翼身融合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造

1、翼身融合整體件研制與設(shè)計(jì), 破壞模式圖 示破壞原因剪切皺折總體失穩(wěn)有時(shí)由總體失穩(wěn)引起,芯子剪切模量低,或夾層板厚度不夠面板起皺失穩(wěn)面板薄,芯子壓縮強(qiáng)度不夠,或原始不平度大。 當(dāng)面板外鼓時(shí),可能板芯連接強(qiáng)度不夠面板格間失穩(wěn)面板太薄,格子尺寸太大2.夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),必須使其在設(shè)計(jì)載荷作用下滿足強(qiáng)度和剛度要求,即 在設(shè)計(jì)載荷下,面板的面內(nèi)應(yīng)力應(yīng)小于材料強(qiáng)度,或面板應(yīng)變小于考慮損傷容限的許用應(yīng)變。 對(duì)于復(fù)合材料面板:設(shè)計(jì)載荷=使用載荷nfm。其中,n 是安全系數(shù),fm 是考慮附加濕熱影響的載荷放大系數(shù),fm=1.061.15。 芯子應(yīng)有足夠的厚度及剛度,以保證在設(shè)計(jì)載荷下不發(fā)生夾層板總體

2、失穩(wěn)、剪切破壞以及過(guò)大的撓度。 芯子應(yīng)有足夠的彈性模量,夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的厚度方向拉、壓強(qiáng)度,以保證在設(shè)計(jì)載荷下,面板不發(fā)生皺屈。 面板應(yīng)足夠厚,蜂窩芯格尺寸應(yīng)足夠小,以防止在設(shè)計(jì)載荷下發(fā)生格內(nèi)面板失穩(wěn)。 盡量避免夾層結(jié)構(gòu)承受垂直于板面的集中載荷,以防止局部芯子壓塌或面板拉脫。當(dāng)集中載荷不可避免時(shí),應(yīng)采取措施,將載荷分散到其他承力構(gòu)件上去,而不傳給芯子。 3.夾層結(jié)構(gòu)選材原則面板材料的選擇包括纖維和樹脂兩部分,具體內(nèi)容見7.3節(jié)。 芯子材料選擇應(yīng)遵循的原則有:芯子材料密度低,有足夠的強(qiáng)度和剛度膠接性能好與面板的電性能相匹配,避免電偶腐蝕工藝性能良好,價(jià)格低。對(duì)于某些特殊構(gòu)件,要考慮芯子的電性能

3、、導(dǎo)熱性能、阻燃、防毒和防煙霧性能等。 蜂窩芯子有鋁蜂窩、玻璃纖維蜂窩以及芳綸紙蜂窩(即No*x蜂窩)。芯子形狀有正六邊形和長(zhǎng)方形等,一般采用正六邊形。No*x蜂窩是常用的非金屬材料蜂窩,它的模量比同密度的鋁蜂窩低很多,強(qiáng)度比鋁蜂窩略低,但它有良好的韌性及抗損傷能力,特別是局部損傷后不易產(chǎn)生永久變形。 夾層結(jié)構(gòu)中的膠粘劑分為板芯膠、芯與骨架元件(如梁、肋)粘接膠,以及芯子與芯子拼接膠三類,其中板芯膠最為重要。 面板與蜂窩芯子之間的膠粘劑與一般的板板膠存在差異,有其自己特殊要求。選用板芯膠時(shí)要注意,膠在固化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)分,這些揮發(fā)分會(huì)導(dǎo)致內(nèi)壓,引起局部區(qū)域脫膠或產(chǎn)生氣孔揮發(fā)氣體可能使芯子開裂

4、或使芯格變形,揮發(fā)水分對(duì)芯子和膠本身能產(chǎn)生腐蝕或降低其性能,因此建議選用揮發(fā)分不大于1/100的膠粘劑。 大部分芯子不能承受過(guò)大的固化壓力(如超過(guò)幾個(gè)大氣壓),但為了增加膠接強(qiáng)度,仍要求一定的膠接壓力(約二個(gè)大氣壓)。固化壓力是膠接工藝的重要參數(shù),選用膠時(shí)應(yīng)充分注意,并進(jìn)行一定的工藝試驗(yàn)。所選用膠粘劑,應(yīng)使芯子與面板在貼合處形成膠瘤,即所謂“填角成形” 的能力,以獲得足夠的膠接強(qiáng)度。 由于對(duì)芯子的加工較難控制外形容差,所選用膠應(yīng)有良好的“間隙填充”性能而無(wú)需附加的強(qiáng)度補(bǔ)償。膠粘劑本身強(qiáng)度都遠(yuǎn)大于芯子的強(qiáng)度,因此,對(duì)板芯膠強(qiáng)度要求主要是它的韌性指標(biāo)。膠接夾層結(jié)構(gòu)的韌性是指在靜或動(dòng)載下,膠接面抵抗

5、板芯剝離的能力。剝離強(qiáng)度直接反映了膠接面的韌性,是夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須測(cè)量的一個(gè)參數(shù)。 為了獲得良好的耐環(huán)境(濕熱)以及抗老化的性能,板芯膠一般采用膠膜形式。板芯膠應(yīng)與其他配套膠以及面板材料具有良好的相容性。 4.夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般來(lái)說(shuō),夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是增加剛度,得到光滑的氣動(dòng)外形,減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量和成本,降低噪聲,增大或減少某方向的熱變換,在強(qiáng)烈的聲振中能增加耐久性。下面給出一些具體的設(shè)計(jì)方法,以供參考。 不同的設(shè)計(jì)對(duì)成本的影響極大,如圖7 34 所示的端頭閉合設(shè)計(jì)中,圖7 34(a)比圖7 34(b)要好,圖7 34(c)通過(guò)增加芯子密度代替梁肋,費(fèi)用更低,因此,設(shè)計(jì)者應(yīng)了解制造工藝,使設(shè)計(jì)的

6、結(jié)構(gòu)制造成本最低。 同一夾層結(jié)構(gòu)可根據(jù)外載的情況,使用不同密度的芯子,用芯芯膠將它們拼接。但是,當(dāng)夾層結(jié)構(gòu)幾何尺寸較小,芯材拼接塊數(shù)較多時(shí),拼接膠的質(zhì)量往往會(huì)抵消采用不同密度芯子所省下的質(zhì)量,這時(shí)不宜采用這種設(shè)計(jì)方法。 夾層結(jié)構(gòu)經(jīng)常使用螺接或鉚接傳遞高載,但機(jī)械連接會(huì)降低夾層結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,因此,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免鉚釘過(guò)多過(guò)密。鉚接時(shí)盡量采用壓鉚,以減少對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的沖擊。 為保證芯子平滑切割,避免使用“起伏”切割(也稱“松弛切割”),應(yīng)根據(jù)面板應(yīng)力分布。 圖7 34 蜂窩夾層板端頭閉合設(shè)計(jì)用鋪層丟層設(shè)計(jì)逐漸改變面板厚度。蜂窩芯子切割中的外形公差可用膠膜填補(bǔ)。當(dāng)芯子切割形面誤差較大時(shí),可用預(yù)先固化

