基于CATIA的RTM復合材料墻式結構裝配分層控制研究

曹碧宇, 周 大， 易成君

(航空工業成都飛機工業(集團)有限責任公司，四川 成都 610092)

隨著先進復合材料在航空航天領域中的應用越來越廣，其應用部位已由非承力部件和次承力部件發展到大型化、整體化和低成本化的主承力部件，例如方向舵、艙門、機翼翼盒、飛機壁板[1]。近年來，以各種類型加筋壁板、RTM整體盒式結構為代表的復合材料結構，因其具有結構隱身、全壽命服役和減重等優勢，在飛機結構設計上得到了越來越廣泛的應用。

RTM成型復合材料界面性能直接影響RTM成型復合材料的綜合力學性能[2]，RTM零件的界面性能與傳統的復合材料膠接件界面強度對比相對較弱，裝配時由于應力作用，層間極易產生分層缺陷。國內外學者對RTM成型工藝過程產生的缺陷機理分析、結構化增韌層增韌和材料界面性質等研究較多[3-5],在裝配領域僅對存在間隙時的加墊補償進行了研究[6]，對RTM墻式結構復合材料構件的裝配研究較少。因此，開展RTM墻式結構復合材料構件的裝配分層控制技術研究，找到分層控制的最佳方案，對產品質量提升具有重大意義。

RTM成型工藝的主要原理是在模腔中鋪放按性能和結構要求設計的增強材料預成型體，采用注射設備將專用樹脂體系注入閉合模腔，模具具有周邊密封和緊固以及注射劑排氣系統，以保證樹脂流動流暢，通過加熱固化形成整體結構零件。RTM工藝是航天、航空先進復合材料低成本制造技術的主要發展方向之一，能夠適應航天航空復合材料結構件的小批量多品種生產特點，因而愈來愈受到重視[7-9]。

RTM復合材料墻式結構裝配特點為金屬零件套合、抽釘連接。因熱工藝成型質量不穩定，復合材料構件成型精度與金屬材料相比，其尺寸誤差和形狀誤差大，在進行裝配時配合面之間可能產生間隙或干涉[10]。如果局部干涉，強迫裝配會使復材內部產生較大應力，如果存在間隙，強迫裝配將導致復材零件發生變形[11-14]，最終使內應力傳遞到墻與蒙皮結合界面導致分層。為了識別裝配應力對結構分層的影響，筆者通過模擬實際裝配過程，減少試錯，通過改變裝配應力模擬結構的變形，找到控制變形的最佳方案。實際應用驗證了方案的有效性，使問題得到有效解決。

1 試驗內容及方法

針對RTM墻式結構復合材料零件的裝配分層問題，根據產品結構特點，選擇局部關鍵特征建立分析模型，對模型進行裝配過程仿真，模擬套合裝配過程中裝配件對上下蒙皮內表面的應力作用。通過多組加載試驗，仿真分析得出結構應力變化和應力分布，針對仿真結果開展分層控制技術研究，再次進行應力分析模擬，找到最佳控制方案，并通過產品實際應用，對方案進行驗證，得出研究結論。

1.1 有限元模型的建立

根據RTM墻式復合材料結構的特點，選取結構局部特征通過CATIA建立分析模型，模型包括上蒙皮、下蒙皮、結構墻，由于RTM結構上下蒙皮與墻通過共固化成型，因此模型建立為整體零件，模型尺寸為114 mm×87 mm×45 mm，如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.2 參數設置與分析

RTM結構件為整體零件，因此對分析模型設置同一材料參數，根據RTM墻式結構復合材料性能參數，在CATIA中設置材料參數如表1所示，進入CATIA中“分析與模擬模塊”→“Generative Structural Analysis”，進入結構分析模塊，在彈出的新分析工況列表中選擇“Static Analysis”，選擇“Octree Tetrahedron Mesher”進行網格劃分。

表1 材料參數

裝配過程中金屬件套合進入盒式結構后，如果存在干涉，應力會直接作用于上下蒙皮內表面，工字墻在裝配過程中基本是沒有位移的，因此將工字墻的腹板面模擬設置為固定(clamp)，在墻端面區域的上下蒙皮內表面施加均布載荷，加載情況如圖2所示。

圖2 加載示意圖

經過軟件計算分析得出應力分布圖如圖3(a)所示，從圖3(a)中可以看出裝配應力較大的區域位于墻端頭靠近上下蒙皮的區域，實際產品分層缺陷也位于該區域(如圖3(b))，說明分析模型與實物裝配情況相符，可以基于模型進一步開展分析。

