航空先進(jìn)復(fù)合材料帽型加筋構(gòu)件制造關(guān)鍵技術(shù)探究*

中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 蒲永偉

中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湛利華

先進(jìn)復(fù)合材料以其優(yōu)異的比強(qiáng)度、比剛度、抗疲勞強(qiáng)度等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航空航天構(gòu)件的制造[1-3]。波音787機(jī)體中復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)重量比例已達(dá)50%，A350客機(jī)中復(fù)合材料的用量更達(dá)到了53%。目前，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造中，自動(dòng)化制造和整體化成形是實(shí)現(xiàn)高效復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的重要途徑。其中，自動(dòng)化制造技術(shù)不但可以提高復(fù)合材料的制造效率，更能保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性；而整體化成形則通過(guò)采用復(fù)合材料的共固化/共膠接等技術(shù)手段，大量減少零件和緊固件的數(shù)目，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)到制造一體化成形。由于緊固件數(shù)量的減少以及零件連接裝配工作量的降低，整體化成形使制造成本明顯下降，更使結(jié)構(gòu)承載能力有了很大程度的提高，因此整體化結(jié)構(gòu)有利于復(fù)合材料的應(yīng)用范圍從非主承力構(gòu)件推廣到主承力構(gòu)件。

目前，復(fù)合材料在機(jī)翼、尾翼等大型翼面壁板及梁等承力結(jié)構(gòu)中已有廣泛應(yīng)用。翼面壁板多為長(zhǎng)桁加筋結(jié)構(gòu)，如C系列復(fù)材尾椎壁板為T型加筋結(jié)構(gòu)，垂尾壁板為工型加筋結(jié)構(gòu)，還有J型及帽型結(jié)構(gòu)[4]，如圖1所示。由于帽型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、傳遞軸向載荷效率高，后機(jī)身前段側(cè)壁板、后機(jī)身后段側(cè)壁板等全部采用帽型加筋結(jié)構(gòu)。因此，帽型加筋壁板作為最典型的加筋壁板結(jié)構(gòu)，在航空航天制造中廣泛應(yīng)用。帽型結(jié)構(gòu)由帽型筋條和壁板組成，筋條與壁板普遍采用熱壓罐共固化成型工藝，因帽型結(jié)構(gòu)在面內(nèi)形成了封閉的梯形空腔，筋條未固化時(shí)較軟，僅在其外表面施加載荷難以在筋條上建立固化所需壓力，將造成壓力不可達(dá)，因此筋條內(nèi)部需要芯模支撐，外面用工藝蓋板覆蓋以獲得固化工藝所需要的壓力。另外，由于鋪層過(guò)程帽型結(jié)構(gòu)三角區(qū)空間不可達(dá)，需對(duì)其不可達(dá)三角區(qū)進(jìn)行體積填充，若填料計(jì)算不合理，易誘導(dǎo)型性缺陷，如纖維褶皺、富脂、孔隙等。本文以帽型加筋構(gòu)件的制造為出發(fā)點(diǎn)，討論了硅橡膠芯模的維型保壓作用，確立了最佳芯模結(jié)構(gòu)工藝窗口，為此類構(gòu)件的整體化成形技術(shù)提供了新的思路。

常用芯模主要有金屬芯模、真空袋囊芯模以及硅橡膠芯模[5-6]。金屬芯模的優(yōu)點(diǎn)是外部成型質(zhì)量較好、壓力傳遞均勻，但脫模較難，在實(shí)際中幾乎不被采用。對(duì)于真空袋囊芯模，經(jīng)過(guò)多次真空袋囊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，易發(fā)生真空袋泄露，帶來(lái)產(chǎn)品報(bào)廢及安全問(wèn)題。另外，由于真空袋皺曲，使制件內(nèi)表面質(zhì)量較低，目前已逐漸淘汰。而對(duì)于硅橡膠芯模，在固化成型過(guò)程中維型能力較好，傳壓相對(duì)均勻，脫模較容易。因此，成型復(fù)合材料帽型加筋結(jié)構(gòu)，通常選用硅橡膠芯模。