7、的玻璃纖維墊板填補(bǔ),如圖7 35所示。 夾層結(jié)構(gòu)膠接固化時(shí),為增加膠接強(qiáng)度,要求施加一定的固化壓力,壓力達(dá)不到的地方,用膨脹發(fā)泡膠膠接。如圖7 36所示,梁突緣內(nèi)側(cè)與蜂窩連接處用帶狀泡沫膠J 118膠接。膠帶膨脹后的厚度為原來(lái)的2.5倍。 圖7 35 芯子切割凹陷填補(bǔ)圖7 36 夾層結(jié)構(gòu)固化壓力要求夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟與設(shè)計(jì)對(duì)象及使用的分析方法有關(guān)。目前,航空航天上常用全高度夾層結(jié)構(gòu),其形面及外形復(fù)雜,結(jié)構(gòu)的支持條件也不規(guī)則。而有限元法具有數(shù)據(jù)反饋快、修改尺寸方便的優(yōu)點(diǎn),并已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,因此,有限元素法已成為夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的重要手段。 夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟如下所述。 根據(jù)外載大小,初

8、步確定夾層結(jié)構(gòu)形式與尺寸。對(duì)于全高度翼面夾層結(jié)構(gòu),外形已固定,可選擇的僅有芯子密度及面板厚度。芯子密度可根據(jù)局部壓力或吸力大小,按公式c/c=3確定面板應(yīng)盡可能薄,并按層合板設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于長(zhǎng)寬比大于3的夾層板,初步確定其結(jié)構(gòu)尺寸時(shí),可將其等效成單位寬度的梁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,梁的長(zhǎng)度與板的長(zhǎng)度相等。 根據(jù)初定結(jié)構(gòu),用有限元法(或經(jīng)驗(yàn)方法)確定內(nèi)力及支反力。 根據(jù)步驟的分析結(jié)果,按強(qiáng)度準(zhǔn)則修改芯子密度及面板厚度。 根據(jù)修改后的結(jié)構(gòu)尺寸,再進(jìn)行有限元分析,并進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度校核,檢查強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性是否滿足要求。 重復(fù)步驟,直至得到合適的設(shè)計(jì)結(jié)果。 7.5.4 結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)1.壁板設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的航空

9、航天結(jié)構(gòu)中,由金屬蒙皮及縱橫向加強(qiáng)件構(gòu)成的壁板是最常見的結(jié)構(gòu)件。 隨著高性能纖維與樹脂等材料工業(yè)及制造技術(shù)的進(jìn)步,復(fù)合材料已逐步進(jìn)入航空航天領(lǐng)域,成為金屬材料的替代品。與金屬壁板相比,復(fù)合材料壁板有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。復(fù)合材料壁板通常是層合結(jié)構(gòu),主要采用熱壓成形工藝制造,零件高度整體化。壁板固化成形后,制造工作基本完成,后續(xù)工作量較少。通過(guò)鋪層剪裁設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)壁板的強(qiáng)度、剛度、質(zhì)量、性能及生產(chǎn)工藝的統(tǒng)一。 壁板的制造質(zhì)量主要取決于成形過(guò)程的質(zhì)量控制,制件成形后缺陷無(wú)法補(bǔ)救,因此,設(shè)計(jì)上應(yīng)設(shè)法控制固化翹曲變形和制造質(zhì)量。由于壁板大都是外部零件,大氣環(huán)境和使用維護(hù)過(guò)程中的損傷,都會(huì)對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)生不利

10、影響,設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮采取適當(dāng)?shù)拇胧?防止材料性能退化,并按損傷容限進(jìn)行設(shè)計(jì)。面外載荷和結(jié)構(gòu)偏心等會(huì)引起層合結(jié)構(gòu)分層,使結(jié)構(gòu)提前失效,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免。在可能存在面外載荷和偏心的部位,應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)的應(yīng)力分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。連接部位是層合結(jié)構(gòu)容易破壞的部位,應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)。 (1)壁板結(jié)構(gòu)形式的選擇復(fù)合材料壁板類型很多,按應(yīng)用部件可分為翼面壁板、機(jī)(彈/箭)身壁板、艙門壁板等按形狀特征可分為單曲度壁板(如機(jī)翼、尾翼壁板)、雙曲度壁板等按結(jié)構(gòu)形式可分為單向加筋板、格柵壁板和多腹板結(jié)構(gòu)壁板等。 翼面壁板使用較多,主要是由于翼面結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變水平高,容易發(fā)揮復(fù)合材料性能的優(yōu)勢(shì),減重效果明顯翼面壁板外形簡(jiǎn)單,一般為單

11、曲度,制造相對(duì)容易其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,開口較少,須經(jīng)常檢查維護(hù)的部位不多,形成維護(hù)損傷的可能性也較少。而機(jī)身壁板的應(yīng)力應(yīng)變水平偏低,通常外形復(fù)雜,各種開口和內(nèi)部裝載較多,需要經(jīng)常拆卸、檢查的部位也多,因此利用復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)不是十分明顯。 在翼面壁板中,多數(shù)為單向加筋板只有縱向加筋條,如A 320襟翼壁板,波音737平尾壁板(如圖7 37所示)等。格柵壁板的縱、橫向筋條與蒙皮一起,一次固化成形,結(jié)構(gòu)整體性好,減少了零件數(shù)量和總裝工作量,質(zhì)量輕,壁板外表面光整,但制造起來(lái)相當(dāng)復(fù)雜。 A 320平尾和垂尾壁板就是格柵壁板,如圖7 38所示。 與金屬結(jié)構(gòu)類似,對(duì)相對(duì)厚度比較小的翼面結(jié)構(gòu),采用多腹板式結(jié)構(gòu)會(huì)有較

12、高的結(jié)構(gòu)效率。* 8B復(fù)合材料機(jī)翼、平尾壁板(如圖7 39所示),歐洲EAP驗(yàn)證機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼(如圖7 21所示),都采用這種形式。這種結(jié)構(gòu)要求模具加工準(zhǔn)確,制造難度大,只能用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行損傷評(píng)定,因此,選用這種結(jié)構(gòu)形式必須要有穩(wěn)定的制造工藝作保障。 選擇壁板結(jié)構(gòu)形式,應(yīng)從設(shè)計(jì)、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、工藝、模具以及成本等因素綜合評(píng)價(jià),產(chǎn)品圖7 37 波音737平尾壁板圖7 38 A 320平尾和垂尾壁板?438? 圖7 39 * 8B平尾壁板示圖的繼承性、生產(chǎn)單位的條件和經(jīng)驗(yàn)也是結(jié)構(gòu)形式選擇的重要依據(jù)。 (2)加筋條截面形狀加筋條截面形狀分為開剖面L形、T形(含球頭T形)、J形、I形和形等,閉剖

13、面帽形、泡形和形等,如圖7 40所示。閉剖面加強(qiáng)筋的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲穩(wěn)定性能優(yōu)于開剖面筋條,但其工藝性卻劣于后者。L形(角形)加筋條易發(fā)生剝離,應(yīng)謹(jǐn)慎使用。 圖7 40 加筋條截面幾何形狀(3)壁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般要求外,還須滿足應(yīng)變要求和穩(wěn)定性要求,即在設(shè)計(jì)載荷下,結(jié)構(gòu)的應(yīng)變不得超過(guò)規(guī)定的設(shè)計(jì)許用值。雖然結(jié)構(gòu)試驗(yàn)已證明,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有后屈曲承載能力,但其對(duì)疲勞的影響尚不清楚,因此壁板的穩(wěn)定性限制條件須謹(jǐn)慎使用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)對(duì)不同類型飛機(jī)和不同部件,采用不同的屈曲要求,建議按下列層次選擇不同的屈曲準(zhǔn)則。 對(duì)于較厚的蒙皮(大于3mm),在設(shè)計(jì)載荷下不得屈曲。 對(duì)于鉚接

