T型長(zhǎng)桁邊緣倒角對(duì)蒙皮纖維屈曲的影響

周長(zhǎng)庚 荀國(guó)立 邱啟艷 陳 靜

（中國(guó)航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300）

文 摘 針對(duì)T 型加筋壁板典型結(jié)構(gòu)共膠接成型過(guò)程中T 型長(zhǎng)桁邊緣處蒙皮纖維屈曲的問(wèn)題，開(kāi)展了T型長(zhǎng)桁邊緣倒角對(duì)蒙皮纖維屈曲的影響研究，對(duì)長(zhǎng)桁邊緣產(chǎn)生纖維屈曲的原因、機(jī)理以及長(zhǎng)桁邊緣倒角角度與纖維屈曲程度關(guān)系進(jìn)行研究。結(jié)果表明，共膠接成型制備T 型加筋壁板時(shí)，長(zhǎng)桁緣條面邊緣倒角能改善長(zhǎng)桁緣條邊緣處蒙皮的纖維屈曲的程度；長(zhǎng)桁邊緣處蒙皮纖維屈曲的劇烈程度與長(zhǎng)桁緣條邊緣倒角角度和蒙皮厚度成正比，與蒙皮鋪層中90°纖維鋪層比例成反比。工程應(yīng)用中，對(duì)長(zhǎng)桁邊緣適當(dāng)?shù)菇?，在不使用工藝軟模的條件下有利于提高復(fù)合材料加筋壁板的成型質(zhì)量。

0 引言

復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、性能可設(shè)計(jì)、抗疲勞性和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于各類航空航天飛行器，大大地促進(jìn)了飛行器的輕量化、高性能化、結(jié)構(gòu)功能一體化。復(fù)合材料的應(yīng)用部位已由非承力部件及次承力部件發(fā)展到主承力部件，并向大型化、整體化方向發(fā)展，先進(jìn)復(fù)合材料的用量已成為航空航天飛行器先進(jìn)性的重要標(biāo)志［1-2］。

復(fù)合材料加筋壁板結(jié)構(gòu)作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中最常用的結(jié)構(gòu)類型，主要應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、垂尾，平尾、火箭筒段等主承力件上。復(fù)合材料加筋壁板依據(jù)長(zhǎng)桁/筋條的結(jié)構(gòu)形式不同分為:T 型長(zhǎng)桁加筋壁板、工型長(zhǎng)桁加筋壁板、帽型長(zhǎng)桁加筋壁板和π 型筋條壁板。復(fù)合材料加筋壁板結(jié)構(gòu)整體化成形工藝主要有預(yù)浸料-熱壓罐、預(yù)成形件/RTM 或RFI 成形工藝等［3-5］。

通常T 型加筋壁板熱壓罐成型工藝有共固化成型、共膠接成型和二次膠接成型。共膠接成型工藝中，其中一種就是先固化長(zhǎng)桁，再將未固化的蒙皮與長(zhǎng)桁進(jìn)行共膠接。一般說(shuō)來(lái)，這種工藝方法能較好保證膠接質(zhì)量和控制變形，適合長(zhǎng)桁較多、型面較為復(fù)雜的加筋壁板。采用這種方法通常需要制作軟模，而對(duì)于長(zhǎng)桁較多/分布復(fù)雜的加筋壁板，軟模制備繁瑣，軟模與長(zhǎng)桁配合困難，配合不好時(shí)，長(zhǎng)桁邊緣處蒙皮容易產(chǎn)生缺陷，尤其是蒙皮局部的纖維屈曲/褶皺，這對(duì)加筋壁板的力學(xué)性能造成不利影響［6-10］，用常規(guī)的檢測(cè)方法較難測(cè)量表征；為此，可以將長(zhǎng)桁邊緣進(jìn)行倒角，不使用軟模，直接覆蓋工藝輔助材料，再進(jìn)行共膠接成型。本文針對(duì)T型加筋壁板典型結(jié)構(gòu)共膠接成型，開(kāi)展T型長(zhǎng)桁邊緣倒角對(duì)蒙皮纖維屈曲影響研究，對(duì)長(zhǎng)桁邊緣產(chǎn)生纖維屈曲的原因、機(jī)理以及長(zhǎng)桁邊緣倒角角度與纖維屈曲程度關(guān)系進(jìn)行研究，為T型加筋壁板結(jié)構(gòu)的先固化長(zhǎng)桁的共膠接成型工藝提供支持，為長(zhǎng)桁邊緣倒角構(gòu)型在航空航天飛行器結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用提供支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)300 級(jí)碳纖維/雙馬來(lái)酰亞胺預(yù)浸料（CCF300/QY9511），其樹(shù)脂含量為33wt%，面密度為200 g/m2，固化后單層厚度為0.125 mm。使用的膠膜高溫固化雙馬結(jié)構(gòu)膠膜（J-299）膠膜，膠膜厚度為0.2 mm。

