復合材料加筋板經濟性研究

王慧 劉暢/海軍裝備部裝備審價中心

近年來，各航空強國為實現航空器機體結構的輕質、高效等特點，新研型號和改進型號中均不同程度并盡可能多地應用先進復合材料結構［1］。復合材料的應用帶來了結構重量收益，但也導致制件成本的大幅上漲［2-3］。為推進復合材料大面積應用，美國和歐盟航空強國進行了一系列DMLCC（低成本復合材料設計和制造）、AFS（先進機身結構）、ACT（先進復合材料技術）和ATCAS（先進復合材料飛機結構）等研究專項計劃，旨在提高復合材料技術水平并降低復合材料成本。與航空強國相比，國內復合材料應用僅限于尾翼級水平，機翼、機身等主承力結構尚無工程應用經驗。機翼、機身典型結構件均是大尺寸加筋板，設計難度極大。本文以典型主承力復合材料加筋板為研究對象，通過設計源頭分析影響制件成本的敏感因素，給出面向低成本的大尺寸復合材料加筋板設計方案，研究成果可為大尺寸復合材料加筋板經濟性設計提供借鑒和參考。

一、加筋板敏感因素

復合材料加筋板由蒙皮和縱向長桁組成，典型結構形式如圖1 所示。復合材料加筋板經濟可承受性受材料成本、工裝成本、制造成本和質量控制四方面因素影響。

圖1 典型復合材料加筋板結構示意圖

復合材料加筋板材料的選擇以碳纖維為增強材料、環氧樹脂為基體的單向帶預浸料為主要材料，其預浸料成本涉及碳纖維成本、環氧樹脂成本和預浸料制備成本。相對傳統金屬材料，高強度碳纖維制備技術難度高、工藝穩定性差，所以航空級高強度碳纖維預浸料價格較傳統鋁合金材料價格相差極大。

復合材料加筋板主要原材料熱膨脹系數應與工裝模具原材料接近。鋪貼過程中為保證壓實，還需特定的抽真空工藝。為滿足特有的工藝要求，其工裝模具原材料成本、加工成本均較傳統金屬材料有較大的提升。

復合材料加筋板制造成本主要體現在工時成本，影響其工時時長的主要影響因子是其截面形狀和固化方式。大尺寸復合材料加筋板截面形狀決定鋪貼效率，進而影響工時時長；固化方式不同，加溫速率也存在一定差別，進而影響固化工時時長。

復合材料加筋板以其特有的分層、夾雜、富樹脂或貧樹脂、孔隙密集、脫粘、纖維卷曲等故障模式，要求更多的檢查和測試成本；其原材料不易保存，易于失效，需要對其增加入廠檢測和超儲存期評價檢測等成本。

綜合分析，影響大尺寸復合材料加筋板制造成本的主要敏感因素如下：

1.制件自有屬性，主要包括原材料用量、結構形式、外形尺寸、材料價格、鋪層設計等；

2.制件的工藝屬性，主要包括成型工藝、下料工藝、鋪貼工藝、材料綜合利用率、固化次數等；

3.制件的工裝，主要包括成型工裝和裝配型架。

復合材料加筋板制件成本在生產階段發生，但是制件成本的60%—70%由設計階段決定。因此，設計階段如何有效控制其制造階段成本是結構工程師經濟性設計的技術難題。結構工程師需從構型選擇、鋪層設計、工藝方案和生產模式等多方面考慮，以提高材料的利用率、設備利用率、生產制造效率、產品合格率等影響成本的敏感參數，最終科學有效地降低復合材料加筋板的成本。

二、加筋板設計技術

加筋板設計主要工作包括材料體系選用、長桁截面設計和尺寸優化設計工作。材料體系通過自身價格和用量影響制件成本；長桁截面不同制造難度不一樣，最終通過工時影響制件成本；尺寸優化設計工作需權衡重量和工藝相互關聯性，減輕制件重量可以降低原材料用量，但是也需考慮對制件工時的影響。

（一）材料體系選用

原材料費用一般占復合材料制件成本的20%左右，因此材料體系選用直接影響制件成本。復合材料加筋板材料體系選用應堅持性能優先原則，同時需考慮適航性、工藝性、安全性、先進性、通用性、經濟性和相容耐腐蝕性等相關要求。