14、壁板結(jié)構(gòu)中等厚度板(厚度為13mm),在使用載荷下不得屈曲,在設(shè)計(jì)載荷下允許屈曲。 對(duì)于較薄的板(小于1mm),可允許在使用載荷下進(jìn)入屈曲。 根據(jù)層合板設(shè)計(jì)一般原則及蒙皮、加強(qiáng)件的受力特點(diǎn),在初步設(shè)計(jì)階段,按表7 12所列的統(tǒng)計(jì)范圍確定壁板鋪層形式。初步確定鋪層比后,經(jīng)應(yīng)力分析,并考慮工藝因素后予以調(diào)整。 圖7 41是L 1011復(fù)合材料垂尾壁板鋪層設(shè)計(jì)的實(shí)例。蒙皮主要由45層構(gòu)成,根部16層,翼尖10層,中間部位14層,壁板周邊1634層,主要是為了提高連接強(qiáng)度。 表7 12 壁板的鋪層比例元 件鋪層比例/(%)45 0/90基本蒙皮70100 030加強(qiáng)蒙皮4070 3060長(zhǎng)桁垂直緣板5

15、0100 050長(zhǎng)桁水平緣板3050 5070圖7 41 L 1011復(fù)合材料垂尾蒙皮鋪層2.層合梁設(shè)計(jì)層合梁是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中最常見的受力構(gòu)件之一,例如翼面結(jié)構(gòu)中的大梁和翼肋,機(jī)身結(jié)構(gòu)中的縱梁和框等。它們通常由受剪腹板及受軸向拉、壓的緣條構(gòu)成,下面分別介紹這兩部分?440? 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 (1)緣條設(shè)計(jì)梁緣條是主受力結(jié)構(gòu),它參與部件總體受力,因此,緣條剖面尺寸通常由結(jié)構(gòu)的完整性要求確定,具體說(shuō)來(lái)是由部件的剛度要求、梁與壁板的彎矩分配比例、應(yīng)變水平、穩(wěn)定性準(zhǔn)則,以及與周邊結(jié)構(gòu)的連接條件等確定。在設(shè)計(jì)階段,除了綜合考慮上述諸因素外,通常還要結(jié)合材料與工藝等要求,經(jīng)多次反復(fù)方能最后確定其尺寸與鋪層形

16、式。 復(fù)合材料層合梁分為兩類,即組合梁和整體梁。組合梁的緣條與腹板是分開的兩部分,通過(guò)裝配成為一體。梁腹板是簡(jiǎn)單的平板結(jié)構(gòu),如圖7 44所示。梁緣條為T 形或L形截面,直接鋪在壁板上面,屬于壁板的一部分,梁緣條設(shè)計(jì)融于壁板設(shè)計(jì)之中。由于梁緣條與壁板一起鋪貼固化成形,使壁板表面光整,沒(méi)有連接孔,減少了零件和緊固件數(shù)量,也減少了工裝。此類緣條設(shè)計(jì)與壁板上加筋條設(shè)計(jì)極為相似。由于壁板設(shè)計(jì)主要考慮的是提高抗扭剛度,45鋪層比例較大,而梁緣設(shè)計(jì)主要考慮的是提高抗彎剛度,故增加了許多0層。Airbus系列飛機(jī)復(fù)合材料垂尾梁及A 320 100復(fù)合材料平尾梁都采用這類形式。 圖7 42 DC 10復(fù)合材料垂

17、尾大梁整體梁的緣條與腹板是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。常見的截面形狀有T形和匸形。匸形梁一般用于受載不大的構(gòu)件,如翼肋。A 320 100方向舵梁、* 8B水平尾翼梁(如圖7 39所示)是匸形梁。這種梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成形方便,與壁板連接便利,其緣條可以看成是腹板的延伸和彎折。為傳遞軸力和連接的需要,緣條鋪層中0及45比例應(yīng)適當(dāng)高些。T形梁緣條一般用于承受載荷較大的構(gòu)件,如DC 10復(fù)合材料垂直大梁(如圖7 42所示)、* 8B機(jī)翼正弦波梁(如圖7 43所示),其截面尺寸較大。與匸形梁相比,其制造難度略大些。T 形梁緣條的鋪層一般可以分成兩部分,一部分是由腹板鋪層彎折而成,另一部分是沿緣條長(zhǎng)度方向貼于彎折鋪層外面

18、,用以增加抗彎剛度及連接強(qiáng)度的鋪層。 常用的梁緣條與腹板的過(guò)渡有臺(tái)階式過(guò)渡和斜坡式過(guò)渡兩種。臺(tái)階式過(guò)渡鋪層設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,容易保證對(duì)稱性,工藝方法靈活,共固化或二次膠接均很方便斜坡式過(guò)渡中緣條增加的鋪層需插在腹板鋪層之間,腹板與緣條鋪層均應(yīng)對(duì)稱鋪貼。后一種形式保證了緣條過(guò)渡到腹板剛度不出現(xiàn)突變,但給制造帶來(lái)了不便,腹板與緣條需共固化成形。 如上所述,梁緣條或與壁板復(fù)合在一起,或與腹板復(fù)合在一起,它們常常不是獨(dú)立的零件,因此緣條設(shè)計(jì)往往與壁板或腹板設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行。但不管是何種形式,梁緣條參與部件總體受力,傳遞軸向拉、壓載荷的功能不變,在設(shè)計(jì)時(shí),首先應(yīng)按梁緣條所在零件的基本要求,然后綜合考慮它們的附加要求

19、,以及與其他零件的協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)。 圖7 43 * 8B機(jī)翼正弦波腹板梁結(jié)構(gòu)(2)腹板設(shè)計(jì)腹板主要承受剪切載荷,結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單。它們由承受剪力的薄板、支柱或筋條等加強(qiáng)件構(gòu)成,有些腹板還有減重孔和加強(qiáng)梗,減重孔周邊設(shè)置口框或翻邊。按幾何形狀的不同,腹板可分為平腹板和波紋板腹板。 圖7 44 Y7復(fù)合材料垂尾后梁腹板平腹板一般是由支柱等加強(qiáng)的平板類結(jié)構(gòu)。由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、成本低、整體性好、與周邊結(jié)構(gòu)連接簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),因此廣泛用于飛行器結(jié)構(gòu)中。A 310 300、A 320100和L 1011垂尾大梁,Y7垂尾前、后梁(如圖7 44所示),A 320 300垂尾部分翼肋(如?442?

20、圖7 45所示)等用的都是平腹板。夾層結(jié)構(gòu)腹板也屬于平腹板。對(duì)于相度厚度較大的翼型或絕對(duì)高度大的翼面,采用夾層結(jié)構(gòu)腹板,有利于提高腹板的穩(wěn)定性,減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。 圖7 45 A 320 300復(fù)合材料垂尾普通肋腹板圖7 46 A 310 300垂尾根部肋構(gòu)架式腹板構(gòu)架式腹板是平腹板的一個(gè)特例。如果翼面結(jié)構(gòu)偏大,采用構(gòu)架式結(jié)構(gòu)則能有較高的結(jié)構(gòu)效率。如A 310 300垂尾根部和L 1011垂尾根部采用了構(gòu)架式翼肋腹板(如圖7 46所示),翼尖部位仍保持實(shí)心層合板結(jié)構(gòu)。構(gòu)架式腹板在受力上與桁架相似,以桿子拉、壓載荷傳遞腹板的剪力。為了增加桿的慣性矩,提高其受壓穩(wěn)定性,桿子的截面可做成帽形或十形。與實(shí)