1.2 試驗(yàn)件構(gòu)型

本文采用T型加筋壁板作為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)件長(zhǎng)2 m，寬1.2 m，長(zhǎng)桁緣條寬度40 mm。試驗(yàn)件均布有T 型長(zhǎng)桁4 根。試驗(yàn)件蒙皮包含不同厚度區(qū)，厚度分別為:2、5 、8 mm，不同厚度區(qū)0°、±45°和90°鋪層比例一致。同時(shí)長(zhǎng)桁不同部位分別設(shè)置6 種不同角度的倒角，分別為:90°、65°、45°、35°、30°、20°，試驗(yàn)件構(gòu)型示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)件構(gòu)型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test piece

1.3 試驗(yàn)件成型工藝

試驗(yàn)件采用先固化長(zhǎng)桁，再將未固化的蒙皮與長(zhǎng)桁進(jìn)行共膠接。試驗(yàn)件膠接時(shí)，不放置工藝軟模，直接在組裝好的試驗(yàn)件上覆蓋工藝輔助材料。試驗(yàn)件采用熱壓罐共膠接成型，共膠接成型工藝參數(shù)為:真空度-95 kPa，加壓60 kPa，升溫至120℃，保溫35 min，升溫至185℃，保溫70 min，升溫至195℃，保溫300 min，降溫至60℃，泄壓。升降溫速率≤1.5℃/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

用纖維屈曲隆起的高度D和屈曲的寬度L的比值D/L來(lái)評(píng)價(jià)纖維屈曲的嚴(yán)重程度，其值越大表示纖維屈曲越厲害，其值越小則表明纖維屈曲越平緩，如圖2所示。同時(shí)用D/H表示纖維屈曲高度在厚度方向上的占比。

圖2 纖維屈曲程度示意圖Fig.2 Schematic diagram of the fiber buckling

試驗(yàn)件固化后，通過(guò)截取不同長(zhǎng)桁邊緣倒角角度區(qū)域和不同厚度區(qū)域的試樣，用Ptillia M20-HD 型視頻顯微鏡對(duì)試樣橫截面進(jìn)行拍照和測(cè)量，得到了6種倒角（90°、65°、45°、35°、30°、20°）和3 種蒙皮厚度（8、5、2 mm）蒙皮纖維的屈曲程度，具體見(jiàn)表1。

從表1上可以看出，對(duì)于同一蒙皮厚度，隨著倒角角度的減小，纖維屈曲越來(lái)越平緩。對(duì)于同一倒角角度，隨著蒙皮的厚度增加，纖維屈曲鋪層數(shù)越多，纖維屈曲的隆起高度和寬度相對(duì)越大，從圖上可以看出長(zhǎng)桁邊緣的倒角減緩了纖維屈曲的劇烈程度。

通過(guò)用Ptillia M20-HD 型視頻顯微鏡的測(cè)量工具對(duì)纖維屈曲隆起的高度D和屈曲的寬度L進(jìn)行測(cè)量，分別計(jì)算D/L 和D/H，其結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3（a）可以看出對(duì)于同一蒙皮厚度，纖維屈曲高度隨著倒角角度的變大而增大，對(duì)于同一倒角角度，隨著蒙皮厚度的增加，纖維屈曲的高度也隨之增加。從圖3（b）可以看出對(duì)于同一蒙皮厚度，纖維屈曲寬度隨著倒角角度的變大而增大，對(duì)于同一倒角角度，隨著蒙皮厚度的增加，纖維屈曲的寬度也隨之增加。從圖3（c）可知，同一蒙皮厚度隨著倒角角度的增大，D/L越來(lái)越大，纖維屈曲越厲害，當(dāng)?shù)菇墙嵌纫欢〞r(shí)，D/L隨著蒙皮的厚度增加而增加。從圖3（d）可知，同一蒙皮厚度，隨著倒角角度的增大，D/H越來(lái)越大，纖維屈曲高度占厚度的比例隨著倒角角度增大，當(dāng)?shù)菇墙嵌纫欢〞r(shí)，D/H隨著蒙皮的厚度增加而減小，這說(shuō)明雖然纖維屈曲的程度隨蒙皮厚度增加而變得厲害，但是其高度占比蒙皮厚度卻越來(lái)越小。