復合材料加筋板原材料選用經濟性設計具體要求如下：

1.在滿足設計要求的前提下，原材料的工藝性能盡量滿足現有零件制造工藝要求，并且與所采用的工藝方法相適應；

2.原材料具有良好的工藝性，即預浸料黏性適中、鋪覆性好、加壓帶寬、固化溫度低、室溫使用壽命與貯存期長，并且機械加工性、可修理性好等；

3.原材料需充分考慮其通用性、系列化和標準化要求，盡量減少材料品種和規格，以利于材料的管理和降低材料的采購成本；

4.在滿足各項需求的前提下，材料體系優先選用綜合成本相對較低的材料體系。

復合材料加筋板占翼面盒段重量比較大，航空強國為最大限度地降低其結構重量，材料體系選用高強中模的T800級別碳纖維高韌環氧樹脂預浸料。波音公司提出適用于民用飛機主承力結構的復合材料規范BMS8-276，結構設計許用應變達到6000με—8000με，較T300級別碳纖維環氧樹脂預浸料結構設計許用應變有大幅度提高［4］。因此，B787 飛機翼面盒段復合材料加筋板通過選用T800/3900高強中模預浸料降低結構重量、減少材料用量和制造工時，最終降低其全壽命周期費用。

（二）長桁截面論證分析

復合材料加筋板主要有兩種截面形狀，一種以空客系列產品為代表的“T”形截面復合材料加筋板，另一種以波音系列產品為代表的“工”形截面復合材料加筋板。典型結構形式如圖2 所示。長桁截面形狀的確定應從力學性能和工藝要求兩個維度進行綜合論證分析。

圖2 加筋板典型截面示意圖

復合材料加筋板主要承受盒段彎矩載荷轉化的軸向載荷和扭矩轉化的剪切載荷，截面形狀應利于其抗軸向載荷屈曲和壓剪復合載荷屈曲。“T”形和“工”形兩種截面復合材料加筋板均可高效地承受其屈曲載荷，但是“工”形截面長桁較“T”形截面長桁多一水平緣條，所以“工”形截面復合材料加筋板慣性矩、抗屈曲承載能力均高于“T”形截面復合材料加筋板。

復合材料加筋板工藝性應力求質量穩定可靠、重復再現性好、模具簡單高效、操作簡單。“工”形截面復合材料加筋板相對“T”形截面復合材料加筋板模具有復雜、鋪貼效率不高且不易固化后脫模等特性，所以從工藝性方面考慮，“T”形截面復合材料加筋板更好。

通過上述分析，不同截面復合材料加筋板各有優缺點。“T”形截面復合材料加筋板較“工”形截面復合材料加筋板工藝性簡單、制造費用低；“工”形截面復合材料加筋板較“T”形截面復合材料加筋板抗總體屈曲能力強。

（三）尺寸優化工作

復合材料加筋板沿展向和弦向均需進行載荷的搜集、傳遞，因此其變厚度區域較多且復雜，有必要進行詳細尺寸優化設計工作。尺寸優化設計應充分考慮工藝需求約束條件，實現重量收益和工時消耗平衡。基于復合材料制件工藝性需求，尺寸優化約束要求如下：

1.加筋板鋪層順序應該相對于中性軸對稱、均衡；

2.加筋板每方向鋪層角度比例應該介于8%—67%之間；

3.制件表面鋪層角度應避免與主承載載荷方向一致；

4.相同鋪層角度連續數量不超過4層；

5.制件非必要不設計含內邊界的鋪層信息。

基于結構承載特性，尺寸優化結果必然導致制件含較多鋪層內邊界，結構工程師應仔細評估鋪層內邊界帶來的重量收益和引起的工時成本的增加，科學合理地設置鋪層內邊界。

三、工藝成型技術

復合材料加筋板生產成本主要體現在材料成本、工時成本和工裝成本。其工藝方案設計（鋪貼工藝、固化工藝、成型工藝和工裝設計）應緊緊圍繞提高材料利用率、減少制件工時和降低工裝分攤成本開展工作。

（一）鋪貼工藝

復合材料制件鋪貼工藝目前主要有手工鋪貼、自動鋪帶和自動絲束鋪放三種鋪貼工藝方式［5］。手工鋪貼工藝是較傳統的復合材料制件鋪貼工藝，其工時成本主要是人力成本。但是其過度依賴于工人技術水平，工藝穩定性極差且鋪貼效率不高，一般應用于小規模、非主承力復合材料制件；自動鋪帶和自動絲束鋪放工藝是伴隨復合材料在機體主承力結構應用而產生的鋪貼工藝，其共同特點是鋪貼效率高、工藝穩定性好，主要不同點是鋪貼預浸料幅寬的差別。自動鋪帶工藝鋪貼的預浸料主要有75mm、150mm 和300mm 三種幅寬；自動絲束鋪放工藝鋪貼的預浸料主要有6.25mm、12.5mm 和25mm 三種幅寬。預浸料幅寬的不同反映到自動鋪貼工藝就是鋪貼效率、外形曲率適應性的差異。研究表明：手工鋪貼單向帶預浸料效率約3 磅/h，而自動鋪帶鋪貼能達到15—30 磅/h；手工鋪貼單向帶預浸料廢料效率是15%—20%，而自動鋪帶鋪貼廢料率可減少到5%左右。另外，手工鋪貼定位精度低于自動鋪帶鋪貼2個數量級以上。

