在飛機(jī)設(shè)計(jì)中要求設(shè)計(jì)的構(gòu)件盡可能輕而不損失強(qiáng)度是對(duì)設(shè)計(jì)人員的最大挑戰(zhàn)，這就要求所設(shè)計(jì)的薄壁結(jié)構(gòu)在承受拉、壓及剪切載荷的綜合作用下不失穩(wěn)。過去傳統(tǒng)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法仍在一些范圍內(nèi)使用，通過用長(zhǎng)桁和肋/框組成縱、橫向加強(qiáng)件來提高板的穩(wěn)定性。實(shí)際上，某些次結(jié)構(gòu)也可以使用夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來滿足強(qiáng)度、剛度要求。夾層結(jié)構(gòu)的夾芯通常采用蜂窩或泡沫芯材。

對(duì)結(jié)構(gòu)高度大的翼面結(jié)構(gòu)，蒙皮壁板（尤其是上翼面壁板）采用夾層結(jié)構(gòu)代替蜂窩板能明顯減輕重量，對(duì)于結(jié)構(gòu)高度小的翼面結(jié)構(gòu)（尤其是操縱面），采用全高度夾層結(jié)構(gòu)代替梁肋式結(jié)構(gòu)也能帶來明顯的減重效果。夾層結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是具有較大的彎曲剛度和強(qiáng)度。

飛機(jī)的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)通常采用先進(jìn)復(fù)合材料做面板，其夾芯為輕質(zhì)材料。夾層結(jié)構(gòu)的彎曲剛度性能主要取決于面板的性能和兩層面板之間的高度，高度越大其彎曲剛度就越大。夾層結(jié)構(gòu)的夾芯主要承受剪應(yīng)力并支持面板不失去穩(wěn)定性，通常這類結(jié)構(gòu)的剪力較小。選擇輕質(zhì)材料作為夾芯，可較大幅度地減輕構(gòu)件的重量。圖1是 A320飛機(jī)全高度泡沫夾層結(jié)構(gòu)擾流板樣件，圖2是Gulfstream G150泡沫夾層結(jié)構(gòu)翼身整流罩。當(dāng)然，對(duì)于面板很薄的夾層結(jié)構(gòu)，還應(yīng)考慮抗沖擊載荷的能力，所以面板的最小厚度必須滿足一定的條件。此外，夾層結(jié)構(gòu)的使用經(jīng)驗(yàn)還表明：在從成本方面評(píng)估夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅要考慮制造成本，還必須考慮飛機(jī)使用期的全壽命成本。

圖1：  A 320飛機(jī)擾流板樣件


圖2：夾層結(jié)構(gòu)整流罩

二、加筋條結(jié)構(gòu)

       采用加筋條也是一種加強(qiáng)薄壁碳纖維/環(huán)氧壁板的最有效途徑，例如發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口側(cè)板或發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的側(cè)板、機(jī)翼和尾梁的蒙皮等。使用加筋條可以最有效的提高結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性[1]。

圖3：常見的各種加筋條剖面

三、泡沫填充A形加筋條結(jié)構(gòu)

美國(guó)NASA和歐洲空中客車公司，在多年使用夾層結(jié)構(gòu)和加筋條結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，最近提出了一種泡沫填充加筋條的結(jié)構(gòu)方案，最大程度上優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝，例如AIRBUS A380的氣密艙的球面框等。