表1 不同倒角角度和蒙皮厚度纖維屈曲情況Tab.1 Fiber buckling for different angle of chamfering and skin thickness

為研究不同鋪層角度纖維屈曲對(duì)倒角的敏感程度，選取長(zhǎng)桁倒角角度為45°，設(shè)計(jì)三種不同鋪層（0°、90°、準(zhǔn)各向同性鋪層）且厚度為4.5 mm的試樣，采用同樣的工藝共膠接后，獲得三組不同鋪層（0°、90°、準(zhǔn)各向同性鋪層）對(duì)應(yīng)的纖維屈曲的情況，通過(guò)測(cè)量D和L，計(jì)算得出D/L結(jié)果如表2所示?？芍菇墙嵌认嗤瑫r(shí)，當(dāng)蒙皮為全0°鋪層時(shí)纖維屈曲最為明顯。當(dāng)蒙皮為全90°鋪層時(shí)，纖維屈曲程度最為小，蒙皮為準(zhǔn)各向同性鋪層時(shí)，纖維屈曲程度介于二者之間，與90°鋪層時(shí)纖維屈曲的差異較小。

表2 纖維屈曲程度隨鋪層角度的變化Tab.2 Variation of fiber bucking degree with skin ply angle

圖3 纖維屈曲的不同要素隨倒角角度的變化曲線Fig.3 Graphs of the variation of different elements of fiber buckling with the chamfer angle

2.2 長(zhǎng)桁邊緣產(chǎn)生纖維屈曲的機(jī)理分析

當(dāng)長(zhǎng)桁邊緣與蒙皮之間有臺(tái)階時(shí)，輔助材料鋪放在壁板內(nèi)型面上，抽真空時(shí)輔助材料和真空袋會(huì)在長(zhǎng)桁下凸緣的邊緣與蒙皮形成一個(gè)架橋區(qū)。壁板放入熱壓罐中加壓并升溫后，在架橋區(qū)的輔助材料和真空袋受外壓作用會(huì)延展伸長(zhǎng)，使得架橋區(qū)減小，架橋區(qū)的圓角半徑也進(jìn)一步減小，但是在架橋區(qū)的真空袋和輔助材料處于繃緊狀態(tài)，傳遞壓力時(shí)會(huì)有損失，同時(shí)真空袋內(nèi)的透氣材料等處于疏松狀態(tài)，也不能對(duì)其下方的蒙皮產(chǎn)生充分傳壓。當(dāng)升溫到一定階段，樹(shù)脂處于低黏度粘流態(tài)，樹(shù)脂可以在層內(nèi)和層間流動(dòng)。此時(shí)樹(shù)脂內(nèi)部壓力pm略小于熱壓罐內(nèi)壓力p，而架橋區(qū)域附近由于部分外壓傳遞不到，樹(shù)脂內(nèi)部壓力ps＜pm＜p。因此在預(yù)浸料內(nèi)部沿層內(nèi)方向形成壓力梯度，樹(shù)脂沿著壓力梯度，從壓力大的地方向壓力小的架橋區(qū)域附近流動(dòng)，同時(shí)在架橋區(qū)域沿著厚度方向的壓力差，使得這個(gè)區(qū)域樹(shù)脂沿著厚度方向流動(dòng)，去填充架橋的空腔區(qū)，所以在靠近內(nèi)型面的層間樹(shù)脂會(huì)越來(lái)越富集，同時(shí)樹(shù)脂在層間的流動(dòng)和富集會(huì)造成局部纖維產(chǎn)生沿著厚度方向向上的面外位移，因此產(chǎn)生褶皺和纖維屈曲，如圖4所示。

