樹脂復(fù)合材料FJF 混合接頭力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)碳纖維/BMI 樹脂復(fù)合材料FJF 混合接頭的平均拉伸極限載荷、搭接區(qū)端部膠層開裂平均循環(huán)次數(shù)和平均疲勞壽命均隨著膠層厚度在0.1～0.3 mm 范圍內(nèi)增加而增大。Tang等[14]通過對較厚復(fù)合材料單搭接接頭靜強(qiáng)度和疲勞失效的研究發(fā)現(xiàn)，靜強(qiáng)度和疲勞壽命隨膠層厚度的增加而減小，且接頭失效起始均發(fā)生在層合板與膠層界面處。武慶林等[15]研究發(fā)現(xiàn)不同使用環(huán)境下膠膜厚度對膠接性能的影響不同，應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境確定最佳的膠層厚度。王海林等[16]采用Ansys軟件進(jìn)行了膠層厚度對膠接接頭應(yīng)力分布的影響分析，研究發(fā)現(xiàn)膠層的厚度太小或是太大都不利于接頭的性能，膠層厚度取0.4 mm較為合適。袁輝等[17]采用試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，研究了膠層厚度對膠接接頭承載力的影響機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)，膠層厚度在一定范圍內(nèi)，膠層越厚接頭承載力越大；當(dāng)膠層厚度大于某個(gè)值時(shí)，厚度的增加將導(dǎo)致承載力下降。一直以來，關(guān)于膠層厚度對膠接性能影響的研究比較多，但對于導(dǎo)致膠層厚度變化原因的研究較少。

本文采用干長桁濕蒙皮工藝制造了T型長桁加筋壁板，對膠層厚度進(jìn)行了測量，研究了導(dǎo)致膠層厚度變化的幾種影響因素，包括T型長桁回彈變形、緣條寬度和緣條邊緣倒角，并采用ABAQUS軟件對T型長桁回彈變形和緣條受壓變形進(jìn)行有限元模擬仿真。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 原材料

碳纖維預(yù)浸料采用T800級(jí)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂單向帶預(yù)浸料 （赫氏公司）；高溫膠膜采用180 ℃高溫固化結(jié)構(gòu)膠膜（漢高公司）。

1.2 儀器及設(shè)備

采用機(jī)器人式自動(dòng)鋪絲機(jī) （Coriolis公司）、龍門架式自動(dòng)鋪帶機(jī) （辛辛那提公司）、3 m×10 m熱壓罐（ASC公司）、EP650超聲波探傷儀 （Olympus公司）、3 m×6 m三坐標(biāo)測量機(jī) （海克斯康公司）。

1.3 試驗(yàn)件制造

試驗(yàn)件是四長桁加筋壁板，蒙皮鋪層[45/0/-45/90/0/45/-45]s，壁板示意圖見圖1。T型長桁示意圖見圖2，長桁緣條寬處73 mm，窄處22 mm。1#和3#長桁鋪層相同，為鋪層構(gòu)型1：L-[45/0/90/0/-45/0]s，底板-[-45/0/45]s； 2#和4#長桁鋪層相同，為鋪層構(gòu)型2：L-[45/0/0/90/0/-45/0/0/-45/45/0/0/-45/0/90/0/0/45]，底板-[-45/0/45]。T型長桁鋪層和邊緣特征見表1。

表1 長桁鋪層和邊緣特征Table 1 Layup and edge feature of T-shaped stringer

圖1 加筋壁板示意圖Fig.1 Diagram of stiffened pane

圖2 T型長桁示意圖Fig.2 Schematic diagram of T-shaped stringer

T型長桁加筋壁板采用干長桁濕蒙皮共膠接工藝制造。自動(dòng)鋪帶后熱成型為L結(jié)構(gòu)，兩個(gè)L結(jié)構(gòu)底板和R角填料組合成T型長桁，制真空袋后熱壓罐固化成型。蒙皮采用自動(dòng)鋪絲機(jī)鋪放，T型長桁定位在蒙皮上采用熱壓罐固化成型。