PMI泡沫：PMI (Polymethacrylimide，聚甲基丙烯酰亞胺)泡沫在進(jìn)行適當(dāng)?shù)母邷靥幚砗螅艹惺芨邷氐膹?fù)合材料固化工藝要求，這樣使得PMI泡沫在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。中等密度的PMI泡沫具有很好的壓縮蠕變性能，可以在120oC -180oC溫度、0.3-0.5MPa的壓力下熱壓罐固化。PMI泡沫能滿足通常的預(yù)浸料固化工藝的蠕變性能要求，可以實(shí)現(xiàn)夾層結(jié)構(gòu)的共固化。作為航空材料的PMI泡沫是一種均勻的剛性閉孔泡沫，孔隙大小基本一致。PMI泡沫也能滿足FST要求。泡沫夾層結(jié)構(gòu)與NOMEX®蜂窩夾層結(jié)構(gòu)比較的另一個(gè)特點(diǎn)是其抗吸濕性好得多，由于泡沫是閉孔的，濕氣和水分很難進(jìn)入到夾芯里面去。雖然NOMEX®蜂窩夾層結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)共固化，但是會(huì)降低復(fù)合材料面板的強(qiáng)度。為了避免在共固化過程中，蜂窩發(fā)生芯材壓潰或側(cè)移，通常固化壓力為0.28-0.35 MPa，而不是通常層壓板的0.69MPa。這樣會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料面板的孔隙率偏高。另外，因?yàn)榉涓C結(jié)構(gòu)的孔隙直徑較大，只在蜂窩壁位置才對(duì)蒙皮有所支撐，這樣會(huì)導(dǎo)致纖維產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致復(fù)合材料蒙皮層板的強(qiáng)度降低。如圖4所示。

圖4：復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)共固化后，纖維的彎曲示意圖

綜合上面對(duì)蜂窩和泡沫芯材的對(duì)比，通常選擇泡沫材料作為A形加筋條結(jié)構(gòu)的填充芯材，在用作芯模的同時(shí)，充當(dāng)A 型加筋條的結(jié)構(gòu)芯材，既是結(jié)構(gòu)材料，也是工藝輔助材料，如圖5所示。

圖5：泡沫填充復(fù)合材料A筋條結(jié)構(gòu)

 PMI泡沫作為夾層結(jié)構(gòu)泡沫芯材已經(jīng)在各種飛機(jī)結(jié)構(gòu)中成功地應(yīng)用，其中一個(gè)最突出的應(yīng)用是在波音 MD 11飛機(jī)尾部的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口側(cè)板（圖6）。泡沫的CNC 精確加工和熱成型大大降低了鋪層成本。高性能PMI泡沫芯材在固化過程中具有很好的耐壓縮蠕變性能，使面板壓實(shí)，消除表面凹凸不平。和蜂窩芯相比，在熱壓罐固化過程中，PMI泡沫各向同性的孔隙結(jié)構(gòu)還能滿足側(cè)壓下的尺寸穩(wěn)定性的要求，不同于蜂窩結(jié)構(gòu)，無需用泡沫膠填充。另外，泡沫還能將熱壓罐的壓力均勻的傳遞給泡沫下方面板的鋪層，使其壓實(shí)，沒有壓痕等表面缺陷。泡沫填充A 型加筋條結(jié)構(gòu)形式可以應(yīng)用在例如雷達(dá)發(fā)射面，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的壁板、機(jī)身蒙皮、垂直安定面等部件。

圖6 波音 MD11

四、泡沫填充A加筋條結(jié)構(gòu)的最新應(yīng)用

泡沫填充加筋條最新應(yīng)用在空中客車A340和A340-600（圖7）的后壓力框結(jié)構(gòu)中。到目前為止，已經(jīng)近1700個(gè)經(jīng)過CNC加工，熱成型的ROHACELL® 71 WF-HT 已經(jīng)運(yùn)抵臨近漢堡的空中客車Stade工廠，供A340使用（圖8）。在鋪層和固化過程中，成型好的泡沫起到芯模作用。固化時(shí)，PMI泡沫具有很好的耐壓縮蠕變性能和尺寸穩(wěn)定性能，使得在溫度180oC，壓力0.35MPa，2小時(shí)的固化條件下，采用夾層結(jié)構(gòu)共固化工藝，降低成本。PMI泡沫能夠保證加強(qiáng)筋的周邊的預(yù)浸料完全壓實(shí)，可以很好的替代可充氣氣囊工裝，避免了使用可充氣氣囊需要多次固化等一系列的問題。現(xiàn)今已經(jīng)成功的制造了近170多個(gè)后壓力框，還沒有出現(xiàn)一個(gè)廢品。這也證明了PMI泡沫加筋條工藝的可靠性和可行性。

