大面積復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)變形淺析

荊磊

摘 要：近年來(lái)，隨著復(fù)合材料技術(shù)的飛速發(fā)展，其優(yōu)異的力學(xué)性能日益凸顯，并在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在非承力或此承力結(jié)構(gòu)部位，已逐漸取代傳統(tǒng)金屬材料，甚至一些特種飛行器全機(jī)身均由復(fù)合材料構(gòu)成。但受設(shè)計(jì)、工藝等諸多因素影響，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在制造工程中會(huì)暴露諸多問(wèn)題。本文將結(jié)合工程中遇到的問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，針對(duì)大面積復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的變形情況，淺析其成因及解決辦法。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 蜂窩夾芯結(jié)構(gòu) 變形

中圖分類號(hào)：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）03（b）-0101-02

1 復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)變形概述

某型固定翼客機(jī)的客艙平板由多塊大面積復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)件拼接組成。在制造過(guò)程中，同一批次的所有復(fù)合材料蜂窩夾芯平板在加溫固化后，均呈現(xiàn)不同程度、不規(guī)則的變形，如對(duì)角線翹起變形、拱橋式中間翹起變形、單邊翹起變形，個(gè)別蜂窩夾芯平板的最長(zhǎng)邊（1920mm）翹起間隙達(dá)15mm以上。

2 復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)變形原因分析

在不考慮工藝方法和施工過(guò)程中人為、設(shè)備影響等外界因素情況下，僅從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度分析致使零件大曲率變形的原因。

考慮到這種平板結(jié)構(gòu)的大曲率變形情況，在該型客機(jī)的研制及定型階段均未出現(xiàn)過(guò)，結(jié)合產(chǎn)品圖樣分析區(qū)別得到；平板結(jié)構(gòu)未更換蜂窩及碳纖維材料的牌號(hào)，僅對(duì)嵌入件周圍的填料和一層碳纖維的鋪層方向進(jìn)行過(guò)調(diào)整，故從這兩個(gè)方向分析可能致使零件大曲率變形的原因。

假定變形是由嵌入件周圍更換新的阻燃填料引起，那么在復(fù)合材料蜂窩夾芯平板結(jié)構(gòu)上的變形應(yīng)呈明顯的、有規(guī)律的階差性變形，并且變形部位應(yīng)主要集中在嵌入件附近。而實(shí)際情況是平板變形為圓滑過(guò)渡、均勻翹起，并沒(méi)有集中明顯在某些嵌入件周圍，故排除因更換填料牌號(hào)引起變形的可能性。

本次設(shè)計(jì)的復(fù)合材料蜂窩夾芯平板，結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)成蜂窩上、下表面的碳纖維鋪層數(shù)量為非對(duì)稱形式，上、下表面僅相差一層碳纖維鋪層。這種結(jié)構(gòu)形式可能會(huì)對(duì)復(fù)合材料零件的成型情況產(chǎn)生一定的影響，但結(jié)合實(shí)際工程制造情況，該蜂窩夾芯平板結(jié)構(gòu)件在早期產(chǎn)品中，并沒(méi)有發(fā)生這種大曲率的變形翹起缺陷，故本次可暫時(shí)排除因蜂窩上、下表面為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)而使批量生產(chǎn)的產(chǎn)品發(fā)生變形的可能性。

在小批生產(chǎn)階段，強(qiáng)度設(shè)計(jì)人員曾建議調(diào)整蜂窩上表面、緊貼蜂窩的一層纖維的方向，平板的上表面從外到內(nèi)的鋪層順序由BAA改為BAB，使其單側(cè)對(duì)稱（在工程應(yīng)用中通常設(shè)方向代號(hào)：A為0°方向，B為±45°方向，C為90°方向，E為任意角度方向。）。理論上，蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)纖維鋪層方向單側(cè)對(duì)稱，對(duì)提高結(jié)構(gòu)件的剛度、面內(nèi)穩(wěn)定性有一定的幫助，并能減小相鄰鋪層間的應(yīng)力，預(yù)防樹脂基過(guò)早產(chǎn)生撕裂、分層等缺陷。但考慮到本零件產(chǎn)品蜂窩上下表面的鋪層數(shù)量均較少，更改單層纖維的鋪層方向可能對(duì)結(jié)構(gòu)件成型效果有一定的影響。

3 影響復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)變形的驗(yàn)證試驗(yàn)

此前，無(wú)明顯證據(jù)能證明緊貼蜂窩處一層碳纖維的鋪層方向由0°改為±45°會(huì)對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)的變形情況有影響，故需提試驗(yàn)件驗(yàn)證恢復(fù)鋪層方向?yàn)楹?，檢驗(yàn)其變形量是否會(huì)減小或消失。

3.1 試驗(yàn)方案

新制平板試驗(yàn)件兩件，為保證對(duì)比試驗(yàn)的可參考性，兩件試驗(yàn)件除平板上表面緊貼蜂窩處碳纖維的鋪層方向一處更改外，其余均按原圖要求加工，并將兩件試驗(yàn)件同時(shí)至于同一熱壓罐中固化加工，保證工藝方法完全一致。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在不改變工藝方法的情況下，按BAA鋪層方向的新制試驗(yàn)件的變形情況較輕微，在最長(zhǎng)邊 （1920mm）處翹起變形不大于3mm。而按BAB鋪層方向的新制試驗(yàn)件仍存在一定程度上的變形，在最長(zhǎng)邊方向翹起大于10mm。本次試驗(yàn)驗(yàn)證了改變單層纖維方向，會(huì)對(duì)蜂窩加芯結(jié)構(gòu)件成型有一定的影響。

