李 義，葉宏軍，翟全勝

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司；中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300）

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞損傷性能優(yōu)異以及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，成為航空航天領(lǐng)域重要的輕量化結(jié)構(gòu)材料，已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的機(jī)翼壁板、平尾、垂尾、機(jī)身、艙門等零部件結(jié)構(gòu)中，其用量已經(jīng)成為衡量航空飛行器先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一[1-4]。加筋壁板結(jié)構(gòu)是一種典型的航空復(fù)合材料面板結(jié)構(gòu)基本形式，已應(yīng)用在翼面和機(jī)身等部位，筋條對(duì)蒙皮的剛性方面有很大程度的增強(qiáng)，目前加筋壁板主要采用膠接共固化的成型工藝，在筋條膠接過程中，筋條R區(qū)容易產(chǎn)生分層、孔隙等缺陷。然而，R區(qū)是筋條承載的應(yīng)力集中區(qū)，裂紋容易擴(kuò)展，且后續(xù)無法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，因此R區(qū)質(zhì)量好壞對(duì)加筋壁板起著至關(guān)重要的作用。本文針對(duì)目前飛機(jī)上結(jié)構(gòu)復(fù)合材料產(chǎn)品應(yīng)用較多的兩類典型加筋結(jié)構(gòu)，通過成型模具方案及相關(guān)工藝參數(shù)的優(yōu)化，逐步解決了R區(qū)容易出現(xiàn)的質(zhì)量問題，為后續(xù)類似結(jié)構(gòu)復(fù)合材料產(chǎn)品的研制提供參考。

1 加筋結(jié)構(gòu)分類及缺陷介紹

根據(jù)目前飛機(jī)上結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文主要討論兩類結(jié)構(gòu)，第一類為“T”形加筋結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于尾翼、機(jī)身、機(jī)翼等結(jié)構(gòu)中；第二類為“Ω”形加筋結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于艙門、機(jī)身等結(jié)構(gòu)上。兩類結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加筋結(jié)構(gòu)形式分類

本文所規(guī)定的R區(qū)包括筋條下R角、填充區(qū)及填充區(qū)膠膜，如圖2所示，加筋壁板在膠接共固化過程中，其R區(qū)質(zhì)量較難控制，容易產(chǎn)生一系列缺陷，主要體現(xiàn)為R角分層、孔隙，無損檢測(cè)上表現(xiàn)為出現(xiàn)同一深度的信號(hào)波或不同深度的雜波；填充區(qū)與蒙皮脫粘或弱粘，無損檢測(cè)表現(xiàn)為膠膜層反射波信號(hào)有一定程度的增加；填充區(qū)出現(xiàn)孔隙，無損檢測(cè)表現(xiàn)為遠(yuǎn)離膠膜層厚度處出現(xiàn)反射波信號(hào)。

圖2 “R”區(qū)示意圖

圖3 “T”形加筋

填充區(qū)理論填充料計(jì)算方式如下：

式（1）中：W為填充區(qū)所填預(yù)浸料寬度，mm；h為單層預(yù)浸料厚度，mm。

2 成型工藝及解決措施

2.1 “T”形加筋

“T”形加筋是一種較為常見的加筋結(jié)構(gòu)形式，在成型過程中起加壓方式比較簡(jiǎn)單，一般為保證筋條的外觀質(zhì)量，筋條兩側(cè)的成型模具都采用鋼制模具，而且模具剛性越大，越有利于筋條R區(qū)預(yù)浸料及填充區(qū)的壓實(shí)?！癟”形加筋R區(qū)在加壓過程中首先依靠剛性模具擠壓R角，其次通過R角將壓力傳遞給填充區(qū)，最后通過填充區(qū)壓實(shí)膠膜，因此在這個(gè)過程中填充區(qū)起著壓力傳遞的作用，為保證R區(qū)的內(nèi)部質(zhì)量，必須對(duì)填充區(qū)的填料進(jìn)行定量化。本文分別采用了4種不同填充量的單向預(yù)浸料進(jìn)行填充試驗(yàn)，然后對(duì)4種填充效果的筋條進(jìn)行了超聲A掃檢測(cè)及厚度檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。

