1. Сэндвич-структура
В авиастроении самой большой проблемой для конструкторов является требование, чтобы проектируемые компоненты были как можно более легкими без потери прочности. Это требует, чтобы тонкостенная конструкция была устойчива к совместному действию растягивающих, сжимающих и сдвигающих нагрузок. В прошлом в некоторых областях все еще использовались традиционные методы проектирования конструкции самолета. Длинные фермы и ребра/рамы используются для формирования продольной и поперечной арматуры для повышения устойчивости доски. Фактически, некоторые второстепенные конструкции также могут быть спроектированы с многослойными конструкциями для удовлетворения требований прочности и жесткости. В сэндвич-структуре обычно используется сотовый или пенопластовый заполнитель.
Для аэродинамических конструкций с большой конструкционной высотой панели обшивки (особенно верхние панели аэродинамического профиля) с использованием сэндвич-структур вместо сотовых панелей могут значительно снизить вес. Для конструкций аэродинамического профиля с небольшой конструкционной высотой (особенно поверхностей управления) - полная высота Многослойная конструкция вместо конструкции с ребрами балки также может привести к значительному снижению веса. Самым большим преимуществом сэндвич-структуры является то, что она имеет большую жесткость на изгиб и прочность.
В композитной сэндвич-конструкции самолета в качестве панелей обычно используются современные композитные материалы, а сэндвич-сердечник изготавливается из легких материалов. Показатели жесткости на изгиб многослойной конструкции в основном зависят от характеристик панели и высоты между двумя слоями панелей. Чем больше высота, тем больше жесткость на изгиб. Сэндвич-сердцевина сэндвич-структуры в основном выдерживает напряжение сдвига и поддерживает панель, не теряя своей устойчивости. Обычно поперечная сила этого типа конструкции невелика. Выбор легких материалов в качестве сердцевины сэндвича может значительно снизить вес компонентов. Кроме того, опыт использования сэндвич-конструкции также показывает, что при оценке сэндвич-конструкции с точки зрения затрат необходимо учитывать не только себестоимость изготовления, но и стоимость жизненного цикла летательного аппарата.
2. Усиленная полосовая конструкция
Использование ребер жесткости также является наиболее эффективным способом усиления тонкостенных панелей из углеродного волокна/эпоксидной смолы, таких как боковые панели воздухозаборника или гондолы двигателя, обшивка крыльев и хвостовой балки и т. д. Использование нервюр может наиболее эффективно повысить жесткость и устойчивость конструкции.
3. А-образная ребристая структура, заполненная пеной.
Американское НАСА и европейская компания Airbus, основываясь на многолетнем использовании многослойных конструкций и усиленных полос, недавно предложили заполненную пеной усиленную полосовую структуру для максимальной оптимизации конструкции конструкции и производственного процесса, например, AIRBUS A380. Сферическая рама герметичности салона и т.д.
Пена PMI: пена PMI (полиметакрилимид, полиметакрилимид) может выдерживать требования процесса отверждения композитного материала при высокой температуре после соответствующей высокотемпературной обработки, что делает пену PMI широко используемой в авиационной сфере. Пена PMI средней плотности обладает хорошими свойствами ползучести при сжатии и может автоклавироваться при температуре 120°C-180°C и давлении 0,3-0,5 МПа. Пена PMI может соответствовать требованиям к характеристикам ползучести обычного процесса отверждения препрега и может осуществлять совместное отверждение сэндвич-структуры. Являясь аэрокосмическим материалом, пена PMI представляет собой однородную жесткую пену с закрытыми порами и практически одинаковым размером пор. Пена PMI также может соответствовать требованиям FST. Еще одна особенность пенопластовой сэндвич-структуры по сравнению с сотовой сэндвич-структурой НОМЕКС® заключается в том, что ее влагостойкость намного выше. Поскольку пена имеет закрытые поры, влаге и влаге трудно проникнуть в сердцевину сэндвича. Хотя сотовую сэндвич-структуру NOMEX® также можно отверждать совместно, это снижает прочность композитной панели. Во избежание разрушения материала сердцевины или бокового смещения в процессе соотверждения давление отверждения обычно составляет 0,28-0,35 МПа вместо 0,69 МПа у обычного ламината. Это приведет к увеличению пористости композитной панели. Кроме того, из-за большого диаметра пор сотовой структуры обшивка опирается только на сотовую стенку, из-за чего волокна изгибаются и снижают прочность ламината композитной обшивки.
Основываясь на сравнении между сотовым заполнителем и вспененным материалом, пенопласт обычно выбирается в качестве материала наполнителя А-образной реберной структуры. При использовании в качестве формы для стержня он служит конструкционным материалом сердечника А-образного ребра. , Также является вспомогательным материалом процесса.
