復(fù)合材料艙門設(shè)計研究

陳龍輝，王強，付杰斌，盧維富，劉貴芳

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

復(fù)合材料艙門設(shè)計研究

陳龍輝，王強，付杰斌，盧維富，劉貴芳

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

研究了某型飛機復(fù)合材料艙門的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，主要包括：結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計、成型工藝流程的擬定及材料的選取、艙門零件的設(shè)計、結(jié)構(gòu)防護設(shè)計等整個設(shè)計過程。

復(fù)材艙門；結(jié)構(gòu)設(shè)計；結(jié)構(gòu)防護

0 引言

先進復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用能夠獲得顯著的減重效果，可顯著提高零件表面質(zhì)量和飛機外形精度，并有效降低裝配工作量。以復(fù)合材料為結(jié)構(gòu)載體還延伸出諸如結(jié)構(gòu)功能一體化、智能結(jié)構(gòu)等先進飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計理念。然而，先進復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)一直以來是一項高成本高投入的高新技術(shù)，但是航空航天領(lǐng)域常用的先進復(fù)合材料成本中，制造成本約占60%～70%。因此，降低制造成本、提高設(shè)計制造水平是擴大先進復(fù)合材料應(yīng)用范圍的重要措施。

近年來，國際復(fù)合材料領(lǐng)域一直致力于研究高性能復(fù)合材料的低成本設(shè)計制造技術(shù)。打破了長久以來高性能復(fù)合材料必然需要高制造成本的慣例，為高性能復(fù)合材料開辟了廣闊的應(yīng)用空間，而液態(tài)成型正是在低成本復(fù)合材料技術(shù)這一思想指導(dǎo)下出現(xiàn)的復(fù)合材料成型技術(shù)。

某型飛機某艙門結(jié)構(gòu)屬該型飛機的次承力結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)要求艙門具有較高的結(jié)構(gòu)效率，加之本艙門構(gòu)成飛機外形，故要求具有較高的表面質(zhì)量以保證飛機的外形精度。對于造價高昂的飛機而言，降低成本是一個重要的要求，而且是貫穿飛機全壽命周期的要求，故必須從設(shè)計之初開始融入降低成本的理念。

為提高結(jié)構(gòu)效率及得到較高的表面質(zhì)量，在該型飛機艙門上采用復(fù)合材料設(shè)計，選用低成本的液態(tài)成型工藝，既可以擺脫對昂貴復(fù)雜的預(yù)浸工藝和高能耗熱壓罐的依賴，又可以得到高質(zhì)量、高尺寸精度要求的艙門結(jié)構(gòu)，同時減少裝配工序、減輕重量等。

1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)概述

某型飛機艙門由旋轉(zhuǎn)作動器驅(qū)動，并通過旋轉(zhuǎn)搖臂固定到機身上的旋轉(zhuǎn)作動器上。

長寬比較大是本艙門較為顯著的特點，且驅(qū)動艙門的旋轉(zhuǎn)作動器位于艙門的同一側(cè)，即艙門為懸臂結(jié)構(gòu)。此類艙門的整體剛度為設(shè)計時主要考慮因素。

1.2結(jié)構(gòu)形式分析

為了充分發(fā)揮復(fù)合材料重量輕、便于整體成型等優(yōu)點，將艙門設(shè)計成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，以減少零件數(shù)目，降低零件鉚接工作量，減少裝配協(xié)調(diào)問題，縮短制造周期，減輕重量和節(jié)省成本，艙門采用縫合+ VARI液態(tài)成型工藝。

為了加強艙門剛度，在艙門橫向布置金屬支座外還布置了復(fù)合材料T型材，縱向布置了多根帽型材。

本艙門結(jié)構(gòu)由支座、搖臂、T型材、外蒙皮、帽型材、泡沫、銅網(wǎng)組成。其中，除支座、搖臂及銅網(wǎng)為金屬件外，其余零件均為復(fù)合材料件。

艙門采用單壁板形式，機械連接通路好。帽型材及泡沫用于提高壁板剛度。同時帽型材中設(shè)置泡沫芯材還可減少成型模具，簡化成型工藝。該結(jié)構(gòu)形式零件數(shù)量較少，裝配工藝簡便，符合結(jié)構(gòu)完整性要求。