圖4 蒙皮纖維屈曲產(chǎn)生的機(jī)理示意圖Fig.4 Schematic diagram of mechanism of fiber buckling in skin

2.3 不同因素對(duì)蒙皮內(nèi)部纖維屈曲程度的影響

2.3.1 倒角角度與局部纖維屈曲程度關(guān)系分析

假設(shè)長(zhǎng)桁邊緣倒角角度為α，為簡(jiǎn)化計(jì)算假定架橋區(qū)域工藝輔助材料及真空袋為圓弧狀，圓弧半徑為R，如圖5所示。

圖5 倒角后架橋區(qū)域示意圖Fig.5 Schematic diagram of bridging area after chamfering

依據(jù)圖5可得:

架橋區(qū)域總投影長(zhǎng)度:L=Rsinα，Ls=Rtan(α/2)

架橋區(qū)域面積:S(α)=[tan(α/2) -(απ/360)]R2

對(duì)S求導(dǎo)數(shù):S'(α)=

當(dāng)0≤α≤90°，0≤α/2≤45°，S'＞0。

故S（α）隨α減小而減小，從上式可以看出隨著倒角角度的減小，架橋區(qū)的面積和架橋區(qū)在蒙皮上的投影長(zhǎng)度都將減小，蒙皮內(nèi)部的纖維屈曲程度也會(huì)隨之減小。因此對(duì)長(zhǎng)桁邊緣進(jìn)行倒角，是減少蒙皮內(nèi)部纖維在長(zhǎng)桁邊緣局部區(qū)域內(nèi)屈曲的有效措施，并且隨倒角角度的減小，纖維屈曲的程度越低。

2.3.2 蒙皮厚度與局部纖維屈曲程度關(guān)系分析

由于纖維的屈曲是由于局部壓力差造成的，由于蒙皮厚度越大，架橋區(qū)的低壓區(qū)沿著蒙皮厚度方向的深度越大，同時(shí)厚度越大的蒙皮，在固化過(guò)程中在外壓作用下的厚度方向上的總壓縮量更大，而由于壓力差造成的壓縮量差也就相對(duì)更大，所以隨著蒙皮厚度越大，局部纖維屈曲的程度越明顯。但是，纖維屈曲的高度與蒙皮厚度之比隨蒙皮厚度增大而減少。

2.3.3 鋪層角度與局部纖維屈曲程度關(guān)系分析

當(dāng)鋪層全為0°鋪層時(shí)，樹(shù)脂在層間流動(dòng)時(shí)對(duì)纖維擾動(dòng)受外壓和長(zhǎng)桁的抑制最小，纖維最容易受樹(shù)脂流動(dòng)在層間產(chǎn)生較大位移，而纖維全部為90°時(shí)，樹(shù)脂在層間流動(dòng)時(shí)對(duì)纖維擾動(dòng)受外壓及長(zhǎng)桁的抑制最大，所以纖維屈曲程度相對(duì)小很多，如圖6所示。而鋪層中間0°、90°、±45°比例相同時(shí)，由于90°和±45°纖維的影響，樹(shù)脂的流動(dòng)對(duì)纖維擾動(dòng)較小，和全0°纖維鋪層相比纖維屈曲程度相比小很多。

圖6 不同角度方向纖維屈曲程度不同示意圖Fig.6 Schematic diagram of degree of fiber buckling for different ply angle

通過(guò)以上研究，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及裝配緊固件釘邊距限制要求，加筋壁板共膠接時(shí)，推薦優(yōu)先對(duì)長(zhǎng)桁倒角45°，這樣在盡可能滿足設(shè)計(jì)要求的前提下降低蒙皮局部的纖維屈曲程度，提高零件的成型質(zhì)量。

3 結(jié)論

（1）共膠接成型制備T 型加筋壁板時(shí)，長(zhǎng)桁緣條面邊緣倒角能改善長(zhǎng)桁緣條邊緣處蒙皮的纖維屈曲的程度。

（2）長(zhǎng)桁邊緣處蒙皮纖維屈曲的劇烈程度與長(zhǎng)桁緣條邊緣倒角角度和蒙皮厚度成正比，與蒙皮鋪層中90°纖維鋪層比例成反比。