21、心層合板腹板相比,其突出優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕,開敞性好,便于施工和管線布置其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,鋪層設(shè)計(jì)較繁瑣,工裝與工藝都比較麻煩。 波紋板有質(zhì)量輕、剛度大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),適合作為腹板結(jié)構(gòu),但是由于工藝?yán)щy,金屬波紋板腹板沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料波紋板腹板容易制造。在保持腹板厚度相同的情況下,波紋板腹板不僅能提高腹板的屈曲應(yīng)力,而且取消了腹板上的支柱、角材等加強(qiáng)件,減少了零件數(shù)量和裝配工作量(如圖7 43所示),因此,對(duì)于復(fù)合材料這是一種非常有前景的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)形狀的不同,有矩形波紋板、半圓形波紋板、正弦波紋板和三角形波紋板,其中正弦波和三角形波紋板質(zhì)量輕,但模具加工及零件鋪貼成形難度大,所以,目

22、前廣泛采用的是半圓形及由它演化來(lái)的弓形波紋板。 腹板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與壁板結(jié)構(gòu)相似,除應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般要求外,還需滿足應(yīng)變要求和穩(wěn)定性要求。其中應(yīng)變要求是腹板在設(shè)計(jì)載荷下的剪應(yīng)變應(yīng)低于剪切許用應(yīng)變,穩(wěn)定性要求與壁板的相同。 腹板主要受剪切載荷,它的鋪層主要由45構(gòu)成?？紤]到工藝方便及成本因素,選擇織物較為合適。在腹板的開口區(qū)域,局部用0、45織物以及單向帶加強(qiáng)。如果腹板高度不大,也可采用全高度的0/90織物鋪層。支柱、角材、口框及構(gòu)架式腹板的桿子,主要受軸向載荷,它們的0層比例較高。 7.5.5 結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)與金屬結(jié)構(gòu)一樣,細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)能直接影響結(jié)構(gòu)的耐久性和損傷容限,但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有自己的特點(diǎn)。復(fù)合

23、材料結(jié)構(gòu)大都是層合結(jié)構(gòu),剛度突變、應(yīng)力集中、傳力不連續(xù)、偏心、連接區(qū)、有面外載荷或制造缺陷等容易引起分層損傷(如圖7 47所示),以致降低結(jié)構(gòu)的性能,因此細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)非常重要。 圖7 47 結(jié)構(gòu)中容易出現(xiàn)分層損傷的部位1.邊緣及連接區(qū)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)在自由邊或容易遭遇外物沖擊的部位,由于存在較大的層間應(yīng)力容易出現(xiàn)分層,為此應(yīng)按本節(jié)中所給的各原則進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)。對(duì)于構(gòu)件的自由邊和孔邊還可以采用包邊的方法防止分層。在連接處可加墊圈,并給定擰緊力矩。三維編織和縫合(如圖7 48所示)可增加構(gòu)件厚度方向的強(qiáng)度以及層間韌性,對(duì)防止分層也非常有效。 在結(jié)構(gòu)剛度變化較大的部位,如構(gòu)件厚度變化或出現(xiàn)丟層,必須將鋪層數(shù)按圖7

24、 49所示的要求遞減或做成小臺(tái)階形,并在表面鋪設(shè)一層連續(xù)鋪層,以防止剝離。 桁條、支柱的端頭和蜂窩夾層板的端頭容易分層,應(yīng)設(shè)計(jì)成斜削過(guò)渡(如圖7 50所示),并盡可能設(shè)計(jì)得寬些,以免剛度變化太大導(dǎo)致膠接面上的層間應(yīng)力過(guò)高。 在膠接區(qū),如角形長(zhǎng)桁與壁板膠接處,應(yīng)按圖7 51謹(jǐn)慎選用連接方式。構(gòu)件轉(zhuǎn)折處彎曲半徑不能太小,以防止纖維架橋并減小應(yīng)力集中。 圖7 48 縫合結(jié)構(gòu)示圖圖7 49 結(jié)構(gòu)變厚度區(qū)設(shè)計(jì)圖7 50 桁條和蜂窩板端頭設(shè)計(jì)圖7 51 角形加強(qiáng)件與蒙皮膠接2.蜂窩夾層結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求芯子的外形面盡量避免太多下陷臺(tái)階。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是相對(duì)封閉的結(jié)構(gòu),一旦水分進(jìn)入芯格之間,很難

25、將其排除或蒸發(fā)。它能造成膠退化及芯子腐蝕,因此,夾層結(jié)構(gòu)必須注意防潮密封設(shè)計(jì)。處理好夾層結(jié)構(gòu)邊緣、接頭及閉合細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)是夾層結(jié)構(gòu)高質(zhì)量設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,處理不慎便成為夾層結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。圖7 52給出了部分邊緣閉合件的設(shè)計(jì)實(shí)例。 圖7 52 夾層結(jié)構(gòu)邊緣閉合件形式3.開口區(qū)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)由于使用和維修的需要,在結(jié)構(gòu)上開口通常是不可避免的。與金屬結(jié)構(gòu)相比,開口對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)會(huì)造成一些特殊的影響,在設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮。 開口會(huì)切斷某些纖維,影響纖維受載的連續(xù)性,因此應(yīng)盡量開小口,開口的形狀和位置應(yīng)盡量少切斷纖維(如圖7 53(b)所示),并采用應(yīng)力集中系數(shù)小的形狀(如圖7 53(c)所示)。 圖7 53 開口設(shè)

26、計(jì)對(duì)比含孔復(fù)合材料構(gòu)件的應(yīng)力集中系數(shù)與層合板的鋪層形式有直接關(guān)系。例如碳/環(huán)氧0層合板的應(yīng)力集中系數(shù)約為7,而45層合板的應(yīng)力集中系數(shù)卻降至2。因此,開口區(qū)采用較多的45鋪層一般比較有利。 構(gòu)件受正應(yīng)力時(shí),因復(fù)合材料層合板的剪切強(qiáng)度低,其傳遞載荷的能力差,故開口附近的參與區(qū)一般比金屬大。復(fù)合材料從初始加載直至破壞無(wú)明顯塑性階段,在纖維斷裂前應(yīng)力一般不會(huì)重新分布,開口區(qū)的強(qiáng)度削弱比較嚴(yán)重,開口影響區(qū)也比金屬結(jié)構(gòu)的影響區(qū)大,因此,復(fù)合材料開口區(qū)的補(bǔ)強(qiáng)范圍較金屬結(jié)構(gòu)的范圍要大。 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的開口邊緣存在自由邊效應(yīng),應(yīng)采取包邊或縫合等防分層措施。 4.防雷擊和防靜電設(shè)計(jì)雷電是飛行器,特別是飛機(jī)所遭遇

27、到的最嚴(yán)重的電磁危害。對(duì)一架新設(shè)計(jì)的飛行器,可以通過(guò)以下步驟完成雷電防護(hù)設(shè)計(jì)。 首先確定雷擊區(qū)域和雷電環(huán)境。確定雷擊區(qū)有兩種方法,第一種是通過(guò)比較新機(jī)與形狀和它大體相同的飛機(jī)已有的雷擊經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定第二種是用飛機(jī)比例模型進(jìn)行雷電模擬試驗(yàn)來(lái)確定,這種方法可靠準(zhǔn)確,但費(fèi)時(shí)費(fèi)錢。在確定了雷擊區(qū)域之后,判定每個(gè)雷擊區(qū)總的雷電放電電流分量。這些分量是必須設(shè)法防護(hù)的。雷電防護(hù)程度取決于雷電環(huán)境和所運(yùn)用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。 其次確定易受雷電損壞的部件,制定保護(hù)準(zhǔn)則。確定可能易遭受雷電破壞的部件,根據(jù)對(duì)安全飛行的重要性、任務(wù)的可靠性或可維護(hù)性等因素,確定須保護(hù)的部件以及不須保護(hù)的部件。對(duì)須要保護(hù)的部件建立雷電防護(hù)判據(jù)。