Пена PMI успешно используется в качестве пенопластового материала с многослойной структурой в различных конструкциях самолетов. Одним из наиболее заметных применений является боковая панель воздухозаборника двигателя в задней части самолета Boeing MD 11. Прецизионная обработка с ЧПУ и термоформование пены значительно снижает стоимость укладки. Высокоэффективный пенопласт PMI обладает хорошей устойчивостью к сжатию и ползучести в процессе отверждения, благодаря чему панель уплотняется, а поверхность становится неровной. По сравнению с сотовым заполнителем изотропная пористая структура пенопласта PMI также может соответствовать требованиям стабильности размеров при боковом давлении во время процесса отверждения в автоклаве. В отличие от сотовой структуры, его не нужно заполнять пеной. Кроме того, пена может равномерно передавать давление автоклава на слой панели под пеной, делая ее компактной, без дефектов поверхности, таких как вмятины. Заполненная пеной усиленная полосовая конструкция А-типа может быть применена к таким компонентам, как стартовые поверхности радаров, стенки гондол, обшивка фюзеляжа и вертикальные стабилизаторы.
4. Последнее применение пенопластового наполнителя. Структура усиленной полосы.
Ребра, заполненные пеной, — это новейшее применение в конструкции задней усиленной рамы самолетов Airbus A340 и A340-600. На сегодняшний день около 1700 термоформованных и обработанных на станках с ЧПУ ROHACELL® 71 WF-HT были доставлены на завод Airbus Stade недалеко от Гамбурга для использования в самолетах A340. В процессе укладки и отверждения образованная пена действует как форма для стержня. Во время отверждения пена PMI обладает хорошим сопротивлением ползучести при сжатии и стабильностью размеров, так что при условиях отверждения 180 °C, 0,35 МПа и 2 часа для снижения затрат используется процесс совместного отверждения многослойной структуры. Пена PMI может обеспечить полное уплотнение препрега вокруг ребер, что может стать хорошей заменой инструментов для надувных подушек безопасности, позволяя избежать ряда проблем, таких как использование надувных подушек безопасности, требующих многократного отверждения. На сегодняшний день успешно изготовлено более 170 рам заднего давления, и нет никаких отходов. Это также доказывает надежность и осуществимость процесса армирования пенопластом PMI.
Основываясь на успехе новой задней прижимной рамы A340 с ребрами жесткости PMI, заполненной пеной, задняя прижимная рама A380 также использует эту технологию. В конструкции A380 пенопластовые ребра имеют длину 2,5 м, а геометрия относительно сложнее. Обработка пенопласта PMI и термоформование проще, что также является ключом к реализации конструкции ребра заполнения пеной. В настоящее время на завод Airbus Stade доставлено 200 штук переработанных пенопластовых ребер для использования в AIRBUS A 380.
5. Структурный анализ пенопластовой усиленной ленточной конструкции.
В следующем примере обсуждается возможность применения материала сердцевины из вспененного материала PMI для достижения оптимизации стоимости и веса и удовлетворения двойных требований при применении А-образных ребер. Здесь будет обсуждаться, что материал сердцевины из пенопласта может использоваться не только в качестве формы для сердцевины в процессе укладки и отверждения, но также может играть определенную структурную роль в ребрах. Из-за высокой прочности пены на сжатие она может улучшить стабильность конструкции, уменьшить слой препрега в сэндвич-структуре и достичь цели снижения веса.
Под действием изгиба и осевого давления тонкостенная композитная конструкция часто испытывает устойчивое разрушение. Разрушение из-за неустойчивости всегда происходит в сжимаемой части до того, как материал достигает предела прочности при сжатии. Очень зрелым и эффективным способом является приклеивание ребер жесткости к конструкции оболочки для улучшения устойчивости конструкции оболочки к нестабильности. Боковые стенки и выпуклые кромки полой А-образной ребристой конструкции склонны к нестабильности, что приводит к преждевременному выходу конструкции из строя.
По сравнению с полыми А-образными ребрами, в заполненных пеной ребрах PMI пенопластовый сердечник не только служит формой сердечника в процессе производства, но также служит конструкционным материалом для улучшения характеристик защиты от нестабильности; Предварительно поддерживайте форму и прочность конструкции. Прочность на сжатие в плоскости наполненной пеной армированной полосы сравнивается с прочностью полой армированной полосы. Когда конструкция подвергается начальной нестабильности, нагрузка нестабильности увеличивается примерно на 100%. Материал сердцевины в основном выдерживает растягивающие и сжимающие напряжения перпендикулярно боковой поверхности ребер, чтобы избежать преждевременного разрушения конструкции до того, как композитная панель из углеродного волокна/эпоксидной смолы достигнет своего предела текучести.
6. Заключение
Использование пенопластового сердечника PMI может использоваться в качестве формы для изготовления стержней А-образной формы, что может значительно снизить стоимость укладки и отверждения компонентов. Препрег можно легко уложить на форму из пенопласта. Изотропная пористая структура пены PMI и хорошее сопротивление сжатию и ползучести во время цикла отверждения в автоклаве позволяют реализовать одностадийный процесс совместного отверждения. Мы также можем сделать вывод, что использование пены PMI, наполненной ребрами жесткости А-образной формы, может значительно улучшить антинестабильные характеристики тонкостенных конструкций из углеродного волокна/эпоксидной смолы. Использование ребер жесткости может увеличить предел текучести при разрушении примерно на 30 %, а предел текучести при разрушении примерно на 100 %.
