孟翠翠 徐小伟 何煜文 董浪 许英杰
摘要： 以大尺寸泡沫填充帽型复合材料加筋壁板为对象， 针对影响其表面质量及内部质量的整体成型工艺方法进行研究。
从壁板内R区加捻量、 透气毡的铺放方式、 压力垫的放置方式三个主要工艺参数考虑， 以制件的表面质量、 无损内部质量为衡量指标， 开展了不同成型工艺参数下的试验验证。
基于工艺参数影响规律研究结果， 得到最佳表面质量、 内部质量控制方法。
对泡沫和蒙皮接触的内R区进行加捻时， 按照计算公式可得到最佳捻条宽度。
制袋时透气毡整体放置， 可消除零件表面的压痕。
此结构及尺寸的零件无需放置压力垫， 但对于具有复杂几何过渡的零件， 则必须考虑整体的压力垫设计。
通过该研究， 成功制造了9.5 m×0.9 m泡沫填充帽型复合材料加筋壁板。
关键词： 复合材料；
泡沫填充；
共胶接；
帽型加筋壁板；
工艺参数中图分类号： TJ760；
V257
文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2023）02-0059-05
DOI：
10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0256
0引言
高强度纤维特别是碳纤维增强树脂基复合材料因其高比强度和比模量性能， 具有优异的减重效果， 在飞机结构件上得到广泛应用。
复合材料通过集成设计与整体成型技术， 可以大幅减少紧固件数量， 将多个次级零件整体成型为单个主体零件从而显著降低装配成本， 是一种降低复合材料制备成本的有效方法， 已成为飞机结构设计制造技术的发展方向， 也是复合材料应用发展的必然趋势［1-3］。
复合材料加筋壁板是复合材料机翼、 机身等主承力构件的主要结构形式［4］， 20世纪70年代中期以来， 美国的民机上率先应用复合材料机翼壁板结构， 欧洲随即也在新研制的民机上采用复合材料机翼壁板结构［5］， 如Boeing787机翼、 尾翼壁板， 空客A350机翼、 尾翼壁板［6］， 复合材料在民机上的用量已经从1980年整机质量的4％上升到目前的50％［7］。
目前复合材料整体化制造的研究主要围绕加筋壁板结构件。
Li等［8］采用设置预制调型孔的硅橡胶芯模与复材工艺盖板的内外膨胀定位法成型复合材料帽型加筋壁板。
叶宏军等［9］采用5428/T700预浸料制造了工型加筋壁板， 研究了共胶接成型工艺。
Hasan等［10］对帽型加筋壁板翘曲变形情况进行了讨论， 发现在厚截面位置， 共固化成型方式检测到的翘曲量明显小于二次固化与二次胶接。
李向苏等［11］通过Airpad橡胶包覆帽型长桁得到表面光滑平整的复合材料帽型加筋壁板。
Xie等［12］提出一种基于硅胶气囊芯棒的碳纤维增强复合材料帽状加筋板共固化新工艺， 成型过程中零件的厚度和压力相对均匀， 有效提高了成型精度。
罗刚堂等［13］对T型加筋壁板采用硬-硬组合模具或软-硬组合模具以及干长桁-湿蒙皮、 湿长桁-干蒙皮的成型工艺进行了研究。
Kim等［14］对帽型加筋壁板的固化形式、 芯模材料等因素对壁板成型质量、 结构强度的影响进行了研究。
杨博等［15］使用环氧碳纤维预浸料CCF300/BA9916-Ⅱ， 采用共固化的成型方法， 研制了复合材料工型加筋壁板。
相比T型、 工型加筋壁板， 帽型加筋壁板因其具有良好的后屈曲承载能力及结构稳定性好、 传递周向载荷效率高、 减重效果好的优点， 近年来在航空结构件上得到广泛应用。
马刚等［16］通过研究帽型加筋壁板气囊的制作工艺， 完成了C919后机身壁板的制造。
Ambur等［17］对泡沫填充帽型加筋壁板的力学性能进行了研究， 验证了帽型加筋壁板具有出色的损伤承载能力。
目前国内外对于复合材料帽型加筋壁板的研究主要集中在结构设计、 力学性能测试与仿真模拟以及损伤失效模式的理论和实验研究［18-19］， 对于制造工艺、 特别是成型工艺参数的研究相对较少。
对于帽型加筋壁板而言， 其表面质量和内部质量控制难度较大， 不合适的工艺参数会导致壁板表面、 内部产生缺陷。
为此， 本文针对大尺寸泡沫填充帽型复合材料加筋壁板整体成型工艺方法进行研究， 分析了不同工艺参数对成型质量的影响规律， 得到最佳表面质量、 内部质量的控制方法。通过该研究， 成功制造了尺寸为9.5 m×0.9 m的泡沫填充帽型复合材料加筋壁板。
1帽型加筋壁板结构形式及成型工艺
复合材料泡沫填充帽型加筋壁板的结构形式如图1所示。
加筋壁板主要由蒙皮和帽型加强筋条组成， 蒙皮截面为变厚度形式， 由根部到尖部逐渐变薄。
帽型筋条内填充聚甲基丙烯酰亚胺（polymethacrylimide， PMI）泡沫芯， 泡沫芯上的蒙皮由加强层和整层组成。
帽型加筋壁板又称为Ω型加筋壁板， 相对于T型、 工型、 L型等结构来说， 具有结构稳定性好、 传递周向载荷效率高的优点， 在满足强度、 硬度和稳定性的前提下， 可大幅减轻结构重量。
泡沫填充对结构件受力的关键部位进行刚度加强， 不仅减少了芯材的用量和成本， 同时可以提高结构件的使用效率并降低结构件重量。