28、進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計(jì)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)雷電防護(hù)系統(tǒng)從原理上可分為兩類,一類是提供雷電電流通道的導(dǎo)電防護(hù)系統(tǒng),如各種導(dǎo)電層防護(hù)系統(tǒng)另一類是使防護(hù)對(duì)象與雷電電流通道隔離的絕緣防護(hù)系統(tǒng),如金屬條防護(hù)系統(tǒng)和絕緣涂層防護(hù)系統(tǒng)。目前,最常用的是導(dǎo)電層防護(hù)系統(tǒng)和金屬條防護(hù)系統(tǒng)。A 350XWB飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)身采用的是金屬框以及少數(shù)縱向金屬元件構(gòu)成的雷電防護(hù)系統(tǒng),如圖7 54所示。 圖7 54 A 350XWB飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)身的雷電防護(hù)系統(tǒng)最終根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,試驗(yàn)驗(yàn)證防護(hù)的合理性與有效性。 復(fù)合材料導(dǎo)電性較低,對(duì)靜電沉積敏感。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛行器靜電防護(hù)與金屬結(jié)構(gòu)飛行器基本相同所不同的是對(duì)介質(zhì)復(fù)合材料(如芳綸或玻璃

29、纖維復(fù)合材料)要求在其表面涂導(dǎo)電層,使其表面與其他金屬表面保持大致相同的電位,為靜電泄放提供通道。 靜電防護(hù)方法中合理配置靜電放電器是最常用的方法。如果靜電放電器安裝在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面上,則要在安裝位置與最近的金屬表面之間裝上金屬搭接條,并且要確保表面加工、表面處理與工作環(huán)境相容。一般情況下,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)雷電防護(hù)系統(tǒng)也起靜電防護(hù)作用。只有在雷達(dá)罩外表面和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體油箱內(nèi)表面等特殊部位,才單獨(dú)使用靜電涂層防護(hù)系統(tǒng)。 7.5.6 結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)連接設(shè)計(jì)和分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接部位的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析具有與金屬結(jié)構(gòu)連接部位不完全相同的內(nèi)容和特點(diǎn),有些方面與金屬材料結(jié)構(gòu)有著本質(zhì)

30、的差別。影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度的因素很多,連接問(wèn)題比較復(fù)雜,目前要很好地分析其靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度還比較困難,因此必須予以足夠的重視。同時(shí),這些特點(diǎn)也表明復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性。 復(fù)合材料連接主要分為膠接連接、機(jī)械連接和混合連接三種類型。其中機(jī)械連接主要包括螺栓連接和鉚釘連接,混合連接是指膠鉚或膠螺連接。膠接和機(jī)械連接是最常用的兩種連接形式,混合連接采用較少。膠接連接是借助膠粘劑將零件連接成不可拆卸整體的連接方法,它適用于傳遞載荷較小的部位。機(jī)械連接是借助緊固件,把兩個(gè)以上零件連接成一個(gè)整體的連接方法,它適用于傳遞載荷較大或可靠性要求高的部位?；旌线B接是同時(shí)利用膠接和機(jī)械連接的連接方

31、法,目前只用在需要密封的部位,但隨著膠接工藝及其質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的完善或成熟,混合連接應(yīng)該得到更多的應(yīng)用。膠接連接和機(jī)械連接的優(yōu)缺點(diǎn)比較詳如表7 13所列。 表7 13 膠接連接與機(jī)械連接的優(yōu)缺點(diǎn)比較連接方式膠接連接機(jī)械連接優(yōu)點(diǎn) 無(wú)鉆孔引起的應(yīng)力集中,連接效率高,結(jié)構(gòu)輕 抗疲勞、密封、減振及絕緣性能好 有阻止裂紋擴(kuò)展作用,破損安全性好 能獲得光滑氣動(dòng)外形 不同材料連接無(wú)電偶腐蝕問(wèn)題 便于進(jìn)行檢查質(zhì)量,保證連接的可靠性 在制造、更換和維修中可重復(fù)裝配和拆卸 對(duì)零件連接表面的準(zhǔn)備及處理要求不高 無(wú)膠接固化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力 受環(huán)境影響較小?448? 續(xù)表7 13連接方式膠接連接機(jī)械連接缺 點(diǎn) 缺少可靠的無(wú)

32、損檢測(cè)方法,膠接質(zhì)量控制比較困難 膠接強(qiáng)度分散性大,剝離強(qiáng)度低,不能傳遞大載荷 膠接性能受濕、熱、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境影響大,存在一定的老化問(wèn)題 膠接表面在膠接前需作特殊的表面處理,工藝要求嚴(yán)格 被膠接件間配合公差要求嚴(yán),需加溫加壓固化設(shè)備,修補(bǔ)較困難 膠接后不可拆卸 由于復(fù)合材料的脆性和層合板的各向異性,層合板制孔后導(dǎo)致孔邊局部應(yīng)力集中,降低了連接效率 為了彌補(bǔ)基本層合板制孔后強(qiáng)度下降的影響,層合板可能需局部加厚,使結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加 由于增加了制作的工作量,可能增加成本 制孔工藝要求較高,操作要慢速平穩(wěn),否則會(huì)造成孔邊大面積分層 鋁、鋼緊固件與復(fù)合材料接觸會(huì)產(chǎn)生電偶腐蝕,故需選用與碳復(fù)合材料電位差較小

33、的材料制成的緊固件說(shuō) 明 碳纖維復(fù)合材料沿纖維方向的線膨脹系數(shù)很小,它與金屬膠接時(shí),由于熱膨脹系數(shù)差別較大,在高溫固化后會(huì)產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力和殘余變形。因此,膠接連接設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避開與金屬件膠接(尤其是鋁合金),必要時(shí)可采用熱膨脹系數(shù)小的鈦合金零件 碳纖維復(fù)合材料層間拉伸強(qiáng)度低,易在連接件端部層合板的層間產(chǎn)生剝離破壞,因此,對(duì)較厚膠接件,不宜采用簡(jiǎn)單的單搭接連接形式 連接板的剪切強(qiáng)度不隨端距增大而成比例增加 主承力連接區(qū)的關(guān)鍵部位一般均采用多排螺栓連接,不采用耳片或梳狀形式的連接1.膠接連接設(shè)計(jì)優(yōu)秀的膠接連接設(shè)計(jì)應(yīng)使其膠接強(qiáng)度不低于連接區(qū)外被膠接件本身的強(qiáng)度,否則,膠接連接將成為薄弱環(huán)節(jié),會(huì)發(fā)生

34、過(guò)早破壞。 膠接連接設(shè)計(jì)應(yīng)充分發(fā)揮膠層承受剪切能力很強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),根據(jù)最大載荷的作用方向,使所設(shè)計(jì)的膠接連接以剪切的方式傳遞最大載荷,而其他方向載荷很小,盡量避免膠層受拉力和剝離力。還應(yīng)特別注意被膠接件熱膨脹系數(shù)要匹配。 從強(qiáng)度和成本觀點(diǎn)考慮,膠接連接設(shè)計(jì)的基本原則是: 選擇合理的連接形式。不同膠接接頭形式的連接強(qiáng)度與被膠接件的厚度有較大的關(guān)系,如圖7 55所示。接頭形式的選擇應(yīng)使膠層在最大強(qiáng)度方向受剪力,盡可能避免膠層受到法向力,以防止發(fā)生剝離破壞。 盡可能減小應(yīng)力集中。單搭接接頭降低應(yīng)力集中的措施如圖7 56(a)所示。單搭接接頭在連接處布置橫向構(gòu)件可改善接頭的受力狀態(tài),降低剝離應(yīng)力(如圖7