1.4 試驗(yàn)件檢測

1.4.1 長桁回彈變形檢測

T型長桁固化并機(jī)加完成后，采用三坐標(biāo)儀器對T型長桁的回彈變形進(jìn)行測量。長桁存在回彈變形，如圖3所示，緣條和腹板的夾角在長桁固化后會(huì)減小，這個(gè)變化值定義為T型長桁的回彈角。

圖3 T型長桁回彈變形Fig.3 Springback of T-shaped stringer

沿著長桁的長度方向選取5個(gè)截面，在長桁左緣條、右緣條和腹板上分別取點(diǎn)，見圖4。對緣條和腹板的實(shí)測點(diǎn)分別進(jìn)行直線擬合，測量腹板和緣條之間的實(shí)際夾角，計(jì)算理論夾角和實(shí)測夾角之間差值，即理論外形與回彈后外形的夾角為回彈角。

圖4 T型長桁檢測點(diǎn)取點(diǎn)Fig.4 Measuring poins of T-shaped stringer

1.4.2 膠層厚度檢測

壁板固化完成后，對壁板進(jìn)行剖切取樣，把膠接面區(qū)域分割成金相試樣，試樣尺寸約為20 mm×10 mm，見圖5。對試樣進(jìn)行鑲嵌制樣，對觀測面進(jìn)行金相打磨處理，采用顯微鏡拍照，照片50倍率。間隔一定距離測量膠層厚度，測量點(diǎn)均勻分析，見圖6。

圖5 T型長桁剖切取樣Fig.5 Sectioning of T-shaped stringer

圖6 T型長桁膠層厚度測量Fig.6 Measuring of adhesive thickness of T-shaped stringer

2 結(jié)果與討論

2.1 長桁回彈變形的影響

表2 是4根長桁的回彈角測量值，1#和3#長桁的回彈角約為0.5°，2#和4#長桁的回彈角約為0.4°，左右緣條的回彈角差異很小。

表2 T型長桁回彈角測量數(shù)據(jù)Table 2 Springback angle of T-shaped stringer （°）

同時(shí)，對長桁進(jìn)行了回彈變形的有限元模擬。

單元：實(shí)體單元。

材料：該材料的復(fù)合材料層合板性能包括：密度（1.56×103kg/m3）；彈性體采用工程常數(shù) （E1為184000 MPa，E2為8340 MPa，E3為8340，Nu12為0.3234，Nu13為0.3234，Nu23為0.4175，G12為4250 MPa，G13為4250 MPa，G23為2930 MPa）；熱膨脹系數(shù) （a11為-1.1×10-6/℃，a22為3.11×10-5/℃，a11為8.22×10-5/℃）。

邊界條件：長桁腹板端固定，固定6個(gè)自由度。

加載：所有單元加載溫度場，從180 ℃溫度降低到室溫。

邊界條件和加載見圖7。

圖7 T型長桁回彈變形模擬邊界條件和加載情況Fig.7 Boundary condition of springback simulation of T-shaped stringer and loading

兩個(gè)鋪層構(gòu)型的長桁回彈變形的有限元計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 T型長桁的回彈變形模擬Fig.8 Springback simulation of T-shaped stringer

從有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，長桁的回彈趨勢與測量結(jié)果一致，均是長桁緣條朝向腹板回彈，而不是背離腹板。與L型和C型結(jié)構(gòu)類似，基本是收口回彈[12]。這與長桁的鋪層有關(guān)，從表1可以看到，長桁L結(jié)構(gòu)的鋪層較多，1#和3#是12層，2#和4#是18層，而底板鋪層只有3層，確定了長桁的回彈變形由L型結(jié)構(gòu)主導(dǎo)，而L型結(jié)構(gòu)回彈正是收口的回彈變形。

T型長桁與蒙皮膠接時(shí)，由于長桁回彈變形，長桁緣條不能與蒙皮型面完全匹配，長桁緣條與蒙皮之間存在間隙，越遠(yuǎn)離長桁腹板，長桁緣條與蒙皮的間隙越大，見圖9。導(dǎo)致長桁與蒙皮之間的膠層厚度不均勻，隨著距離長桁腹板越遠(yuǎn)，膠層厚度逐漸增大。膠層厚度的剖切圖和實(shí)測數(shù)據(jù)也證實(shí)了以上分析。圖10為剖切圖，上目視可看到膠膜在長桁邊緣最厚，隨著靠近長桁腹板膠層厚度越小。圖11是膠層厚度實(shí)測數(shù)據(jù)曲線，呈現(xiàn)兩邊厚中間薄的波谷變化。

