復合材料在飛機起落架艙門的應用研究

張恒康+++晁燦

摘 要：復合材料具有比強度，比剛度高的特點，在航空航天領域有著廣泛的應用。起落架艙門則是飛機中最早及最多使用復合材料的部件之一。對比金屬材料起落架艙門，復合材料起落架艙門重量輕，剛度好，零件數量少，同時也存在著工藝難度大，成品率等問題。文章研究了起落架艙門的材料選用，設計方法及工藝流程。

關鍵詞：復合材料；碳纖維；蜂窩；起落架艙門

1 概述

先進復合材料具有比強度和比模量高、性能可設計和易于整體成形等許多優異特性。先進復合材料在飛機上應用的部位和用量多少，現已成為衡量飛機結構先進性的重要指標之一。目前大多數起落架艙門采用復合材料代替金屬設計，能夠減輕重量，提升艙門剛度。

2 起落架艙門結構特點

起落架艙門由面板與接頭組成，艙門面板為結構承力主體，通常為復合材料蜂窩夾層結構。夾層板的面板相當于I型梁的翼板，它們承受梁所受到的彎曲載荷。一側面板承受壓應力時，另一側面板承受拉應力。相類似，蜂窩芯材相當于I型粱的腹板。芯材承受剪應力，將面板分離以提高結構剛度，并在I型梁的基礎上有所提高。芯材為翼板或面板提供持續支撐，得到剛度增強后均勻分布的板材。結構膠粘劑牢固地將夾層結構各組分結合在一起。使其作為一個整體，具有高結構扭矩及高彎曲剛度。使其成為擁有良好扭曲及彎曲剛度的統一體。

3 艙門的復合材料設計

起落架艙門的夾層結構中，面板選材主要有碳纖維和玻璃纖維。高模量碳纖維單向帶和預浸料應用則更為廣泛。芯材材料則有蜂窩芯和泡沫芯，同時還需要搭配膠黏劑和發泡膠等其他材料有機整合成一個整體，才能提供足夠的強度和剛度。

一種典型蜂窩結構起落架艙門的材料選用如表1所示。

設計過程中，根據載荷方向，合理設計鋪層方向，盡量減少鋪層數量。同時保證鋪層的對稱性，避免耦合引起翹曲，同時在接頭處進行必要鋪層的加強。

芯材如果選用芳綸紙蜂窩，則需要注意蜂窩的高度與傾斜角度，確保蜂窩在固化的成型過程中不會發生塌陷和滑移。起落架艙門往往由于接頭布置位置，剛度要求以及尺寸大小，不得不采用較高高度的蜂窩以及大角度傾角。此時則需在設計和工藝兩端同時采取防塌陷防滑移措施，例如邊緣灌封處理，分步固化成型等方法。

在緊固件連接位置需對蜂窩進行加強，防止緊固件的擰緊力矩及局部集中載荷壓塌蜂窩。通常的做法是在緊固件區域進行灌封或者增加鑲嵌件增加芯材的抗壓強度。典型的復合材料艙門如圖2所示。

4 復合材料艙門的工藝方法

復合材料艙門的制造工藝流程如下：

（1）材料準備：準備碳纖纖維織物或單向帶，蜂窩夾心，膠膜等，其中碳纖維及膠需要在冰庫中保存，相比金屬材料，復合材料保存條件要求高，材料保存周期短。

（2）蜂窩機加：蜂窩機加成型，通常蜂窩芯需穩定化處理。

（3）工裝準備：工裝需加溫加壓和抽真空固化成型零件，因此工裝需進行氣密性檢查以及熱分布測試。

（4）鋪層：前起艙門通常采用手工鋪層方式。鋪層邊緣需延伸到模具邊緣防滑帶固定，防止鋪層在加壓后滑移。

（5）壓實：鋪層完成后需用真空帶壓實。

（6）固化：復材制件送進熱壓罐加溫加壓固化，固化穩定壓力曲線按相應工藝規范執行，整個固化過程需記錄溫度及壓力曲線。復材件固化過程對結構件性能影響重大，多數零件缺陷均在固化過程中產生。

（7）脫模切割。

（8）無損檢測。

復合材料與傳統的金屬零件相比，制造難度高，工藝穩定性差，成品率低。因此制定一套工藝方案需要通過數件試驗件的研制，不斷改進工藝方法，才能穩定產品質量。

5 結束語

起落架艙門作為剛度結構件適合采用夾層結構的復材設計形式。材料選用則主要為碳纖維預浸料，芳綸紙蜂窩，搭配膠黏劑及灌封膠。設計過程中應充分的考慮產品的工藝性，合理選擇蜂窩高度及傾角，對邊緣及緊固件連接處進行強化處理。通過試驗件試制合理制定工藝方案，增加工藝穩定性和成品率。

參考文獻

[1]復合材料設計手冊[Z].航空航天工業部科學技術研究院，1990.