35、56(b)所示)。 圖7 55 膠接件厚度對(duì)接頭形式選擇的影響圖7 56 單搭接接頭降低剝離應(yīng)力的措施 力求避免連接件端部層合板發(fā)生層間剝離破壞。膠接表面的纖維方向最好與載荷方向一致或成45,不能與載荷方向垂直。兩個(gè)相貼合的膠接件表面泊松比應(yīng)盡量匹配。 承受動(dòng)載荷時(shí),應(yīng)選低模量韌性膠粘劑在高溫工作時(shí),所選膠粘劑的熱膨脹系數(shù)盡量與被膠接件相近。 工藝盡可能簡(jiǎn)單,以降低制造成本。 這些原則總的目的是盡可能使膠接連接強(qiáng)度高于被膠接件強(qiáng)度或與之相近。為此,需從連接形式、幾何參數(shù)選擇等諸方面著手,來(lái)滿足上述要求。 2.機(jī)械連接設(shè)計(jì)影響復(fù)合材料機(jī)械連接接頭強(qiáng)度的因素遠(yuǎn)比金屬的多,了解這些因素,并在設(shè)計(jì)中加

36、以考慮是很重要的。這些因素可以歸納為五類:材料參數(shù),如纖維的類型、取向及形式(單向帶、編織布)、樹脂類型、纖維體積含量及鋪層順序等連接幾何形狀參數(shù),包括連接形式(搭接或?qū)印渭艋螂p剪等)、幾何尺寸(排距/孔徑、列距/孔徑、端距/孔徑、邊距/孔徑、厚度/孔徑等)、孔排列方式等緊固件參數(shù),如緊固件類型(螺栓或鉚釘、突頭或沉頭等)、緊固件尺寸、墊圈尺寸、擰緊力矩及緊固件與孔的配合精度等載荷因素,即載荷種類(靜載荷、動(dòng)載荷或疲勞載荷)、載荷方向及加載速率環(huán)境因素,包括溫度、濕度、介質(zhì)環(huán)境等。 復(fù)合材料機(jī)械連接的破壞形式有單一型和組合型兩類。單一型破壞形式有層合板的擠壓破壞、拉伸破壞、剪切破壞、劈裂破

37、壞、拉脫破壞,以及緊固件的彎曲失效、剪斷和拉伸破壞等多種形式。某些單一型破壞形式及其預(yù)防措施如表7 14所列。組合型破壞為兩種或兩種以上單一型破壞形式同時(shí)發(fā)生的情況,例如拉伸剪切(或劈裂)、擠壓拉伸、擠壓剪切和擠壓拉伸剪切等,如圖7 57所示。 圖7 57 機(jī)械連接組合型破壞形式示意圖機(jī)械連接的破壞形式主要與連接結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和連接件鋪層方式有關(guān)。劈裂和剪切破壞是兩種低強(qiáng)度破壞形式,應(yīng)防止發(fā)生。擠壓破壞具有局部性,通常不會(huì)引起復(fù)合材料結(jié)構(gòu)災(zāi)難性破壞,是設(shè)計(jì)預(yù)期的可能破壞形式。對(duì)于單排釘連接,從既要保證連接的安全性又要提高連接效率出發(fā),應(yīng)盡可能使機(jī)械連接設(shè)計(jì)產(chǎn)生與擠壓破壞有關(guān)的破壞形式。多排釘連接

38、一般為拉伸型破壞。 機(jī)械連接設(shè)計(jì)時(shí),推薦使用高鎖螺栓以及專門為復(fù)合材料設(shè)計(jì)的虎克鉚釘、高鎖環(huán)槽鉚釘?shù)染o固件,緊固件材料應(yīng)使用鈦合金或不銹鋼,并采用涂密封膠的濕法裝配,以防止電偶腐蝕。 對(duì)結(jié)構(gòu)整體油箱區(qū)的緊固件應(yīng)采用密封措施,如涂密封膠或加塑料帽套等。接頭形式與金屬結(jié)構(gòu)類似,雙剪較單剪接頭好,斜削和階梯形接頭可改善多釘連接時(shí)釘載分配的不均勻性。 碳纖維復(fù)合材料呈脆性,多釘連接時(shí),脆性使各釘孔的承載嚴(yán)重不均。加之孔引起的應(yīng)力集中比金屬結(jié)構(gòu)嚴(yán)重。故如有可能,盡量采用不多于兩排的多釘連接為了減少開孔對(duì)纖維傳力路線的破壞,兩排孔應(yīng)對(duì)齊排列,而不采用金屬結(jié)構(gòu)常用的交叉排列形式并建議選用比鋁結(jié)構(gòu)更大的端距。

39、構(gòu)件鋪層中45層比例一般不少于40%,0層不少于25%,90比例為10%25%,也可以在連接區(qū)采用碳纖維玻纖維混雜構(gòu)成剛度較小的軟化帶來(lái)改善連接強(qiáng)度。 7.5.7 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可修理性設(shè)計(jì)復(fù)合材料飛行器結(jié)構(gòu)在使用中容易造成損傷。損傷的原因是多方面的,而且很難避免,這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)必須充分注意和考慮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可修復(fù)性,并提供優(yōu)質(zhì)高效低成本的修理方法。 表7 14 機(jī)械連接典型破壞形式及其預(yù)防措施破壞形式預(yù)防措施 連接設(shè)計(jì)以擠壓強(qiáng)度為臨界參數(shù) 至少采用40%的45鋪層 在螺母下面加墊圈 如有可能,采用抗拉型突頭緊固件采用比鋁結(jié)構(gòu)更大的緊固件間距: 鋁結(jié)構(gòu)的S/D(間距/孔徑)4,碳纖維/環(huán)氧的

40、S/D5 連接板加厚,以減少靜截面上的應(yīng)力 采用比鋁結(jié)構(gòu)更大的端距: 鋁結(jié)構(gòu)的e/D(端距/孔徑)1.72,碳纖維/環(huán)氧的e/D34 至少采用40%的45鋪層 至少采用10%的90鋪層 沉頭孔深度不應(yīng)大于層合板厚度的0.6倍 增加層合板厚度 采用直徑更大的緊固件 采用高抗剪緊固件?452? 1.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理的特點(diǎn)和修理容限對(duì)于所有復(fù)合材料結(jié)構(gòu),特別是易受損傷的部件,在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮其可修理性以及修理方法的可行性、有效性和經(jīng)濟(jì)性。結(jié)構(gòu)修理要求修理后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度恢復(fù)應(yīng)盡可能高,結(jié)構(gòu)質(zhì)量的增加盡可能小,同時(shí)還應(yīng)恢復(fù)原結(jié)構(gòu)的使用功能,保證結(jié)構(gòu)光滑完整。 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理的特點(diǎn):纖維是復(fù)合材料承載

41、的主體,對(duì)于損傷切斷的纖維,修理不是將其重新接上,而是通過(guò)外搭接補(bǔ)片貼補(bǔ)或補(bǔ)片楔形斜削對(duì)接挖補(bǔ),來(lái)恢復(fù)纖維的連續(xù)承載能力。這是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理與金屬結(jié)構(gòu)修理的本質(zhì)差別所在。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以用鈦板、鋁板、層合板、預(yù)浸料等補(bǔ)片修理,可用的修理材料較多。 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮修理的部位,決不可輕易維修。如果補(bǔ)片采用機(jī)械連接固定,必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許時(shí)方可采納,因?yàn)閺?fù)合材料對(duì)孔邊應(yīng)力集中敏感,損傷區(qū)周邊制孔(一般為直徑6mm 的孔)有時(shí)會(huì)引起結(jié)構(gòu)承載能力下降或帶來(lái)新的損傷。 補(bǔ)片固化、二次固化或膠接等工藝需要配套輔助材料和相關(guān)修理設(shè)備。修理所用樹脂、預(yù)浸料等修補(bǔ)材料要求要有一定的貯運(yùn)條件、使用期和