復合材料加筋板尺寸大、定位精度要求高、外形曲率較小。鋪貼工藝應首選自動鋪帶工藝，其次選擇自動絲束鋪放工藝，不建議采用手工工藝。某先進民機大尺寸復合材料加筋板自動鋪帶工藝如圖3所示。

圖3 某典型加筋板自動鋪帶示意圖

（二）固化工藝

復合材料加筋板固化工藝主要有共膠接和共固化兩種工藝［6］。共膠接是指加筋板蒙皮或者長桁已經固化成型，然后與長桁或者蒙皮未固化的預成型件通過膠粘劑，在一次固化工藝中固化并膠接成加筋板的工藝方法；共固化是指加筋板蒙皮和長桁的預成型件，經過一次固化成型為一個整體加筋板的工藝方法。

共膠接工藝主要優點：加筋板蒙皮與長桁表面貼合度較高，未固化零件和固化零件配合協調性好；膠接質量可靠，技術成熟度高；預先固化零件可批量進行固化、供應。共膠接工藝主要缺點：加筋板蒙皮與長桁之間需預處理膠接界面，且一般放置面密度250 g/m2的膠粘劑，最終引起人工工時和結構重量有所增加。

共固化工藝主要優點：加筋板蒙皮與長桁之間無需進行膠接表面預處理，具有最佳的表面貼合度；無需額外放置膠粘劑，結構重量更輕。共固化工藝主要缺點：模具設計、制造的精度要求嚴格，加工復雜，制造成本偏高；工藝存在較大風險；制件的尺寸公差帶寬，精度控制較難。

共膠接和共固化兩種固化工藝均適用大尺寸復合材料加筋板固化成型。固化方案的選擇應考慮加筋板蒙皮與長桁間貼合度具體要求、預浸料工藝性能、模具設計等綜合因素，必要時需咨詢材料專家和工藝制造專家。

（三）成型工藝

復合材料加筋板是高承載的主承力制件，其成型工藝主要是通過熱壓罐成型［7］。熱壓罐工作原理是利用罐體內部空氣壓力和均勻溫度場對單向帶預浸料鋪層毛坯施加溫度與壓力，最終達到固化。熱壓罐成型的制件具有均勻的樹脂含量、致密的內部結構和良好的內部質量，但是也存在其耗能較大、使用成本和維護成本較高的缺點。為有效降低制件成本，工藝設計師需考慮對罐體進行綜合應用以降低制件的分攤成本。

熱壓罐綜合應用需以罐體內溫度場分布為約束條件，以制件擺放位置、擺放方向為優化變量，以制件組合方式為優化目標，最終優化出罐體內最佳的產品組合方式。熱壓罐綜合應用優化模擬結果需輔助以一定的工程驗證，即將工裝按優化排布放入熱壓罐內，并在工裝典型位置布置一定數量的熱電偶，按照預浸料工藝固化參數進行模擬，以驗證優化結果的準確性、可靠性。

復合材料加筋板可以通過熱壓罐綜合應用降低其分攤成本，但是需要充分考慮制造廠家工藝水平、技術積累等客觀因素。如果制件在熱壓罐中排布不合理，會引起罐體內熱空氣循環受阻，從而使罐體內溫度不均勻，影響到制件的固化質量。

（四）工裝設計

復合材料制件成型模具的材料應具有良好的熱傳導性、熱穩定性，以及與構件相匹配的熱膨脹系數、易于成型和加工、低密度、低成本并能保持光滑的脫模表面；其選擇范圍主要有普通鋼、殷鋼和復合材料三種材料。各種材料成型模具優缺點見表1。

表1 工裝模具材料優缺點

復合材料成型模具的熱膨脹系數對制件質量影響較大，為了保證零件的外形和內部質量，首選殷鋼材料模具。殷鋼材料中模具材料成本占比較高，工裝應盡量設計成殷鋼面板加普通鋼框架的組合形式，減少非成型面的殷鋼使用量，同時工藝部門編制工裝設計規范，明確工裝材料選擇原則和范圍。

四、結束語

復合材料加筋板經濟性設計是一個系統復雜、需權衡利弊的過程。設計師要全方位從成本源頭進行低成本設計，將提高材料利用率、提升鋪貼效率、優化熱壓罐固化組合方案、工裝優化設計等因素，貫穿于設計、工藝、制造全過程，最終實現制件成本可控。