圖7、 A340的后壓力框


圖8、 已成型、 待用的泡沫加強(qiáng)筋

在新型A340后壓力框采用了PMI泡沫填充筋條結(jié)構(gòu)形式成功的基礎(chǔ)上，A380后壓力框也采用了這一技術(shù)（圖9）。在A380結(jié)構(gòu)中，泡沫筋條長(zhǎng)達(dá)2.5m，幾何形狀相對(duì)更加復(fù)雜。PMI泡沫加工和熱成型比較容易，這也是泡沫填充筋條設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵。目前，已有200件加工成型完的泡沫筋條運(yùn)抵空中客車Stade工廠供AIRBUS A 380使用。

圖 9、 A380的后壓力框

五、泡沫填充A加筋條結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

       下面的實(shí)例討論了在A形加筋條應(yīng)用中，PMI泡沫芯材實(shí)現(xiàn)成本、重量的優(yōu)化，滿足雙重要求的可行性。這里將討論泡沫芯材不僅可以在鋪層、固化過程中，用做芯模，還能在加筋條中起到一定的結(jié)構(gòu)作用[2]。因?yàn)榕菽膲嚎s強(qiáng)度很高，它可以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少夾層結(jié)構(gòu)中預(yù)浸料鋪層，達(dá)到減重的目的。

在彎曲和軸向壓力作用下，薄壁復(fù)合材料結(jié)構(gòu)常常會(huì)發(fā)生穩(wěn)定破壞。失穩(wěn)破壞總是在材料到達(dá)壓縮破壞強(qiáng)度以前，在受壓部位出現(xiàn)。一個(gè)非常成熟、有效的途徑是將加強(qiáng)筋粘接在殼結(jié)構(gòu)上，提高殼結(jié)構(gòu)的抗失穩(wěn)能力。空心的A形加筋條結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和凸邊容易產(chǎn)生失穩(wěn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早破壞。

圖 10 空心A筋條和PMI泡沫填充A筋條軸壓載荷/應(yīng)變曲線[2]

和空心A形加筋條相比，在PMI泡沫填充的加強(qiáng)筋中，泡沫芯材除了在制造過程中起到芯模的作用以外，還作為結(jié)構(gòu)材料，提高抗失穩(wěn)性能；在材料發(fā)生屈服前，保持結(jié)構(gòu)的形狀和強(qiáng)度。泡沫填充A加筋條的面內(nèi)壓縮強(qiáng)度和空心加筋條相比，在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)初始失穩(wěn)時(shí)，失穩(wěn)載荷提高約100%（圖 10)。芯材主要承受和加強(qiáng)筋側(cè)表面垂直方向的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，避免在碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料面板達(dá)到屈服強(qiáng)度前，結(jié)構(gòu)過早地發(fā)生失穩(wěn)破壞。

六、結(jié)論

使用PMI泡沫芯可以用作芯模制造A形加筋條，可以大大降低構(gòu)件的鋪層和固化成本。預(yù)浸料可以方便地鋪設(shè)在泡沫芯模上。PMI泡沫各向同性的空隙結(jié)構(gòu)和在熱壓罐固化周期，良好的耐壓縮蠕變性能使得一步共固化工藝得以實(shí)現(xiàn)。我們還可以得出結(jié)論：使用PMI泡沫填充A形加強(qiáng)筋條可以顯著提高薄壁碳纖維/環(huán)氧結(jié)構(gòu)的抗失穩(wěn)性能。采用加筋條可將屈服破壞強(qiáng)度提高約30%，失穩(wěn)破壞強(qiáng)度提高約100%。

考慮PMI泡沫作為一個(gè)結(jié)構(gòu)組分，面層預(yù)浸料鋪層厚度可以減少一到兩層。和空心加筋條相比，PMI泡沫夾心加筋條是一個(gè)重量相對(duì)適中的方案。總之，PMI泡沫的雙重功用，作為芯模的同時(shí)，也是夾層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)單元，可以降低成本，減輕結(jié)構(gòu)重量。