42、貯存期。 修理容限是指結(jié)構(gòu)修與不修、能修與不能修的界限。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的允許損傷極限和損傷修理極限影響因素很多,不同的結(jié)構(gòu)形式、材料體系和飛行器類型會(huì)有不同的規(guī)定。首先要根據(jù)缺陷和損傷的類型,檢測(cè)出其范圍和大小,比照制定出的生產(chǎn)和使用中允許的缺陷和損傷標(biāo)準(zhǔn),確定修與不修的界限。其中的關(guān)鍵是缺陷和損傷許用標(biāo)準(zhǔn)的確定。通常,每種結(jié)構(gòu)都有自身特有的損傷包容能力,這種能力由結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)許用應(yīng)變控制。 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的允許損傷極限與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)變水平密切相關(guān)。目前,按限制設(shè)計(jì)許用應(yīng)變30004000設(shè)計(jì)的壁板類結(jié)構(gòu),一般允許損傷極限為損傷面積當(dāng)量直徑小于20mm的各類損傷。又如F 18的修理指南規(guī)定壓痕深度小

43、于0.4mm,分層區(qū)面積小于直徑為13mm圓的面積,蜂窩板開膠面積小于直徑為19mm 圓的面積可不修理,照常使用。經(jīng)驗(yàn)表明,F 18的修理規(guī)定偏保守,但是應(yīng)該放寬到什么程度要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)決定。 當(dāng)缺陷和損傷的尺寸超過(guò)了一定量值,結(jié)構(gòu)件修理難于達(dá)到修理標(biāo)準(zhǔn)要求,或在經(jīng)濟(jì)上成本過(guò)高,只能報(bào)廢更換結(jié)構(gòu)件,這時(shí)的損傷尺寸為修理極限。如波音飛機(jī)公司規(guī)定缺陷或損傷的范圍大于結(jié)構(gòu)件面積的15%時(shí)應(yīng)予報(bào)廢。F 18規(guī)定蜂窩結(jié)構(gòu)分層面積大于50mm 直徑圓面積,開膠大于75mm 直徑圓面積層合板分層大于75mm 直徑圓面積時(shí),結(jié)構(gòu)不可修理,應(yīng)予報(bào)廢。 總之,結(jié)構(gòu)的允許損傷極限與損傷修理極限要具體結(jié)構(gòu)具體分析,針對(duì)

44、性強(qiáng),不可盲目照搬。 2.考慮修理的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則在設(shè)計(jì)中考慮修理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則為: 應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段,根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和強(qiáng)度、剛度要求,對(duì)結(jié)構(gòu)修理進(jìn)行區(qū)域劃分。各區(qū)域有不同的允許損傷形式與程度、可修理的損傷及相應(yīng)的修理方法以及不可修理的損傷形式與程度。 對(duì)于易損部件,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有修理通道和修理余量,以提供足夠的檢查空間和修理操作空間。易損部位復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的連接應(yīng)盡可能采用螺接,而不采用膠接,當(dāng)結(jié)構(gòu)受到損傷時(shí)易于拆卸、修理或更換。組合結(jié)構(gòu)件的修理一般比整體結(jié)構(gòu)件的修理容易得多,因此,在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則的前提下,復(fù)合材料構(gòu)件應(yīng)盡可能采用組合結(jié)構(gòu)形式。 使用預(yù)浸料修理時(shí),盡可能選用與被修理結(jié)構(gòu)

45、相同的材料,如碳纖維復(fù)合材料修理碳纖維結(jié)構(gòu)件。盡可能采用對(duì)稱鋪層。臺(tái)階式修理每階不多于2 層鋪層,每個(gè)臺(tái)階長(zhǎng)度最小為5mm,一般取10mm,表面至少要有一層45鋪層將所有臺(tái)階覆蓋。 7.6 復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)7.6.1 復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是力求充分利用復(fù)合材料本身的力學(xué)性能、加工特點(diǎn)以及不斷發(fā)展的工藝方法,在滿足結(jié)構(gòu)完整性要求的前提下,減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量,降低制造成本。 纖維纏繞成形是一種先進(jìn)的工藝方法,能充分發(fā)揮連續(xù)作業(yè)的特點(diǎn),也可以充分利用纖維的承載能力。火箭殼體大都采用這種成形工藝,隨著纏繞技術(shù)的不斷發(fā)展,已逐步擴(kuò)大到某些機(jī)體結(jié)構(gòu)。已有用纏繞法制造飛機(jī)機(jī)身的例子,如

46、全復(fù)合材料小型飛機(jī)“星舟”號(hào)(Starship)的原型機(jī)機(jī)身。有些直升機(jī)的旋翼結(jié)構(gòu)也采用纖維纏繞成形工藝。 采用全高度夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)很多,如飛機(jī)的前翼面、副翼和各種操縱面、直升機(jī)旋翼槳葉以及導(dǎo)彈彈翼和尾翼等。在機(jī)翼前緣或后緣采用全高度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)可以減少零件及緊固件數(shù)量,亦可減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量,提高結(jié)構(gòu)剛度。波音767飛機(jī)的外側(cè)副翼采用了全高度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。 預(yù)制體/RTM(或RFI)工藝已被應(yīng)用于制造飛機(jī)的機(jī)頭雷達(dá)罩、后機(jī)身球面框、襟翼以及導(dǎo)彈翼面等結(jié)構(gòu)。最近美國(guó)研制的F 35垂尾也是用RTM 工藝制造的結(jié)構(gòu),整個(gè)垂尾為單個(gè)零件,取消了1000多個(gè)緊固件,制造成本較少了60%。 自動(dòng)化纖維

47、鋪層工藝能夠提高結(jié)構(gòu)的整體化程度。該制造工藝能夠生產(chǎn)形狀復(fù)雜、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的復(fù)合材料整體制件。洛克希德?馬丁公司采用7坐標(biāo)大型纖維鋪放機(jī)等設(shè)備,生產(chǎn)了F 35的復(fù)合材料機(jī)翼上蒙皮、前機(jī)身和進(jìn)氣道整體結(jié)構(gòu)件。F 35上的進(jìn)氣道通過(guò)法蘭盤焊在機(jī)身上,沒(méi)有一個(gè)緊固件。與其他戰(zhàn)斗機(jī)的進(jìn)氣道相比,該進(jìn)氣道質(zhì)量輕、性能高、隱身性好,而且生產(chǎn)時(shí)間節(jié)約50%,成本降低約40%。 翼身融合整體件研制與設(shè)計(jì),可以充分利用復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn),改善結(jié)構(gòu)的受力特性,顯著減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。 A 380的復(fù)合材料用量為25%,是第一架將復(fù)合材料用于中央翼盒的大型民用客機(jī),如圖7 58所示。該翼盒重8.8t,用復(fù)合材料5.3t,較

