復合材料縱橫加筋隔框RTM成型工藝

羅 維 郭 強 趙文琛 彭 珂 黃海超

（航空工業成都飛機工業（集團）有限公司，成都 610091）

0 引言

框梁及框架結構是經典的理想支撐結構，為加強筋、肋、桿、管等組成的靜定或超靜定結構，具有大跨度、拓展性強、節省材料、結構靈活等特點，在飛行器結構設計中得到了大量的應用［1-3］。

隨著復合材料制造技術的提高，先進復合材料在飛機上的應用已經從雷達罩、蒙皮、方向舵等非承力或次承力構件逐步向波紋梁［4］、機翼盒段［5］、地板梁［6］、壓力框［7］等主承力構件上推廣。作為主要的承力結構件，機身上眾多的框梁結構較為復雜，往往帶有較多較高的縱橫加筋、翻邊等結構，且其存在裝配關系，對制件的制造精度要求較高，常規的真空袋-熱壓罐成型工藝難以滿足精度要求。

樹脂傳遞模塑成型（RTM）［8］技術的特點是將樹脂浸潤、固化成型過程、增強纖維結構設計和制造過程分開，這使得設計者可通過材料設計剪裁滿足較為精確、復雜的技術要求；其次，通過樹脂在閉合模具中一次性浸漬預成型體，因此能夠方便和快速地實現帶縱橫加筋、夾芯等形狀和結構較為復雜的復合材料制件的整體化成型。同時RTM 成型工藝質量和力學性能較好，因此是復合材料框梁、框架及接頭結構較為理想的成型工藝，也是滿足復合材料復雜結構制件整體化及低成本化成型工藝的一個重要發展方向。

本文選取一具有縱橫加筋及翻邊結構的典型隔框結構作為研究對象，從樹脂及預制體的典型基礎性能入手，通過優化模具設計及注膠方案設計，以期制備得到尺寸精度、纖維含量及內部質量滿足要求的復材隔框制件。

1 實驗

1.1 試驗材料及設備儀器

國產T700 碳纖維平紋織物ZT7H3198P，面密度200g/m2；國產雙馬來酰亞胺樹脂定型膜LCM01，面密度40g/m2；國產RTM 用雙馬來酰亞胺樹脂QY8911，密度1.2g/cm3。ISOJET 樹脂注射系統；恒溫烘箱；Olympus OMNIScan MX2 超聲檢測儀；MTS E43 萬能力學試驗機；MDJ-300A 型固體密度計；Brookfield RVDVII+型黏度計。隔框成型工裝材料采用Q235模具鋼，其他注膠用管路及接頭皆為市售。

1.2 試驗方案

1.2.1 測試

采用黏度計對樹脂的升溫及恒溫黏度特性進行測試；采用萬能力學試驗機測試復合織物在不同層數及鋪層角度組合下的壓縮-位移曲線；采用自制矩形單向滲透率測試模具，在實際注膠溫度條件下對復合織物的流動前沿隨時間的變化情況進行測試，結合Darcy 定律所推導出的流動距離L 平方與時間t的關系（公式1）計算得到織物的滲透率［9］。

式中，Δp 為壓力差，η 為樹脂黏度，φ 為預制體孔隙率。

1.2.2 隔框建模及流道仿真

為評估不同注膠方式對制件充模行為的影響，借助PAM-RTM 工藝仿真軟件，考慮填充材料區域的影響，對隔框進行分區域建模，并進一步針對預制體的滲透性能及壓縮性能測試數據進行材料邊界條件設定，注膠壓力、流量及溫度等工藝邊界條件根據樹脂流變測試結果及實際生產經驗進行設置。

1.2.3 隔框RTM模具設計

本文選擇的縱橫加筋框尺寸為700 mm×400 mm，壁厚1.5mm，具體結構如圖1 所示。根據流道仿真方案的評估結果，選擇筋條方向設置溢膠口，并在所有筋條交叉點處均設置溢膠口，如果不使用可以進行局部封堵，方便實現各種流道方案驗證。

圖1 典型縱橫加筋翻邊隔框模型示意Fig.1 Model of a typical frame with horizontal and vertical stringer-stiffened feature