硅橡膠芯模輔助成型機(jī)理是利用硅橡膠芯模受熱過(guò)程的熱膨脹來(lái)對(duì)預(yù)制件施加載荷，從而達(dá)到輔助預(yù)制件最終成型的過(guò)程[7]。然而，在固化時(shí)，由于芯模與預(yù)制件共同升溫，芯模不可避免要膨脹，若芯模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，升溫過(guò)程難以維持原來(lái)的形狀。若橡膠芯模膨脹或剛度過(guò)小，會(huì)使芯模維型能力減弱，產(chǎn)生制造缺陷，見(jiàn)圖2（a）；若橡膠芯模膨脹過(guò)大，則會(huì)使制件厚度減薄，見(jiàn)圖2（b）。

針對(duì)工程實(shí)踐中常見(jiàn)的此類現(xiàn)象，提出利用預(yù)制調(diào)形孔維型保壓思想，即硅橡膠芯模在輔助帽型加筋結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程中，芯模只起支撐作用，確保預(yù)浸料在升溫固化過(guò)程中，與制件接觸表面保持形狀基本不變，保證對(duì)整個(gè)帽型內(nèi)腔的完全支撐填充。為達(dá)到此目的，需要在橡膠芯模內(nèi)部開(kāi)設(shè)預(yù)制調(diào)形孔，如圖3所示，在保證芯模整體剛度（與制件接觸區(qū)域承受固化壓力）的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其加熱過(guò)程總體膨脹量向調(diào)型孔擴(kuò)展的空間補(bǔ)償（調(diào)型孔內(nèi)部通大氣，硅橡膠芯模在壓差的作用下受熱膨脹量主要由向調(diào)型孔內(nèi)部擴(kuò)展來(lái)消化）。因此，如何控制預(yù)制調(diào)形孔尺寸大小，合理設(shè)計(jì)其特征結(jié)構(gòu)，避免芯模在復(fù)材固化過(guò)程中對(duì)帽型結(jié)構(gòu)成形質(zhì)量產(chǎn)生影響，成為復(fù)合材料帽型加筋構(gòu)件制造過(guò)程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文提出采用有限元方法先進(jìn)行建模仿真，根據(jù)仿真結(jié)果得出普適性的仿真模型，用于指導(dǎo)具體生產(chǎn)實(shí)踐。

硅橡膠芯模結(jié)構(gòu)有限元建模與仿真

為確定滿足工程實(shí)踐中復(fù)合材料帽型加筋構(gòu)件制造的最佳芯模結(jié)構(gòu)，采用Comsol Multiphysics有限元軟件進(jìn)行建模仿真。

1 材料選擇

材料選用RHODORSIL RTV 3248 A和B按10∶1比例固化而成。具體材料性能參數(shù)如表1所示。

2 邊界條件

根據(jù)固化工藝曲線與實(shí)際制造工藝過(guò)程，邊界條件設(shè)定為：（1）初始溫度20℃，升溫速率1.5min/℃，固化溫度180℃；（2）芯模外施加壓力0.6MPa， 芯模預(yù)制調(diào)形孔壓力維持0.1MPa；（3）芯模與帽型內(nèi)型腔不留安裝間隙。

表1 材料性能參數(shù)

圖1 不同復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 帽型復(fù)合材料構(gòu)件外部成型缺陷

圖3 帽型結(jié)構(gòu)的模具與組裝

3 網(wǎng)格劃分

對(duì)硅橡膠芯模設(shè)定某段長(zhǎng)度進(jìn)行分割，采用正四面體結(jié)構(gòu)單元格，網(wǎng)格數(shù)量為42714個(gè)，典型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 典型芯模結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