48、其他材料減重1.5t。A 380全復(fù)合材料平尾的面積相當(dāng)于A 310的機(jī)翼,垂尾的面積則相當(dāng)于A 320 的機(jī)翼面積。此外,A 380的機(jī)身壁板還大規(guī)模采用了G*re層合板,這種結(jié)構(gòu)有利于機(jī)身承受內(nèi)壓以及向下彎曲所導(dǎo)致的拉伸應(yīng)力,與傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)相比減重25%,同時(shí)由于與鋁合金的加工、裝配及維修方式類似,因此,無(wú)需對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案或生產(chǎn)維修方式做根本上的改動(dòng)。 波音787飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)都是由復(fù)合材料制成,包括機(jī)翼、整體機(jī)身、垂尾、平尾、地板梁、整流罩和艙門等,只有機(jī)翼前緣和發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙分別使用鋁合金和鈦合金。這是首架采用復(fù)合材料機(jī)翼和機(jī)身結(jié)構(gòu)的大型客機(jī)。波音787機(jī)身采用了整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)(如圖7

49、59所示),這有利于降低艙內(nèi)噪音,并使座艙設(shè)計(jì)壓差大于現(xiàn)有客機(jī),而且窗口面積比A 330和A 340大78%,提高了乘坐舒適度。另外,由于抗疲勞和耐腐蝕性能的提高,波音公司計(jì)劃安裝空氣加濕及凈化系統(tǒng),使座艙中的濕度高于現(xiàn)有客機(jī),改善乘坐環(huán)境。 圖7 58 A 380復(fù)合材料中央翼盒圖7 59 波音787整體復(fù)合材料機(jī)身中段A 350XWB復(fù)合材料用量高達(dá)52%。與波音787不同的是,A 350XWB機(jī)身蒙皮壁板分成4塊單獨(dú)制造(如圖7 60所示),而前者則采用整體復(fù)合材料蒙皮壁板結(jié)構(gòu)(如圖7 59所示)。波音787機(jī)身蒙皮壁板采用自動(dòng)鋪絲機(jī)制造,A 350XWB機(jī)身蒙皮壁板采用的是高速鋪帶機(jī)制

50、造。雖然A 350XWB機(jī)身蒙皮壁板整體性沒(méi)有波音787的高,但其裝配性和可修理性應(yīng)該比后者好。可見,工藝條件不同、設(shè)計(jì)思想不同,整體結(jié)構(gòu)的形式也將不同。 圖7 60 A 350XWB機(jī)身復(fù)合材料結(jié)構(gòu)布置7.6.2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體化的技術(shù)保障1.整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能只是簡(jiǎn)單取消一些連接緊固件,將原來(lái)采用的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單地拼接在一起,而應(yīng)根據(jù)復(fù)合材料的傳力特點(diǎn)、飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求以及工藝技術(shù)基礎(chǔ),從結(jié)構(gòu)布局到具體工作設(shè)計(jì),創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)新的整體結(jié)構(gòu)形式,這是復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。另外,還要開展整體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、疲勞、耐久性和損傷容限、可靠性和可檢性等設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)方法的

51、研究和試驗(yàn)驗(yàn)證,尤其是損傷容限和可檢性設(shè)計(jì)應(yīng)該是其中的重點(diǎn)和關(guān)鍵。 2.整體結(jié)構(gòu)可成形性分析纖維預(yù)制體的滲透性、孔隙或干斑的形成、殘余應(yīng)力和固化變形是影響復(fù)合材料制件質(zhì)量的幾個(gè)主要因素。對(duì)于大型整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō),一方面,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)固化變形的影響更加突出另一方面,若制造不當(dāng)將導(dǎo)致大件報(bào)廢,大幅度增加制造成本。因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初,采用工藝仿真對(duì)其進(jìn)行可成形性分析是非常必要的。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在A 380飛機(jī)上的大量應(yīng)用,空客公司對(duì)大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)和制造技術(shù)可行性進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)估。 波音公司也開發(fā)了DAMPS和VR 等設(shè)計(jì)制造一體化仿真軟件進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可成形性分析。 3.低成本復(fù)合

52、材料技術(shù)目前,限制復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的癥結(jié)還是成本高,其中尤其是工藝成本高,特別是手工鋪層、裝配成本高。解決途徑之一是從手工勞動(dòng)向自動(dòng)化、電子化、柔性化工藝轉(zhuǎn)變。如采用自動(dòng)鋪帶機(jī)(ATL)、自動(dòng)鋪絲束機(jī)(AFP)和隔膜成形機(jī)等自動(dòng)化鋪層設(shè)備,以及自動(dòng)化增強(qiáng)體編織機(jī)、自動(dòng)化切割機(jī)、自動(dòng)化鉆孔機(jī)、緊固機(jī)和自動(dòng)化檢測(cè)機(jī)。自動(dòng)化鋪層技術(shù)是在已有纏繞和鋪放技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的,適用于機(jī)身等大型復(fù)雜曲面形狀的制造,具有快速、準(zhǔn)確、節(jié)省原材料等優(yōu)點(diǎn),從而提高生產(chǎn)效率,節(jié)約成本。 在固化方面,目前大部分復(fù)合材料結(jié)構(gòu),特別是主承力結(jié)構(gòu)還是采用傳統(tǒng)的熱壓罐固化工藝。該固化工藝初期投資大,要求高溫高壓,對(duì)于大型制件還受到

53、成形模具大小的限制。預(yù)制體復(fù)合材料液體成形工藝(LCM)是先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的一個(gè)重要方面,目前已獲得相當(dāng)成功的有RTM 和RFI工藝,為制造整體結(jié)構(gòu)的最先進(jìn)技術(shù)之一。采用電子束固化可以顯著降低大型復(fù)雜整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的固化成本。另外,電子束固化與纖維鋪放技術(shù)相結(jié)合,能夠成形大型整體部件,對(duì)構(gòu)件的整體成形、共固化有著重要意義。 4.整體結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)技術(shù)復(fù)合材料損傷檢測(cè)包括以下幾個(gè)方面:生產(chǎn)過(guò)程中的缺陷檢測(cè)、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的損傷檢測(cè)、飛行過(guò)程和使用維護(hù)過(guò)程中的損傷檢測(cè)。其中,無(wú)損檢測(cè)是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量保證和制件驗(yàn)收的重要手段之一。大型整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可能擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀(如小角度拐角

54、)和膠接連接結(jié)構(gòu)等,這些地方的無(wú)損檢測(cè)難度比較大,而且無(wú)損檢測(cè)的時(shí)間一般比較長(zhǎng),因此需要發(fā)展適合于大型復(fù)雜制件的快速無(wú)損檢測(cè)方法和設(shè)備。目前主要采用的是超聲C掃描和超聲A 掃描無(wú)損檢測(cè)方法,并且朝著自動(dòng)化方向發(fā)展。 7.6.3 后機(jī)身球面框整體結(jié)構(gòu)制造技術(shù)民機(jī)后機(jī)身球面框?qū)儆陔p曲面結(jié)構(gòu),使用傳統(tǒng)的復(fù)合材料對(duì)其進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造相當(dāng)困難,因?yàn)閭鹘y(tǒng)鋪層鋪敷在球面模具上時(shí),一定會(huì)出現(xiàn)很多皺褶,需要通過(guò)多次裁剪才能保證鋪層的平整鋪貼。此外,鋪層纖維的方向在整個(gè)球面上是變化的,很難對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確分析。為此,需要發(fā)展一些新的分析方法與工藝技術(shù),才能制造出滿足設(shè)計(jì)要求的球面框制件。 下面對(duì)成功應(yīng)用復(fù)合材料制造的A 380和波音787的整體后機(jī)身球面框的制造過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。 1.A 380球面框A 380橢球形后機(jī)身球面框的尺寸為6.2m5.5m1.6m,采用RFI成形工藝制造,其大致的工藝過(guò)程如圖7