圖9 固化后長桁與蒙皮間隙示意圖Fig.9 Gap between T-shaped stringer after curing and skin

圖10 T型長桁22 mm緣條寬度處剖切圖Fig.10 Cross section of 22 mm flange width of T-shaped stringer

圖11 長桁22 mm緣條寬度處膠層厚度曲線Fig.11 Adhesive thickness curve of 22 mm flange width of T-shaped stringer

1#長桁剖切位置處長桁緣條寬度是22 mm，回彈角取0.5°，計(jì)算得到長桁邊緣長桁與蒙皮的間隙h=22 mm×sin0.5°=0.192 mm。而長桁左側(cè)邊緣膠層厚度是0.321 mm，在長桁中間捻子條區(qū)域膠層厚度基本不變，約0.135 mm，膠層厚度的變化值是0.321 mm-0.135 mm=0.186 mm。膠膜的厚度變化基本與長桁和蒙皮的間隙相吻合。

2#長桁剖切位置處長桁緣條寬度是22 mm，回彈角取0.4°，計(jì)算得到長桁邊緣長桁與蒙皮的間隙h=22 mm×sin0.4°=0.154 mm。而長桁左側(cè)邊緣膠層厚度是0.258 mm，在長桁中間捻子條區(qū)域膠層厚度基本不變，約0.112 mm，膠層厚度的變化值是0.258 mm-0.112 mm=0.146 mm。膠膜的厚度變化基本與長桁和蒙皮的間隙相當(dāng)。

2.2 長桁緣條寬度的影響

單側(cè)緣條寬度是22 mm時(shí)，從長桁邊緣到長桁腹板膠層厚度呈現(xiàn)由厚到薄的變化趨勢，見圖11。但當(dāng)緣條寬度是73 mm時(shí)，從長桁邊緣到長桁腹板呈現(xiàn)由薄到厚到薄的變化趨勢，見圖12和13。在圖13 （a） 中，1#長桁左側(cè)邊緣膠層厚度是0.132 mm，隨著靠近長桁腹板，膠層厚度逐漸增加，最大為0.345 mm，隨后又逐漸減小，到長桁中間腹板區(qū)域，膠層厚度減小到約0.163 mm，右側(cè)膠層厚度也基本存在相同的變化趨勢。在圖13（b）中，2#長桁左側(cè)邊緣膠層厚度是0.189 mm，隨著靠近長桁腹板，膠層厚度逐漸增加，最大0.261 mm，隨后又逐漸減小，到長桁中間腹板區(qū)域，膠層厚度減小到約0.17 mm，右側(cè)膠層厚度也基本存在相同的變化趨勢。

圖12 長桁73 mm緣條寬度處剖切圖Fig.12 Cross section of 73 mm flange width of T-shaped stringer

圖13 長桁73 mm緣條寬度處膠層厚度曲線Fig.13 Adhesive thickness curves of 73 mm flange width of T-shaped stringer

可見，長桁緣條寬度對膠層厚度有明顯影響。長桁緣條寬度不同導(dǎo)致膠層厚度呈現(xiàn)不同變化趨勢。

為了分析導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因，單獨(dú)對長桁緣條在固化壓力下的變形情況進(jìn)行了有限元模擬分析，選取鋪層構(gòu)型1的長桁緣條。

單元：殼單元。

材料：該材料的復(fù)合材料層合板性能包括：密度（1.56×103kg/m3）；彈性體采用工程常數(shù) （E1為184000 MPa，E2為8340 MPa，E3為8340 MPa，Nu12為0.3234，Nu13為0.3234，Nu23為0.4175，G12為4250 MPa，G13為4250 MPa，G23為2930 MPa）；熱膨脹系數(shù) （a11為-1.1×10-6/℃，a22為3.11× 10-5/℃，a11為8.22×10-5/℃）。