2 結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計

2.1 成型工藝方案分析

真空輔助成形工藝(VARI)，指在真空狀態(tài)下排除纖維增強預(yù)制體中的氣體，通過樹脂流動、滲透、對預(yù)制體浸漬，并在室溫下固化或在烘箱內(nèi)加熱固化成形的液體成形工藝方法。它是先將織物或預(yù)成型體(織物或預(yù)成型體通常經(jīng)過預(yù)壓縮以滿足型腔)鋪覆于模具型腔中，然后閉合上模，抽真空，真空度一般在6l-95kPa，樹脂同時在注射壓力和真空輔助下，進入預(yù)成型體，浸漬并固化。

VARI工藝的特點為模具簡單,以及對模具材料要求低，特別適合于大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。它也適合于對縫紉預(yù)成形體的浸潤,使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有良好的抗撞特性。

VARI工藝具有如下優(yōu)點:

1）適合成型大厚度、大尺寸的復(fù)合材料構(gòu)件；

2）不需要承受注射壓力的閉合模具，僅需要在真空條件下不漏氣的單面模具；

3）不需要額外成型壓力，僅需要用密封真空袋保證的真空度；

4）作業(yè)溫度低，經(jīng)高溫處理后可在較高溫度下使用；

5）成形的構(gòu)件力學(xué)性能較好、纖維含量較高、孔隙含量低；

6）設(shè)備投資低、設(shè)備使用費用低、生產(chǎn)周期短、能源消耗低。

2.2 制造工藝流程及選材

艙門的制造工藝為：支座及搖臂等金屬件由機加完成，外蒙皮、帽型材、泡沫、銅網(wǎng)采用VARI+縫合工藝整體成型為艙門壁板，T型材采用VARI成型工藝單獨成型，之后艙門壁板與T型材、支座、搖臂用鈦合金連接件機械連接（如圖1）。T型材單獨固化成型后與壁板機械連接而不與其他復(fù)材件一起固化成型，可以降低模具復(fù)雜度，降低工裝成本，降低工藝難度。

圖1 艙門工藝流程

材料是結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)所選材料的性能，很大程度上影響所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能否滿足使用要求。通過綜合考慮成本和技術(shù)成熟度，在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的前提下，對金屬件及復(fù)材件均選用了各自領(lǐng)域較為成熟的材料，其中復(fù)合材料選用3228/U3160及3228/CF3031材料體系，泡沫材料選用ROHACELL泡沫，用于加強艙門剛度的金屬支座選用7050-T7451鋁合金材料，而用于連接艙門和機身的搖臂則選用強度更高的30CrMnSiA。

2.3 零件詳細設(shè)計

艙門外蒙皮為復(fù)合材料預(yù)成型體，構(gòu)成飛機氣動外形，主要承受面內(nèi)剪力。采用復(fù)合材料3228/ U3160，為了得到更高的表面質(zhì)量，蒙皮內(nèi)、外表面各增貼一層3228/CF3031編織布，使艙門表面光滑，減小氣動阻力。鋪層順序為[(±45)f/45/-45/0/45/0/90/-45/0]s，其中下標(biāo)為f的鋪層為3228/CF3031編織布。同時，為了提高結(jié)構(gòu)效率，在外蒙皮的部分位置進行了適當(dāng)?shù)奶迣釉O(shè)計。

縱向構(gòu)件由15根帽型材和15塊泡沫組成（如圖2），用以提高艙門的剛度并增加蒙皮穩(wěn)定性。與外蒙皮一樣，帽型材均為復(fù)合材料預(yù)成型體，材料為3228/U3160。帽型材內(nèi)置泡沫材料為ROHACELL泡沫。帽型材鋪層為：[45/-45/0/45/90/-45/0]s、[45/-45/0/ 90/0]s。

圖2 縱向構(gòu)件（帽型材及泡沫）

橫向構(gòu)件由12根T型材和4個支座組成。橫向構(gòu)件主要承受蒙皮傳來的氣動力及其引起的彎矩。T型材采用VARI成型工藝單獨成型（如圖3），材料選用3228/U3160，鋪層為：[45/-45/90/0/90/0]s。T型材與艙門壁板之間采用鈦合金沉頭大底角螺栓濕連接。