4 仿真結(jié)果

分別開(kāi)展了無(wú)孔硅橡膠芯模、不同大小孔徑硅橡膠芯模在固化工藝條件下的變形分析，仿真結(jié)果如圖5、6所示。由圖5可以看出，芯模為無(wú)孔或孔徑較小時(shí)，硅橡膠芯模的向外膨脹要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其向內(nèi)收縮，此時(shí)容易產(chǎn)生制件厚度減薄，以及臥邊區(qū)域和三角區(qū)內(nèi)部質(zhì)量缺陷。隨著芯?？讖降某叽缭黾樱灸Ｏ蛲馀蛎洺潭戎饾u減小，轉(zhuǎn)而向內(nèi)收縮變大。維型保壓的思想正是基于此現(xiàn)象而提出，需要找尋芯模向外膨脹與向內(nèi)收縮的最佳平衡點(diǎn)。從仿真結(jié)果中可以看出，當(dāng)預(yù)制調(diào)型孔大小在12mm左右時(shí)，這個(gè)最佳平衡點(diǎn)最有可能存在。對(duì)此，在預(yù)制調(diào)型孔大小為12mm左右時(shí)進(jìn)行再次細(xì)化仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。由仿真結(jié)果可以看出預(yù)制調(diào)型孔d=11.5～12.5mm，維型效果相對(duì)較好，因此，較佳的預(yù)制調(diào)型孔大小工藝窗口可確定為d=11.5～12.5mm。

帽型加筋蒙皮構(gòu)件制造關(guān)鍵技術(shù)

1 模具設(shè)計(jì)

圖5 不同孔徑條件下仿真結(jié)果

圖6 孔徑為12mm左右時(shí)細(xì)化仿真結(jié)果

帽型加筋蒙皮結(jié)構(gòu)的制造一般是通過(guò)帽型型腔的內(nèi)部芯模定位與輔助成型，成型精度難以保證。可任意調(diào)整橡膠芯模的預(yù)制調(diào)型孔尺寸模具與外部工藝蓋板模具結(jié)合，用以制造帽型加筋蒙皮構(gòu)件將成為今后帽型結(jié)構(gòu)制造的主流趨勢(shì)。一方面，通過(guò)更換芯軸結(jié)構(gòu)，可變換不同橡膠芯模結(jié)構(gòu)，快速響應(yīng)不同結(jié)構(gòu)要求的構(gòu)件模具制造。另一方面，外部工藝蓋板模具采用固化后的復(fù)材制成，在承擔(dān)帽型長(zhǎng)桁空間定位的同時(shí)，由于其熱膨脹系數(shù)與預(yù)制件的膨脹系數(shù)相近，可保證預(yù)制件的整體成型質(zhì)量。另外，為制造外部工藝蓋板，需要預(yù)先制造相應(yīng)金屬模具來(lái)完成外部工藝蓋板的成型。模具三維造型示意圖如圖7所示。

2 帽型加筋蒙皮結(jié)構(gòu)成型

采用熱壓罐共固化成型工藝制造帽型加筋結(jié)構(gòu)，該工藝中帽型部分與下壁板部分通過(guò)工藝蓋板定位與硅橡膠芯模內(nèi)部支撐固定，在兩部分結(jié)合處填充復(fù)合材料捻?xiàng)l來(lái)填充縫隙區(qū)域，通過(guò)一次固化來(lái)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件成型。其主要優(yōu)點(diǎn)是工藝方法簡(jiǎn)單，成型的帽型結(jié)構(gòu)臥邊區(qū)域結(jié)合質(zhì)量好，中間工序少，可以節(jié)省大量人力、物力，便于制造飛機(jī)翼面壁板的大型帽型長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)。在熱壓罐共固化工藝過(guò)程中，帽型加筋蒙皮結(jié)構(gòu)的出罐情況如圖8所示。

圖7 模具設(shè)計(jì)三維造型

圖8 帽型加筋蒙皮結(jié)構(gòu)出罐

在帽型加筋蒙皮結(jié)構(gòu)的共固化成型過(guò)程中，評(píng)價(jià)成型質(zhì)量的因素主要分為外部成型精度（成型）與內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)（成性）2部分，用形性協(xié)同綜合調(diào)控的制造理念來(lái)指導(dǎo)工程實(shí)踐制造體系，成為當(dāng)前大型航空構(gòu)件制造體系的主導(dǎo)思想。成型帽型加筋蒙皮結(jié)構(gòu)過(guò)程中主要存在2大關(guān)鍵問(wèn)題：（1）由于芯模在封閉空間內(nèi)受熱膨脹，難以維型保壓，造成壓力不可達(dá)，帶來(lái)型性質(zhì)量問(wèn)題，需要設(shè)置預(yù)制調(diào)型孔；（2）帽型長(zhǎng)桁加筋結(jié)構(gòu)制件的預(yù)浸料鋪放存在空間不可達(dá)區(qū)域，造成內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)缺陷，需要在帽型部分與下壁板結(jié)合的三角區(qū)域填充捻?xiàng)l，如何準(zhǔn)確計(jì)算三角區(qū)填充體積成為又一大關(guān)鍵問(wèn)題。