采用热压罐工艺成型图1中的复合材料帽型加筋壁板， 成型工艺流程如图2所示。
先将PMI泡沫机加成型， 然后将已固化的下蒙皮与PMI泡沫组合， 再进行帽型蒙皮预浸料铺贴， 最后胶接共固化。
2工艺参数影响试验
复合材料帽型加筋壁板成型质量的常用衡量指标为表面质量、 内部质量， 以及帽型筋的轴线度， 其中表面质量包括树脂堆积、 铺层皱褶、 凹坑、 贫胶等；
内部质量包括分层、 空隙、 加杂、 脱粘等；
帽型筋的轴线度主要指成型后帽型筋在蒙皮上的实际轴线位置与设计位置的偏差。
成型后的帽型加筋壁板要求无表面及内部缺陷， 且轴线度控制在±1.5 mm。
以上指标中， 帽型筋的轴线度可以采用捻条固定和抽真空压实的方法进行控制， 表面质量和内部质量则和多种工艺参数相关， 如加捻量会影响帽型筋外R区的成型质量， 不同压力垫放置方式会通过改变压力传递均匀性从而影响零件表面质量和内部质量， 不同透气毡铺放方式会通过改变帽型筋的透气均匀性从而影响其表面质量和内部质量。
为此， 本文针对复合材料帽型加筋壁板的表面质量和内部质量， 开展了不同工艺参数下的成型试验， 基于成型后试验件的检测结果分析加捻量、 透氣毡铺放方式、 压力垫放置方式的影响规律。
2.1加捻量影响试验
壁板泡沫芯定位后， 需要在加捻区增加适量捻条， 加捻量的多少直接影响帽型筋外R区的内部质量和表面质量。
通过加入不同宽度的捻条进行成型试验， 其中试验件1的捻条宽度为12 mm；
试验件2的捻条宽度为24 mm；
试验件3的捻条宽度为36 mm；
试验件4的捻条宽度为48 mm。
2.2透气毡铺放方式影响试验
由于帽型加筋壁板靠袋型面较复杂， 为了防止帽型筋底部透气毡架桥而引起压力传递不均， 按照经验需要将可能架桥的透气毡处剪开， 然后在其上搭接透气毡。
成型过程中采用3种不同的透气毡铺放方式， 包括：
（1）将帽型筋处透气毡剪开， 并在此处搭接相应尺寸透气毡；
（2）将帽型筋之间的透气毡剪开并搭接；
（3）铺放整张透气毡。
2.3压力垫放置方式影响试验
帽型筋与蒙皮的过渡区域是最易出现压力传递不均的区域， 从而造成零件表面和内部的缺陷。
通常可以采用Airpad压力垫来改善压力传递的均匀性， 为此， 本文研究了压力垫的放置方式对零件表面质量和内部质量的影响， 包括：
（1）零件表面局部（帽型筋处无压力垫）放置已固化的Airpad压力垫；
（2）零件表面局部放置未固化的Airpad压力垫；
（3）零件表面放置已固化的Airpad压力垫；
（4）不放置压力垫。
3结果与分析
3.1加捻量的影响规律分析
对不同加捻量成型后的加筋壁板进行表面质量和内部质量的检测， 可以发现加捻条的宽度对帽型筋外R区表面质量和内部质量均有影响， 结果如表1所示。
图3中加捻区域的面积可以采用如下公式进行计算：
3.2透气毡铺放方式的影响规律分析
试验结果显示， 透气毡的铺放方式直接影响零件表面质量（如表2所示）。
可以看到， 将帽型筋处透气毡剪开， 并在此处搭接相应尺寸透气毡后， 成型得到的试验件帽型筋两边立面产生了突起压痕；
将帽型筋之间的透气毡剪开并搭接后， 成型得到的試验件帽型筋之间的表面形成了突起压痕；
而采用铺放整张透气毡的方式后， 成型得到的试验件表面平整、 光滑。
分析上述3种试验件的表面质量， 可以看出零件上的突起压痕均是在透气毡搭接处产生， 这是由于在热压罐压力作用下， 透气毡被压缩， 搭接处会形成明显的棱， 从而将零件表面压出痕迹。
因此， 对于型面较复杂的零件， 在铺放透气毡的过程中， 首先需要判断是否可能存在透气毡架桥， 若条件允许则尽量使用整张铺放透气毡的方式保证表面质量。
3.3压力垫放置方式的影响规律分析
采用不同的压力垫放置方式成型得到4种试验件， 分别检测其表面质量和内部质量， 试验结果如表3所示。
可以看到， 局部放置已固化或未固化的Airpad压力垫， 成型后零件内部质量较好， 无缺陷， 但均会在帽型筋底部产生压痕；
而整体放置已固化的Airpad压力垫或不放置压力垫， 成型后零件的表面质量和内部质量均较好。
造成上述现象的原因主要是局部放置压力垫会造成帽型筋与蒙皮的压力差异， 从而在帽型筋底部形成压痕， 而整体放置压力垫或不放置压力垫， 成型过程中零件表面处于均匀受压状态， 因此不会形成压痕等表面缺陷。
对于本文所研究的帽型加筋壁板， 零件的几何过渡较为平缓， 因此不放置压力垫也能获得较好的压力传递效果并保证零件成型质量。
但对于具有复杂几何过渡和变厚度特征的复合材料零件， 则必须合理设计压力垫的放置方式来调节压力传递效果。
基于上述工艺参数影响规律的分析结果， 本文进一步成型得到如图6所示的泡沫芯填充帽型加筋复合材料壁板， 壁板尺寸为9.5 m×0.9 m。
经检测， 该壁板零件的表面质量、 内部质量， 以及帽型筋的轴线度均符合设计要求。
4结论
本文针对大尺寸泡沫填充帽型复合材料加筋壁板成型， 对其整体成型工艺方法进行研究， 分析了不同工艺参数对成型质量的影响规律， 得到如下结论：