圖3 T型材

支座采用7050-T7451材料（如圖4）以更好的為艙門提供懸掛支持。支座與艙門壁板之間連接采用鈦合金沉頭大底角螺栓濕連接。為了提高支座的耐磨性，支座耳片上壓入4只鋼制帶凸肩襯套。

圖4 支座

搖臂（如圖5）用于連接艙門及旋轉(zhuǎn)作動器，懸掛整個艙門并支持艙門完成開閉動作，共4只。搖臂采用螺栓與支座連接，作為主承力結(jié)構(gòu)的連接部分。由于搖臂位于艙門開閉動作的中心，此處的變形在艙門懸掛的最外端將明顯放大，故搖臂采用30CrMnSiA材料。

3 結(jié)構(gòu)防護設(shè)計

3.1 表面防護設(shè)計

為滿足電磁防護性能要求，即艙門應(yīng)具有防靜電、防雷擊設(shè)計等性能。飛機雷擊分區(qū)如圖6所示，目前常用的防護方案的優(yōu)缺點詳見表1。

圖5 搖臂

圖6 飛機雷擊分區(qū)示意

從表1不難發(fā)現(xiàn)：金屬絲網(wǎng)的防護方案重量輕、性能穩(wěn)定，并已應(yīng)用于某型號飛機上，而艙門位于機身腹部，結(jié)合圖6可知處于防雷擊Ⅱ區(qū)，金屬絲網(wǎng)的防護方案能夠滿足艙門防雷擊要求，因此選用金屬絲網(wǎng)防護方案。

本艙門結(jié)構(gòu)設(shè)計的表面防護方案如下：

1）艙門外表面鋪貼一層銅網(wǎng)42-CU84A；

2）固化成型后復(fù)合材料零件的外露部分涂漆；

3）艙門在幾處接頭各通過搭接線與機身接頭連接，與金屬機體形成電通路。

3.2 防電偶腐蝕設(shè)計

兩種不同電位的材料接觸時，如遇到有電解液存在的情況，會產(chǎn)生快速的電偶腐蝕。碳具有較好的導(dǎo)電性并具有較高的電位，碳纖維復(fù)合材料在一般環(huán)境中呈惰性，表現(xiàn)為貴金屬特性。與金屬連接時，幾乎都起陰極作用，加速金屬的腐蝕。

表1 防護方案的優(yōu)缺點

為防止艙門結(jié)構(gòu)發(fā)生電偶腐蝕，本文對艙門結(jié)構(gòu)采用以下三種防電偶腐蝕措施：

1）與復(fù)材件連接的緊固件均采用鈦合金大底腳螺栓進行連接。

2）碳纖維復(fù)合材料與鋁合金接頭接觸部位有電偶腐蝕，均采取鋪放玻璃布進行電偶腐蝕防護。

3）所有緊固件均采用濕連接。

4 結(jié)語

本文論述了復(fù)合材料艙門的設(shè)計研究過程，復(fù)材艙門采用縫合工藝，以提高艙門蒙皮沖擊后剩余強度及艙門的抗撞擊性能，采用金屬銅網(wǎng)對艙門及機體進行雷擊防護。通過結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計，選取相應(yīng)的材料體系和成型工藝，得到了制造、裝配方案，可滿足強度要求的復(fù)合材料艙門。

[1]《飛機設(shè)計手冊》總編委會.飛機設(shè)計手冊第10冊結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010.

[2]楊乃賓等.復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社,2002.

[3]沈真.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社,2001.

>>>作者簡介

陳龍輝，男，1988年出生，2013年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，碩士，現(xiàn)從事飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Study on Door Design of Composite Material

Chen Longhui,Wan Qiang,Fu Jiebin,Lu Weifu,Liu Guifang
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

Study on structure design technique of aircraft door in composite material has been conducted of which the whole design process mainly covers design of structural plan,preparation of forming process,selection of material,design of door parts and design of structural protection,etc.

door of composite material;structural design;structural protection

2016-04-25）