熱壓罐和RTM成型的C型框彎曲試驗(yàn)研究

葉 軍，宮占峰

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海200232）

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，RTM技術(shù)作為低成本工藝，在過(guò)去的10年里在美國(guó)的應(yīng)用增長(zhǎng)率為20%～25%，歐洲為8%～10%，RTM技術(shù)已成為復(fù)合材料生產(chǎn)領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)之一[1-7]。國(guó)外為了將低成本的RTM技術(shù)應(yīng)用于機(jī)身普通框做了很多研究， ILCEWICZ[8]和Uozumi等[9]采用低成本的織物/RTM成型工藝制造出復(fù)合材料框。Kassapoglou[10-11]通過(guò)研究4種不同工藝成型的框（鈑金件、機(jī)加件、熱壓罐成型件和RTM成型件）來(lái)設(shè)計(jì)低成本和重量輕的飛機(jī)結(jié)構(gòu)框。國(guó)內(nèi)外對(duì)熱壓罐成型框的彎曲性能也進(jìn)行試驗(yàn)和分析[12-15]。當(dāng)前民機(jī)次承力結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料應(yīng)用主要以液體成型工藝及其他低成本成型工藝為主。

本文針對(duì)熱壓罐成型工藝和RTM成型工藝的復(fù)合材料C型框，進(jìn)行2組彎曲破壞試驗(yàn)，分析兩種工藝方法對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力及破壞模式的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)件制備

復(fù)合材料C型框試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式以及尺寸參數(shù)如圖1。本次試驗(yàn)共2組，每組三件，詳細(xì)信息如表1所示。兩種材料的碳纖維單位面積重量相當(dāng)。隔框腹板鋪層順序?yàn)椋?緣條鋪層順序?yàn)椤?/p>

圖1 復(fù)合材料C型框的幾何尺寸Fig.1 Dimensions of composite C-shape frame

表1 試驗(yàn)信息表

試驗(yàn)件尺寸要求符合HB7741-2004規(guī)范，無(wú)損檢測(cè)要求符合上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院的工藝規(guī)范。

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)主要采用的是利用拉伸載荷產(chǎn)生彎曲載荷效應(yīng)的加載方式，即通過(guò)對(duì)后機(jī)身C 型框兩段進(jìn)行對(duì)稱(chēng)加載，在C 型框上產(chǎn)生力矩的加載方式。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示，試驗(yàn)原理示意圖如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Locale of test

圖3 試驗(yàn)原理示意圖Fig.3 Theory diagram of test

加載系統(tǒng)由加載電機(jī)、加載絲杠、端部固定裝置以及約束蓋板組成。通過(guò)端部結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)用鋁塊和硅膠填充來(lái)增強(qiáng)端部承載能力。通過(guò)約束蓋板，限制試驗(yàn)件垂直方向變形（試驗(yàn)件腹板面外位移）。通過(guò)設(shè)計(jì)約束加載端除水平加載方向的位移外其他自由度的限制槽，保證試驗(yàn)載荷的單向性。

加載的原理為利用絲杠將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為試件夾持端的水平運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制加載位移速度，并同時(shí)記錄電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)、夾持端載荷、試件關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)變等數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)采用電機(jī)絲杠裝置進(jìn)行加載，電機(jī)通過(guò)減速器減速，之后與左側(cè)絲杠連接，同時(shí)通過(guò)傳動(dòng)軸與右側(cè)絲杠連接，兩側(cè)絲杠螺紋方向相反，可以產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)位移。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

兩種工藝成型的隔框承載能力試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可知： （1）熱壓罐成型件平均最大承載比RTM成型件高出27.5%，由于RTM 成型件各層間所能承受的載荷偏小，更容易發(fā)生分層，導(dǎo)致承載能力下降；（2）RTM成型件承載能力的標(biāo)準(zhǔn)偏差是熱壓罐成型件的2.16倍，說(shuō)明熱壓罐工藝對(duì)C型框承載能力的分散性低于RTM成型工藝。

兩種工藝方案的位移-載荷曲線如圖4所示，其中載荷取試驗(yàn)過(guò)程中兩加載端載荷平均值。從圖中可知，位移加載至80mm前兩種工藝成型的隔框彎曲剛度基本一致。在80mm位移載荷后RTM成型隔框左側(cè)拐角截面處外壁（承受壓縮載荷）發(fā)生分層，其載荷出現(xiàn)明顯跌落，但彎曲剛度基本不變；熱壓罐成型隔框的彎曲剛度在位移載荷80mm后增大，這是由于此時(shí)隔框左側(cè)拐角截面處外壁出現(xiàn)明顯外翻的扭轉(zhuǎn)變形（如圖5所示），此時(shí)外壁并未出現(xiàn)分層損傷。

兩種工藝下隔框的破壞模式一致，均為隔框左側(cè)拐角截面處外壁在壓縮載荷下先產(chǎn)生分層損傷，并迅速擴(kuò)展至腹板后，最終造成該處截面拉伸斷裂破壞（如圖6所示）。由于熱壓罐成型隔框分層損傷出現(xiàn)較晚，直至破壞前才出現(xiàn)分層損傷，因此其最終破壞載荷要明顯高于RTM工藝成型隔框。受加載夾具的影響，試驗(yàn)件左側(cè)受載比右側(cè)更為嚴(yán)重（見(jiàn)表2），因此試驗(yàn)件最終破壞位置均在左側(cè)拐角截面處。

表2 復(fù)合材料C型框的承載能力

圖4 復(fù)合材料C型框的位移—載荷曲線Fig.4 Displacement-load curves of composite C-shape frame

圖5 熱壓罐成型件拐角處變形Fig.5 Deformation of the corner in test specimen by autoclave forming

圖6 試驗(yàn)件的典型破壞模式Fig.6 Typical destroy mode of test specimen

3 結(jié)論

（1）在相同鋪層下，熱壓罐成型的復(fù)合材料C型框的承載能力比RTM成型件高出27.5%，且其分散性小。

（2）RTM工藝的層間性能弱。在試驗(yàn)中RTM成型的隔框在平直段與彎曲段過(guò)渡截面處外壁先發(fā)生分層，而熱壓罐成型在該處外壁至破壞前才出現(xiàn)分層損傷。

（3）兩種工藝成型的結(jié)構(gòu)在承受彎曲載荷時(shí)，其薄弱位置均拐角截面處，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意該處細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。

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