（1） 针对本文制造的帽型加筋壁板， 对泡沫和蒙皮接触的内R区进行加捻时， 按照捻条宽度36 mm进行加捻的壁板固化后表面质量和内部质量均最佳， 这验证了理论计算结果的准确性。
（2） 制袋时透气毡整体放置， 则可消除零件表面的压痕， 使零件表表面平整、 光滑。
（3） 整体放置压力垫， 成型过程中零件表面处于均匀受压状态， 不会形成压痕等表面缺陷， 使零件表面平整、 光滑；
对于本文所研究的帽型加筋壁板， 零件的几何过渡较为平缓， 因此不放置压力垫也能获得较好的成型质量， 但对于具有复杂几何过渡和变厚度特征的复合材料零件， 则必须合理设计压力垫的放置方式。
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Study on Manufacturing Process of Large Size Foam-Filled
Composite Hat-Stiffened Panel
Meng Cuicui Xu Xiaowei He Yuwen Dong Lang Xu Yingjie
（1. AVIC Xian Aircraft Industry Group Company Ltd.， Xian 710089， China; 2. State IJR Center of
Aerospace Design and Additive Manufacturing， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China;
3. School of Mechanical Engineering， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China）
Abstract：
The molding process methods affecting the surface quality and internal quality of large size foam-filled composite hat-stiffened panel is studied. By considering three main process parameters：
the amount of twisting in the inner R zone of the wall panel， the placement of the breathable felt and the placement of the pressure pad， the surface quality and the non-destructive internal quality of the parts are taken as indicators and the test verification is carried out under different molding process parameters. Based on the research results of the influence law of process parameters， the best surface quality and internal quality control methods are obtained. When twisting the inner R zone in contact with foam and skin， the optimum twist width can be obtained accor-ding to the calculation formula for twisting. The breathable felt is placed integrally to eliminate the indentation on the surface of the parts during bag manufacturing. Parts of this construction and size do not require the pressure pads， but for parts with complex geometric transitions， the overall pressure pad design must be considered. Through this research， a 9.5 m×0.9 m foam-filled composite hat-stiffened panel can be successfully manufactured.
Key words： composite；
foam-filled；
co-bonding；
hat-stiffened panel；
process parameters