在本試驗(yàn)中，對(duì)每一種填充量的結(jié)果都進(jìn)行了一個(gè)批次的筋條驗(yàn)證，當(dāng)填充量/理論值為100%時(shí)，經(jīng)超聲A掃發(fā)現(xiàn)某些筋條從底部檢測(cè)時(shí)，膠膜層后面出現(xiàn)一個(gè)反射波，且膠膜層自身反射波有一定的降低。把該位置處的試樣經(jīng)處理后在金相顯微鏡下觀察，填充區(qū)出現(xiàn)大量的孔隙，見圖4；同時(shí)從R角方向探測(cè)下R角時(shí)，發(fā)現(xiàn)某些筋條下R角出現(xiàn)比較高的缺陷反射波，在金相顯微鏡下此處R角出現(xiàn)分層，見圖5，這主要是由于填充區(qū)填料不夠，導(dǎo)致傳遞給填充區(qū)及下R角的壓力不足，使填充區(qū)出現(xiàn)孔隙或下R角出現(xiàn)分層。

表1 不同填充量填充效果分析

圖4 填充區(qū)超聲A掃及金相顯微缺陷圖

圖5 下R角超聲A掃及金相顯微缺陷圖

當(dāng)填充量/理論值為105%時(shí)，筋條R區(qū)內(nèi)部質(zhì)量合格，且筋條立邊厚度在理論范圍值內(nèi)。當(dāng)填充量/理論值為110%時(shí)，筋條R區(qū)內(nèi)部質(zhì)量合格，但筋條立邊厚度超厚，這主要是由于填充料過量，被擠壓至立邊中，導(dǎo)致立邊厚度超差。當(dāng)填充量/理論值為115%時(shí)，發(fā)現(xiàn)某些筋條出現(xiàn)立邊分層，某些筋條立邊或下緣條出現(xiàn)孔隙，這主要是由于當(dāng)填充料過量時(shí)，筋條R角尺寸會(huì)大于理論值，造成與筋條模具R角不匹配，在成型過程中會(huì)導(dǎo)致筋條成型模發(fā)生逆時(shí)針或順時(shí)針偏轉(zhuǎn)。當(dāng)成型模逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，造成下緣條壓力不夠，出現(xiàn)孔隙；當(dāng)成型模順時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)，造成筋條立邊壓力不夠，出現(xiàn)孔隙，見圖6、圖7.

2.2 “Ω”形加筋

“Ω”形加筋壁板由于穩(wěn)定性好，傳遞周向載荷效率高，越來越多地應(yīng)用于機(jī)身結(jié)構(gòu)及艙門中?！唉浮毙渭咏畋诎逶诤笃谘b配時(shí)一般帽型材要與跨過筋條的金屬橫梁進(jìn)行裝配，因此對(duì)帽型材外形要求較高，需采用陰模成型方法。“Ω”形加筋壁板一般由帽型筋、附加層、填充區(qū)組成，采用內(nèi)套真空袋的方法成型，從圖8中可以看到，帽型材R角加壓較為復(fù)雜，需由真空袋對(duì)附加層加壓，然后由附加層對(duì)填充區(qū)加壓，最后由填充區(qū)將帽型材R區(qū)壓實(shí)，在壓實(shí)過程中，附加層能否滑移起著較為重要的影響。

圖6 筋條模具翻轉(zhuǎn)

圖7 筋條立邊或下緣條超聲A掃及金相顯微缺陷

圖8 “Ω”形加筋成型方法

為減少附加層的滑移，使壓力能最大傳遞至帽型材R區(qū)，采用了圖9所示的成型工藝路線，將帽型材與填充料先預(yù)壓至理論厚度，然后安放附加層及膠接組裝，同時(shí)為增強(qiáng)R區(qū)的壓力傳遞效果，在真空袋與附加層之間增加一層AirPad軟模，采用上述方法制造的帽型材經(jīng)無損檢測(cè)合格。改進(jìn)后的“Ω”形加筋成型方法如圖10所示。

3 結(jié)論

經(jīng)論述，得出以下結(jié)論：①填充量對(duì)“T”形加筋壁板R區(qū)質(zhì)量影響較為關(guān)鍵，當(dāng)填充量/理論值為105%時(shí)，筋條R區(qū)內(nèi)部質(zhì)量與立邊厚度都合格；②通過對(duì)帽型材及填充料進(jìn)行合理的預(yù)壓實(shí)，減少附加層的滑移，同時(shí)通過軟模提高帽型材的傳壓效率，可避免帽型材R區(qū)分層缺陷的產(chǎn)生。

圖9 工藝路線

圖10 改進(jìn)后的“Ω”形加筋成型方法

［1］趙渠森.先進(jìn)復(fù)合材料手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］航空航天工業(yè)部科學(xué)技術(shù)研究院.復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1990.

［3］陳紹杰.大型飛機(jī)與復(fù)合材料［J］.航空制造技術(shù)，2016（15）：32-37.

［4］曾安民.一種新型高溫寬頻透波天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.科技與創(chuàng)新，2018（4）：145-146.