針對(duì)壓力不可達(dá)問(wèn)題，提出維型保壓思想，根據(jù)上面有限元仿真結(jié)果，建立了如下數(shù)學(xué)關(guān)系模型，通過(guò)調(diào)整預(yù)制調(diào)型孔大小可獲得較理想的外部成型精度。

預(yù)制調(diào)型孔體積：

芯?？偱蛎涹w積：

令V=ΔVζ，硅膠芯模預(yù)制調(diào)形孔孔徑模型：

其中，d為預(yù)置調(diào)型孔的孔徑，V為預(yù)制調(diào)形孔體積，L為硅橡膠芯模長(zhǎng)度，V0為芯模初始體積，ΔV為芯模體積變化，α為熱膨脹系數(shù)，E為彈性模量，υ為泊松比，T為溫度，P為壓力，ζ為修正系數(shù)。根據(jù)上面有限元仿真結(jié)果，回歸出修正系數(shù)ζ= 0.658～0.778，芯模維型效果較好，該系數(shù)對(duì)預(yù)置調(diào)型孔大小的預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確。

針對(duì)空間不可達(dá)問(wèn)題，三角區(qū)體積填充通過(guò)影響加筋制件三角區(qū)的厚度、纖維的皺曲等來(lái)影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為控制型性缺陷，建立如下三角區(qū)合理的填充體積數(shù)學(xué)模型。

三角區(qū)體積填充：

三角區(qū)實(shí)際體積：

溫差：

樹(shù)脂收縮：

其中，V為填充體積，ξ為可調(diào)工藝窗口修正系數(shù)，R為三角區(qū)倒角半徑，n為鋪貼層數(shù)，h為預(yù)浸料厚度，L為填充長(zhǎng)度，T為固化溫度，T0為初始固化溫度，εm為樹(shù)脂應(yīng)變，αn為凝膠點(diǎn)對(duì)應(yīng)固化度，Vsh為體收縮率。為了得出可調(diào)工藝窗口修正系數(shù)ξ，針對(duì)不同大小的三角區(qū)填充進(jìn)行試驗(yàn)研究,回歸出ξ=0.8～0.95范圍內(nèi)，此時(shí)具有較好內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

結(jié)束語(yǔ)

（1）傳統(tǒng)的真空袋囊法工藝成型復(fù)合材料帽型加筋結(jié)構(gòu)已逐漸面臨淘汰，采用設(shè)置預(yù)制調(diào)型孔的硅橡膠芯模法已逐漸成為帽型加筋構(gòu)件的主要生產(chǎn)方法。（2）采用硅橡膠芯模與復(fù)材工藝蓋板的內(nèi)外膨脹定位法成型復(fù)合材料帽型加筋結(jié)構(gòu)，可獲得較為理想的型面質(zhì)量。（3）從外部成型精度與內(nèi)部成型微觀結(jié)構(gòu)方面考慮復(fù)合材料帽型加筋結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量，綜合調(diào)控大型、復(fù)雜的復(fù)材結(jié)構(gòu)型性協(xié)同制造，建立普適性的數(shù)學(xué)模型，使成型過(guò)程中出現(xiàn)壓力不可達(dá)與空間不可達(dá)兩大關(guān)鍵問(wèn)題得以最大限度調(diào)和。

當(dāng)然，采用附帶預(yù)制調(diào)型孔的硅橡膠芯模成型法，在型性協(xié)同成型過(guò)程中，目前還存在一些問(wèn)題，采用真空袋囊法與硅橡膠芯模法相結(jié)合的方法用以成型復(fù)合材料帽型加筋結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制外部成型精度與內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，將成為帽型加筋結(jié)構(gòu)制造的研究方向。