隔框成型模具（圖2）主要由底座、芯塊、定位擋塊、多孔板、蓋板5 部分組成。底座及蓋板根據隔框外形進行設計制造成梯形輪廓并在其表面設置減輕槽。

圖2 隔框成型模具示意圖Fig.2 Schematic diagram of forming mold of the frame

根據制件外形設計了7個芯塊，分別對應零件筋條區域內型面的成型，芯塊與底座間通過凸臺進行定位，以控制制件壁厚。芯塊四周分別采用3個擋塊將其封閉，起到外輪廓定位及翻邊區成型的作用，其中一個擋塊可以與兩個芯塊連接保證芯塊整體鋪疊和組裝時不出現預制體錯位變形的問題。多孔板和蓋板設計提供面注膠工藝選擇并確保制件腹板面在注膠過程中的穩定均勻滲透。

1.2.4 預制體制備

根據隔框制件數模，對各個芯塊鋪層進行展開仿真及剪口和料片外形設計，保證轉角區域剪口位置錯開［10］，并根據設計結果對織物進行自動下料得到鋪疊料片，首先對4#～7#芯塊分別進行單塊和整體鋪疊，然后對剩下的1#～3#芯塊進行鋪疊和組裝，鋪疊過程中的填充材料區域采用拉擠成型的預浸料填充芯材進行填充，最后對整個隔框腹板面鋪層進行鋪疊。鋪疊完成后對多余部分進行修切，隔框預制體制造過程及完成最終鋪疊后的預制體如圖3所示。

圖3 隔框預成型體制備過程Fig.3 Process of the preform shaping

1.2.5 合模及注膠

在鋪疊好的預制體周邊安裝好擋塊，并在密封槽中放置密封條，然后將多孔板和蓋板預先連接后構成的陰模部分吊裝與底座合模，確保合模間隙低于0.3 mm。隨后將模具與注膠機通過氟塑料注膠管相連接，待模具在烘箱中預熱至110 ℃時啟動注膠程序，注膠過程中保持模具內腔真空度不低于-0.85 MPa，注膠溫度控制在90 ～100 ℃，樹脂注射速率控制在20～50 mL/min，注射壓力控制在0.2～1.0 MPa。當樹脂從溢膠口溢出時，關閉溢膠口閥門，當所有溢膠口閥門關閉后，再逐一打開溢膠口進行排氣，直至所有溢膠口均無不明顯氣泡產生時，關閉將溢膠口閥門，之后樹脂在1 MPa 下保壓5 min 后停止注膠。復合材料按照樹脂固化程序在烘箱中固化成型。

1.2.6 脫模

待制品完成固化，模具自然冷卻至60℃以下時，取下所有螺栓，取下蓋板，利用頂出螺桿將底板和芯模慢慢取出，隨后取下底板，逐一取出芯模，為便于脫模，芯模可設計為組合式模具，脫模并切割后的實物見圖4。

圖4 成型后的隔框實物圖Fig.4 Image of the finished composite frame

2 結果與討論

2.1 流道設計

相較于實際的試錯試驗，進行流動工藝仿真分析能夠大幅縮短工藝方案的驗證時間，降低試錯成本。在本研究中，我們分別選擇了3種不同的注膠流道設計方式通過PAM-RTM 軟件進行仿真，以考察不同注膠方式對樹脂充填過程的影響。如圖5所示，第一種注膠流道設計為單點進膠多點出膠，進膠口設置為腹板面中心，出膠口分別設置在筋條交叉處及腹板頂點處；第二種注膠流道設計方案為線進膠多點出膠，進膠口為翻邊區線狀進膠口，出膠口設置在圖5 所示的4 個位置；第三種注膠流道則設計為腹板面面進膠，各筋條及轉角交叉點處設置出膠口。

圖5 3種不同的隔框流道設計方案示意Fig.5 Schemic diagram of 3 different runner design of the frame

根據圖6 所示的樹脂黏度測試曲線及織物預制體單向滲透率試驗中流動距離的平方L2與流動時間t 的實測結果，可計算得到預制體在x（0o）和y（90o）方向滲透率分別為6.03×10-12和5.83×10-12m2，文獻［11］對3K 平紋織物面外滲透率測試結果，設定仿真的邊界條件為：K1=6.03×10-12m2，K2=5.83×10-12m2，z方向滲透率為K3=2.03×10-13m2，注膠溫度90℃，注射速率設置為25 mL/min ，注射最高壓力閾值設置為1 MPa 進行仿真。從仿真結果來看（圖7），3 種仿真方法均能實現最終填充，且對應樹脂流動過程均無流動前沿干涉。相比之下，方案1對應的點注膠工藝注射時間需4 742.7 s，完全填充后的最大注膠壓力未超過設定值1 MPa；方案2對應的線注膠工藝對應填充時間為7 338.7 s，耗時最長，且完全填充后注膠口壓力已經達到給定的上限值1 MPa。同時從填充時間云圖上可見，該方案填充過程中內部存在較晚填充的包絡區域，存在干斑風險。方案3對應的面注膠工藝對應填充時間為1 355.2 s，耗時最短，對應系統最大壓力也達到1 MPa。結合樹脂的工藝窗口考慮，最終選擇面注膠工藝進行工裝設計及試驗件制造。