邊界條件：一端固定，固定6個(gè)自由度。

加載：均勻面載荷，0.6 MPa。

73 mm長桁緣條的邊界條件和加載見圖14，22 mm緣條相同處理。

圖14 緣條的變形模擬邊界條件和加載情況Fig.14 Boundary condition of deformation simulation of flange and loading

有限元計(jì)算結(jié)果見圖15，是73 mm和22 m長桁緣條在受到固化壓力下的變形情況。

圖15 鋪層構(gòu)型1的緣條受固化壓力下的變形模擬Fig.15 Deformation simulation of flange width of layup 1 unde curing pressure

從有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，從長桁腹板端 （約束固定端）向長桁緣條邊緣 （自由端）變形逐漸增大，越靠近自由端，緣條變形越大，整個(gè)緣條呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)。當(dāng)長桁緣條與蒙皮有一定間隙時(shí)，緣條邊緣變形較大，就會(huì)呈現(xiàn)中間拱起的狀態(tài)，即造成膠層厚度中間厚兩邊薄（長桁單側(cè)緣條），見圖16。長桁緣條越長，這種彎曲變形越明顯，而當(dāng)緣條較窄時(shí)，則變形小，彎曲不明顯。進(jìn)而解釋了當(dāng)長桁緣條較長時(shí)膠層厚度從長桁邊緣到長桁腹板呈現(xiàn)由薄到厚再到薄的變化趨勢。

圖16 壁板固化后T型長桁緣條的變形示意圖Fig.16 Deformation diagram of T-shape stringer after panel curing

2.3 長桁緣條邊緣倒角的影響

長桁邊緣不倒角時(shí)，造成了長桁邊緣蒙皮的明顯褶皺，在長邊邊緣，真空袋與零件存在空隙，該處形成低壓區(qū)，蒙皮的樹脂和纖維向該區(qū)域移動(dòng)，進(jìn)而形成褶皺[18]。形成褶皺的同時(shí)，由于蒙皮纖維的運(yùn)動(dòng)，擠走長桁邊緣膠膜，可以看到，長桁邊緣與蒙皮基本直接接觸，見圖17（a）和（b），導(dǎo)致邊緣處的膠接質(zhì)量較差。這些明顯的褶皺和較差膠接質(zhì)量將直接影響零件的承載能力。長桁邊緣倒角后，長桁邊緣的蒙皮褶皺極大降低，纖維運(yùn)動(dòng)減弱，基本不擠走膠膜，進(jìn)而保證了邊緣的膠接質(zhì)量，膠層厚度變化連續(xù)，見圖17（c）和 （d）?？梢姡L桁邊緣是否倒角對膠層厚度有明顯影響，為了保證長桁的膠接質(zhì)量，同時(shí)也為降低蒙皮邊緣褶皺程度，長桁邊緣進(jìn)行倒角處理。

圖17 長桁緣條邊緣處剖切圖Fig.17 Cross section of flange edge ofT-shaped stringer

本試驗(yàn)中，膠層厚度在0.112～0.349 mm范圍內(nèi)，膠接結(jié)構(gòu)中沒有出現(xiàn)明顯孔隙和分層的問題。在膠接結(jié)構(gòu)中，膠層厚度通常要求0.05～0.25 mm，或者0.1～0.3 mm，最厚可達(dá)0.5 mm。需要根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)具體分析，確定合理的要求范圍，要保證結(jié)構(gòu)性能，也要考慮工藝可實(shí)現(xiàn)性及成本。

3 結(jié)論

（1）長桁的回彈變形對膠層厚度有明顯影響，膠膜呈現(xiàn)邊緣厚中間薄的現(xiàn)象，可以通過減小回彈變形減輕膠層厚度變化，可以考慮采取模具補(bǔ)償，長桁鋪層優(yōu)化等措施。

（2）長桁緣條寬度對膠層厚度有影響，當(dāng)緣條較寬時(shí)，長桁邊緣到長桁腹板膠層厚度呈現(xiàn)由薄到厚再到薄的變化趨勢。

（3）長桁邊緣倒角可以有效地改善長桁邊緣附近的膠層厚度，避免該位置由于蒙皮褶皺導(dǎo)致的膠層厚度突變而降低膠接質(zhì)量。