圖3 加載示意圖

2 分析與驗證

通過有限元分析得出，模型中應力集中分布于墻端頭與蒙皮的結合界面，墻端頭區域在裝配過程中受應力作用的影響較大，該區域受裝配應力作用后極易產生分層缺陷。因此，考慮通過減小應力和增強結構剛性兩個方面開展研究與分析。先進行模型的裝配應力模擬分析，再根據分析結果進一步研究應力控制方案，選擇最佳方案實施實物驗證，得出研究結論。

2.1 裝配應力分析

下面研究裝配應力的大小對結構的影響，通過改變加載參數對模型進行應力分析，根據材料力學公式:

(1)

式中：σ為單位面積上所承受的附加內力(N/m2)；F為施加載荷(N)；A為受力面積(m2)。

分析模型受力面積A保持不變，通過改變F來模擬裝配過程盒式結構內表面受力的變化，即通過改變F值模擬內部骨架因容差分配導致的裝配干涉，干涉量越大，裝配時安裝到理論位置后內表面受力越大。反之，干涉量越小，內表面受力越小，針對模型內表面分別施加載荷如圖4所示。

圖4 不同載荷下模型應力變化情況

通過圖4(e)中的分析結果可以得出：施加的載荷越大，模型的最大應力值越大。通過圖4(a)～圖4(d)可以看出，施加載荷于最大應力之間呈y=42.06x的線性關系，施加的載荷越大，結構變形越大，從而對產品分層的影響越大，因此得出裝配過程中應盡量減小裝配應力，避免強迫裝配。

2.2 應力控制方案分析

2.2.1 利用產品連接件增強結構剛性

在模型上建立裝配連接釘孔，并按產品要求锪窩，通過對窩邊施加載荷，模擬加釘效果。通過釘孔周邊的顏色及對比標塊可以看出釘孔周邊應力數值較低，加釘對釘孔周邊的應力控制起到了顯著效果，但對墻端頭區域及墻與蒙皮結合區并未起到實質作用，如圖5所示。

圖5 加釘分析結果

2.2.2 安裝加強板

在墻端頭區域上下蒙皮外表面和墻內表面安裝加強板，建立模型，通過在加強板上施加載荷進行模擬，分析結果如圖6所示。從圖6中可以看出，墻端頭區域應力向加強板周圍傳遞，避免集中于墻端頭中心區域，裝配應力得到了有效轉移，加強板承受了部分載荷，分擔了部分墻與蒙皮上的應力，增強了結構剛性。

圖6 安裝加強板分析結果

2.3 實驗驗證

根據仿真分析結果可知，可以通過減小裝配應力，輔助增強結構剛性兩種方案來實現墻式結構復材零件的分層控制，為最大限度保證產品質量，采用兩種方案相結合的方式實施驗證。

① 通過采取零件容差調整，提高金屬骨架與復材蒙皮內表面的匹配性，避免零件裝配過程發生干涉，從而降低裝配應力對復材分層的影響。

② 通過在產品上安裝鋁板，使用工藝螺釘鎖緊墻與蒙皮，實現結構剛性增強，如圖7所示。

圖7 安裝加強板

經過對分析結果的驗證及產品分層缺陷的數據采集，從圖8可以看出，改進初期由于零件容差調整周期影響，依然存在少量分層缺陷，但后期兩種方案同時得到實施貫徹后，分層缺陷已穩定于0，問題得到了解決。

圖8 零件分層缺陷數的時間序列圖

實驗結果表明，采用模擬分析得出的兩種方案能夠有效避免裝配應力作用導致的分層缺陷：

① 減小裝配應力，可以通過調整容差改進裝配件之間的協調配合。

② 安裝加強板輔助增強產品結構性能，有效避免墻式結構復材零件裝配分層，使其滿足設計要求。

3 結論

采用適當的工藝方法對裝配應力進行控制，可以有效避免墻式結構復合材料結構件裝配過程中分層的問題，通過仿真分析和工藝驗證得到以下結論:

① 通過減小裝配應力，可以有效預防墻式結構受力分層，裝配過程可以通過容差優化的方式實現。

② 通過安裝輔助加強裝置可以增強結構強度，減輕應力作用對復材分層的影響。

③ 必要時可采取兩種方案相結合的方式實施控制，以最大限度地保證產品質量。