低成本復合材料在某型機減速板上的應用

左曉娟，李偉東，付杰斌，段凌澤

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

先進的復合材料因具有較高的比強度、比模量、優異的抗疲勞性以及耐腐蝕性強、可設計性等特點，被成功應用于航空航天領域，但其比鋁合金高5～10倍的制造成本阻礙了其進一步應用。因此，“低成本、高性能”成為目前復材技術發展的主要方向。在已有材料體系基礎上開發的低成本制造技術應運而生——液態成型技術，實現了航空航天對高性能、低成本制造工藝技術及減重等方面的要求。

飛機減速板用于調節飛機飛行阻力，在飛機進行各種機動動作或降落時輔助控制飛行速度。設計時在滿足減速板性能要求的前提下，盡量降低結構重量，提高有效任務載荷，降低成本，是我們的重要目標。因此，對減速板展開低成本復合材料的研究十分有必要。

1 復材減速板結構方案設計

1.1 結構形式分析

某型機減速板位于機身背部對稱面處，與機身相連，通過液壓作動筒的收放實現減速板的開合。該減速板是一個具有一定厚度的封閉式腔體，整個結構高度＜70mm，內部無裝載，根據設計經驗，相對厚度不大的封閉式構件，采用全高度蜂窩，可以獲得很高的載荷/重量比、較好的剛度及耐沖擊性能。

減速板與機身的連接，采用兩根貫穿全高度蜂窩的縱梁與機身框連接，采用接頭連接液壓作動筒。為維持減速板外形，提高結構的穩定性，橫向布置多處隔板。

整個結構由全高度蜂窩腔體、減速板縱梁、作動筒接頭等組成，如圖1所示。其中全高度蜂窩腔體由內、外蒙皮，隔板，蜂窩組成；除作動筒接頭為金屬結構外，其余零件均為復材零件。該結構形式零件數目少，裝配簡單，便于無損檢測，符合結構設計要求。

2 復材減速板結構詳細設計

2.1 成型工藝及材料選擇

液態成型技術包括樹脂傳遞模塑成型技術(RTM)、樹脂膜滲透技術(RFI)、真空輔助樹脂滲透成型技術(VARI)、反應注射成型(RIM)、高壓樹脂傳遞模塑成型(HPRTM)等。

圖1 減速板的結構形式

較傳統的預浸料—熱壓罐成型技術，液態成型技術減少了預浸料的制備、儲存運輸和熱壓罐的投入等高成本因素。

樹脂傳遞模塑成型技術（RTM），是在模腔中放好纖維增強材料預成型體，在一定壓力下將樹脂注入閉合模腔內，通過樹脂與增強體的浸潤，固化成型。RTM工藝閉合模成型，制件尺寸穩定、精度高、表面光滑；可把復雜部件作為一個零件進行生產；用于制造內外表面尺寸要求高，幾何特征復雜的小型零件。

真空輔助樹脂滲透成型技術（VARI），是在真空狀態下排除纖維增強體中的氣體，通過樹脂的流動、滲透，實現對纖維及其織物的浸漬。VARI工藝的模具簡單,對模具材料要求低；不需要額外成型壓力，僅需要用密封真空袋保證的真空度；原材料利用率高，制件修整加工量少；適用于大平面或簡單曲面零件生產。

減速板縱梁是減速板的主要承力結構，長約1300MM，高約75MM，最大寬度約80MM，截面以工字為主，存在局部加寬或增厚，幾何特征復雜，對內外表面精度要求高，采用RTM成型工藝。

內、外蒙皮與隔板是減速板的次承力部件，內、外蒙皮是1100MMx730MM的薄板，無筋，外表面要求高；前、中、后隔板和加強隔板均是Z形薄板，最大長度約620MM，最大寬度約85MM，結構形式簡單，故蒙皮與隔板采用VARI成型工藝。

選材是結構設計的重要環節，綜合考慮材料成本、結構使用要求及技術成熟度等因素，在滿足設計要求的前提下，盡量選擇成熟的材料體系。復合材料選用碳纖維/環氧樹脂體系，環氧樹脂選用5284RTM改性環氧樹脂（適用于RTM成型工藝）、3228環氧樹脂（適用于VARI成型工藝），碳纖維選用U3160碳纖維單向帶、CF3031玻璃布。全高度蜂窩選用NH-1芳綸紙蜂窩。金屬材質的作動筒接頭選用30CrMnSiA。復材零件成型工藝及材料如表1所示。

表1 復材零件成型工藝及材料

2.2 制造工藝

減速板的制造、裝配工藝流程如圖2所示。

①減速板梁采用RTM成型工藝制造；蒙皮、隔板采用VARI成型工藝制造；金屬作動筒接頭采用數控加工。

②內、外蒙皮間中空腔采用芳綸紙蜂窩填充，采用分塊數控機加成型。

③復合材料零件與金屬作動筒接頭通過J-47E膠膜進行二次膠接，形成復材零部件整體成型體。

④其中內、外蒙皮與縱梁、作動筒接頭之間增加鈦合金高鎖螺栓連接；內、外蒙皮四周增加鈦合金抽釘連接。

⑤裝配時，蒙皮與縱梁、作動筒接頭由裝配模具上的減速板縱梁耳片連接孔及作動筒連接孔進行定位。

圖2 減速板制造工藝流程

2.3 結構設計

減速板的外蒙皮構成飛機氣動外形，主要承受氣動載荷；內蒙皮主要承受面內剪切力。內、外蒙皮均采用復合材料U3160/3228，為提高表面質量，最外層增鋪一層CF3031/3228玻璃布。外蒙皮為變厚度鋪層，外緣減薄,以提高結構效率；內蒙皮采用等厚度鋪層。外蒙皮鋪層為 [(±45)/0/45/90/-45/0]S，外緣鋪層為[(±45)/45/90/-45]S；內蒙皮鋪層為[(±45)/02/90]S。