3.3 解決方法

故參照試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整現(xiàn)有復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)平板的纖維鋪層方向，恢復(fù)原鋪層形式。

以目前的工藝方法和現(xiàn)有材料，不能完全避免或消除在制造大尺寸復(fù)合材料蜂窩夾芯平板結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生的翹曲情況，并且在最大長(zhǎng)度尺寸方向上的微量翹曲并不影響使用，故應(yīng)規(guī)定此類產(chǎn)品的驗(yàn)收原則。參考國(guó)外此類零件的驗(yàn)收技術(shù)條件，更改現(xiàn)有驗(yàn)收技術(shù)條件，并規(guī)定檢驗(yàn)時(shí)在產(chǎn)品連接點(diǎn)上施加85N集中力后，測(cè)量檢驗(yàn)平臺(tái)與平板間的間隙，間隙不得超出0.75mm，否則予以報(bào)廢。

4 復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)變形分析

4.1 變形原因分析

此次試驗(yàn)不足以說(shuō)明一層纖維的鋪層方向是決定復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)平板的唯一變形原因，只能說(shuō)明它可能對(duì)結(jié)構(gòu)變形有影響。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、制訂正確的成型工藝、加強(qiáng)操作過(guò)程中質(zhì)量控制、減少蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的缺陷與損傷，是有效防止蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)變形的方法。復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)變形的可能原因有很多，我們僅從產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝方法的角度分析對(duì)變形影響的可能因素：

（1）蜂窩缺陷。

蜂窩提供給復(fù)合材料面板一個(gè)橫向支撐，避免面板的局部失穩(wěn)，而蜂窩的材質(zhì)、高度、密度、截面形狀等又對(duì)蜂窩性能有一定的影響。蜂窩是一種薄壁、有彈性、可機(jī)械加工的結(jié)構(gòu)，其所承受拉、壓載荷過(guò)大是會(huì)發(fā)生褶皺、撕裂、塌陷等變形缺陷，而蜂窩厚度偏厚、蜂窩空隙偏大、蜂窩切角角度偏小等也會(huì)造成蜂窩變形。通常，復(fù)合材料蜂窩夾層平板結(jié)構(gòu)為蜂窩下陷形式，蜂窩切角預(yù)成型后尺寸不穩(wěn)定同樣會(huì)造成蜂窩缺陷，因此簡(jiǎn)化蜂窩設(shè)計(jì)，合理選擇蜂窩材質(zhì)、高度、密度、截面形狀、增加過(guò)渡區(qū)，也可有效減少蜂窩發(fā)生缺陷的可能性。

（2）鋪層形式。

經(jīng)驗(yàn)證，蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的上、下表面的纖維鋪層方向?qū)ζ浣Y(jié)構(gòu)成型效果有一定的影響。非對(duì)稱形式的纖維鋪層方式使蜂窩夾芯上、下表面受力不一致，可能造成結(jié)構(gòu)件在固化成型后產(chǎn)生變形。

（3）濕熱變形。

濕熱變形同樣是影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)變形的因素之一，樹脂基材料一般是低、中、高溫固化，常溫使用。樹脂基體易于吸濕，可改變材料的含膠量。這種溫度變化和材料含膠量的變化都可能引起復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件發(fā)生濕熱變形。

（4）工藝方法。

典型的固化成型方法包括一次共固化和二次共固化兩種方式。一次共固化是指蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)中的內(nèi)、外面板和蜂窩一次共固化成型。二次共固化是指蜂窩加芯結(jié)構(gòu)中的內(nèi)、外面板分別固化成型后，再與蜂窩共固化成型。內(nèi)、外面板分別固化后變形較大，與蜂窩共固化時(shí)對(duì)變形略有抑制作用。相對(duì)比，二次固化對(duì)樹脂基材料性能影響較大，加速樹脂基材料的老化，并對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)變形沒(méi)有明顯的抑制作用。因此，除復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料零、組件不得不用二次固化的情況外，一般不推薦使用二次固化成型。

4.2 復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

針對(duì)以上幾種對(duì)變形影響的因素，我們總結(jié)出在設(shè)計(jì)復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)零件時(shí)應(yīng)遵循以下建議：

（1）選擇合適的蜂窩材料，并嚴(yán)控零、組件制造質(zhì)量。

（2）蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外面板應(yīng)采用對(duì)稱形式，并應(yīng)保證各自對(duì)稱或半對(duì)稱。

（3）成型方法優(yōu)先采用一次共固化成型。

（4）充分考慮工藝分散性對(duì)成型結(jié)構(gòu)的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，可有效防止蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)件因設(shè)計(jì)原因產(chǎn)生的變形。

如以上方法仍然不能有效的控制夾芯結(jié)構(gòu)的形變情況，可考慮更換夾芯結(jié)構(gòu)形式，以新型夾芯結(jié)構(gòu)替代原有正多邊形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，如可替換的夾芯結(jié)構(gòu)有不銹鋼點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)、金字塔點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)、沙漏型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)和多層沙漏型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，均能有效抑制復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的形變情況。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)航空研究所.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[2] 朱銀垂，朱金榮.大型復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)變形控制設(shè)計(jì)[A].第十四集全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議[C].2006.

[3] 臺(tái)元月，卞航，李春林，等.復(fù)雜曲面夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件成型工藝研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（28）：15-16.