圖6 樹脂黏-溫曲線及預制體在0o及90o方向的單向滲透率的L2-t擬合結果Fig.6 Viscosity-temperature curves of the resin and the fitting curves between L2 and t of the preform on x（0o）and y（90o）direction

圖7 3種方案下隔框流動仿真結果Fig.7 Flling simulation results of the 3 runner design

2.2 試驗件質量分析

2.2.1 制件纖維體積含量

制件纖維體積含量通過下式進行計算：

式中，ρC為復合材料密度，ρR為純樹脂密度，測試值為1.204 g/cm3。ρF為纖維體密度，測試值為1.791 g/cm3。在制件上分別選取個特征區域進行取樣測量復合材料密度的平均值為1.548 g/cm3，并取平均值后通過上式計算得到制件最終的平均體積分數為58.6%。

2.2.2 表面及外觀質量及翹曲

從成型隔框的表面質量來看，制件內外表面結構光滑，整個腹板面及R 區無明顯的富樹脂或貧膠缺陷。自然狀態下，7#芯塊對應腹板面由于結構上受到的約束最少，產生了輕微的翹曲變形，實測翹曲量為2.5 mm，與（0/90）8鋪層的變形仿真結果得到的2.223 mm相近，而［（±45）（0/90）（±45）（0/90）］s和［（±45）（±45）（0/90）（0/90）］s鋪層對應的翹曲變形量則分別為5.641 和8.125 mm。隔框變形仿真及實際零件翹曲照片對比見圖8。

圖8 隔框變形仿真及實際零件翹曲照片對比Fig.8 Deformation simulation results and the real warping picture of the frame

2.2.3 筋條位置及縱橫加筋交叉處內部質量

為了進一步考察成型隔框的內部質量，我們對隔框的縱橫加筋位置進行了相控陣無損檢測，從圖9中可以看出，縱橫加筋處填充芯材密實無孔隙，外形尺寸規則，相控陣無損檢測表明筋條與腹板連接處部分回波信號清晰，無分層等常規缺陷。

圖9 縱橫加筋位置處無損檢測結果Fig.9 NDT result of area with vertical and horizontal stiffeners

2.2.4 局部力學性能

對隔框進行局部取樣并測試其彎曲及短梁剪切性能，結果如表1 所示。可以看出，RTM 成型零件的彎曲性能與熱壓罐工藝試樣接近，短梁強度甚至高于典型熱壓罐工藝制備的層壓板試樣，從側面印證了RTM 工藝不會對復合材料性能造成顯著劣化，制備弱框結構復合材料具備可行性。

表1 RTM隔框取樣與熱壓罐試樣力學性能對比Tab.1 Comparison of mechanical properties between RTM specimens and typical autoclave-cured samples

3 結論

通過對典型縱橫加筋及翻邊結構的復合材料隔框的整體化RTM 成型，在鋪層設計、鋪疊模具設計、流動仿真及注膠流道設計等方面開展研究，積累了一些經驗，歸納總結如下。

（1）縱橫加筋隔框采用大小框嵌套鋪放工藝能夠保證承力筋條上部分纖維的連續性，具體的鋪層連續設計應當視具體框結構進行優化設計。

（2）在本文的隔框制造實例中，全（0/90）8織物鋪層對應的復合材料變形量最低，變形仿真結果與實際制造的趨勢和變形量基本相符。從RTM 成型制件的取樣力學性能結果表明其與預浸料-熱壓罐工藝成型試樣的彎曲及短梁剪切性能接近。

（3）在本論文涉及的典型隔框制造過程中，通過腹板面面注膠能夠有效縮短充模時間，并降低充模壓力，是優選的注膠方式，通過流動仿真模擬篩選出的面注膠方案所需的注膠時間及膠液出膠順序與實際注膠過程基本相符。