減速板的縱梁設計為工字梁，凸緣承受由彎矩引起的軸向力，腹板承剪和傳遞垂直于減速板的氣動載荷，采用U3160/5284RTM材料變厚度鋪層設計，其厚度變化區從耳片至梁后根部共有4個厚度過渡區。如圖3所示，對集中載荷不大的區域進行了減薄處理，并將過渡區域設計為交錯丟層，以避免過渡區域產生明顯的臺階和應力集中。減速板梁耳片鋪層為[(±45)/±45/02/90/0/(±45)22/0/90/02/±45]S，減速板梁腹板 前段 鋪層 為[(±45)/±45/02/90/0/(±45)2/0/90/02/±45]S；減速板梁腹板后段鋪層為[(±45)±45/02/90/02/90/02/±45]S；減速板梁緣條鋪層為[±45/±45/03/±45/03/±45/0/90/02/±45/02]；為改善損傷容限和保持表面層連續光滑，縱梁的外表面增鋪一層CF3031/5284RTM玻璃布。由于減速板開合依靠縱梁的繞軸轉動，為提高轉動件的維護性及耐磨性，在減速板接頭處嵌入一只30CrMnSiA材質的襯套。

圖3 減速板縱梁

橫向構件由前、中、后隔板、加強隔板組成，如圖4所示，主要對蒙皮提供支持，維持減速板外形，提高結構的穩定性，主要承受蒙皮傳來的氣動力及其引起的彎矩。隔板采用復合材料CF3031/3228等厚度鋪層，前隔板鋪層為[45/90/0/45]S，中隔板鋪層為[45/90/45/0/90]S；后隔板鋪層為[45/90/45/0]S。加強隔板采用U3160/3228等厚度鋪層設計，外表面增鋪一層CF3031/3228 玻璃布，鋪層為[(±45)/0/45/90/-45/0]S。

圖4 隔板

作動筒接頭位于減速板的中心區域，設計為雙耳接頭的盒形件，盒形結構剛度好，能承受各方向的載荷。接頭兩邊采用4個HL11VUE-8高鎖螺栓及一個Φ15.5大螺栓與減速板縱梁連接。作為主承力結構的連接部分，該零件采用30CrMnSiA材料。如圖5所示。

圖5 作動筒接頭

蜂窩芯材共6塊，填充減速板的空隙部分，提高減速板的整體剛度。

此外，還對減速板進行表面防護設計：

①對所有零件進行涂漆防護；

②碳纖維復合材料與金屬接觸部位鋪放玻璃布進行電偶腐蝕防護；

③與復合材料件連接的緊固件選用鈦合金材質。

④由于減速板位于雷擊掃掠沖擊區域，故在外蒙皮外表面增鋪一層銅網，以防雷擊。

3 強度校核

依據減速板外形要求和安裝位置建立減速板有限元模型，采用六面體元模擬全高度蜂窩，采用桿元模擬作動筒，采用殼元模擬減速板梁、內外蒙皮、隔板和作動筒接頭，在減速板梁耳片中心點及作動筒接頭處施加X、Y、Z向平動約束。減速板有限元模型如圖6所示。

圖6 減速板有限元模型

以Hoffman失效因子考核復合材料蒙皮、梁及隔板強度。圖7為減速板最嚴重載荷（40D）時的失效因子分布云圖，失效因子值為0.77，小于臨界失效因子值1；此時，最大Mises應變為3430με，小于碳纖維復合材料的許用應變值4000 με，如圖8所示，故蒙皮、梁及隔板在設計載荷下不會發生失效破壞。

對于蜂窩芯材，最大橫向剪切應力為0.18MPa，最大縱向剪切應力為0.37MPa，最大壓應力為0.47MPa，均小于材料的許用值，故蜂窩芯材在設計載荷下不會發生失效。

采用MSC.Natran屈曲模塊分析減速板結構的穩定性，載荷情況40D時第一階屈曲因子最小，屈曲因子為1.8＞1，減速板在設計載荷下不會發生失穩現象。

圖7 失效因子分布云圖

圖8 最大應變云圖

根據飛機設計手冊，對減速板其他結構及相關連接件進行強度校核。結果表明，減速板滿足靜強度設計要求。

4 結論

本文對某型機復合材料減速板結構設計過程進行了闡述，選取了相應的材料體系和液態成型工藝，得到了可行的制造、裝配方案，以及滿足強度要求的復材減速板。該復材減速板較金屬方案，零件數量減少63%，重量減輕17.8%，達到了減重、降成本的目的。