1. Smörgåsstruktur
Inom flygplansdesign är det den största utmaningen för designers att kräva att de designade komponenterna ska vara så lätta som möjligt utan att tappa styrka. Detta kräver att den tunnväggiga strukturen utformas för att vara stabil under den kombinerade verkan av drag-, tryck- och skjuvbelastningar. Tidigare har traditionella metoder för design av flygplansstrukturer fortfarande använts i vissa områden. Långa takstolar och ribbor/ramar används för att bilda längsgående och laterala förstärkningar för att förbättra brädans stabilitet. Faktum är att vissa sekundära strukturer också kan utformas med sandwichstrukturer för att uppfylla kraven på styrka och styvhet. Sandwichstrukturen antar vanligtvis bikake- eller skumkärnmaterial.
För bärytstrukturer med stora strukturella höjder kan hudpaneler (särskilt övre bärplanspaneler) som använder sandwichstrukturer istället för bikakepaneler minska vikten avsevärt. För bärytstrukturer med små strukturella höjder (särskilt kontrollytor), full höjd Sandwichstrukturen istället för balkribban kan också ge betydande viktminskningseffekter. Den största fördelen med sandwichstruktur är att den har större böjstyvhet och styrka.
Den sammansatta sandwichstrukturen hos flygplan använder vanligtvis avancerade kompositmaterial som paneler, och sandwichkärnan är gjord av lättviktsmaterial. Böjstyvheten hos sandwichstrukturen beror huvudsakligen på panelens prestanda och höjden mellan de två skikten av paneler. Ju större höjd, desto större böjstyvhet. Sandwich-strukturens sandwichkärna tål huvudsakligen skjuvspänning och stödjer panelen utan att förlora sin stabilitet. Vanligtvis är skjuvkraften för denna typ av struktur liten. Att välja lättviktsmaterial som sandwichkärna kan kraftigt minska vikten på komponenterna. Dessutom visar erfarenheten av användningen av sandwichstrukturen också att när man utvärderar sandwichstrukturen ur kostnadsaspekten måste inte bara tillverkningskostnaden beaktas utan även flygplanets livstidskostnad.
2. Förstärkt liststruktur
Användningen av förstyvningar är också det mest effektiva sättet att förstärka tunnväggiga kolfiber/epoxipaneler, såsom sidopanelerna på motorintaget eller gondolen, vingarnas hud och stjärtbommen etc. Användningen av ribbor kan förbättrar mest effektivt strukturens styvhet och stabilitet.
3. Skumfylld A-formad ribbstruktur
Amerikanska NASA och European Airbus, baserade på användning av sandwichstrukturer och förstyvade remsor under många år, föreslog nyligen en skumfylld förstyvad bandstruktur för att optimera den strukturella designen och tillverkningsprocessen i största utsträckning, såsom AIRBUS A380 Den sfäriska ramen av den lufttäta kabinen osv.
PMI-skum: PMI-skum (polymetakrylimid, polymetakrylimid) kan motstå högtemperaturkompositmaterials härdningsprocesskrav efter lämplig högtemperaturbehandling, vilket gör att PMI-skum används i stor utsträckning inom flygområdet. PMI-skum med medeldensitet har goda kompressiva krypegenskaper och kan autoklaveras vid en temperatur på 120oC -180oC och ett tryck på 0,3-0,5MPa. PMI-skum kan uppfylla kraven på krypprestanda för den vanliga prepreg-härdningsprocessen och kan realisera samhärdningen av sandwichstrukturen. Som flyg- och rymdmaterial är PMI-skum ett enhetligt styvt skum med slutna celler med i princip samma porstorlek. PMI-skum kan också uppfylla FST-kraven. En annan egenskap hos skumsandwichstrukturen jämfört med NOMEX® honeycomb sandwichstruktur är att dess fuktbeständighet är mycket bättre. Eftersom skummet har slutna celler är det svårt för fukt och fukt att komma in i sandwichkärnan. Även om NOMEX® honeycomb sandwich-strukturen också kan samhärdas, kommer det att minska styrkan på kompositpanelen. För att undvika att kärnmaterialet kollapsar eller sidoförskjutning under samhärdningsprocessen är härdningstrycket vanligtvis 0,28-0,35 MPa istället för 0,69 MPa för det vanliga laminatet. Detta kommer att göra att kompositpanelens porositet blir högre. Dessutom, eftersom pordiametern hos bikakestrukturen är stor, stöds huden endast vid bikakeväggen, vilket kommer att få fibrerna att böjas och minska styrkan hos komposithudlaminatet.
Baserat på jämförelsen mellan bikake- och skumkärnmaterial väljs vanligtvis skummaterial som fyllnadskärnmaterial i den A-formade ribbstrukturen. När den används som en kärnform fungerar den som det strukturella kärnmaterialet i den A-formade ribban. , Är också ett processhjälpmaterial.
PMI-skum har framgångsrikt använts som kärnmaterial för sandwichstruktur i olika flygplansstrukturer. En av de mest framträdande applikationerna är sidopanelen för motorns luftintag på baksidan av Boeing MD 11-flygplanet. CNC-precisionsbearbetningen och termoformningen av skummet minskar avsevärt kostnaden för läggning. Det högpresterande PMI-skumkärnmaterialet har bra tryck- och krypmotstånd under härdningsprocessen, så att panelen komprimeras och ytan blir ojämn. Jämfört med bikakekärnan kan den isotropiska porstrukturen hos PMI-skum också uppfylla kraven på dimensionsstabilitet under sidotryck under autoklavens härdningsprocessen. Till skillnad från bikakestrukturen behöver den inte fyllas med skum. Dessutom kan skummet jämnt överföra trycket från autoklaven till skiktet av panelen under skummet, vilket gör det kompakt, utan ytdefekter såsom fördjupningar. Den skumfyllda styva bandstrukturen av A-typ kan appliceras på komponenter som radaruppskjutningsytor, gondolväggar, flygkroppshudar och vertikala stabilisatorer.
4. Den senaste tillämpningen av skumfyllning En förstyvad remsastruktur
Skumfyllda ribbor är de senaste tillämpningarna i den bakre tryckramsstrukturen på Airbus A340 och A340-600. Hittills har nästan 1 700 ROHACELL® 71 WF-HT termoformade och bearbetade av CNC levererats till Airbus Stade-fabriken nära Hamburg för användning av A340. Under uppläggnings- och härdningsprocessen fungerar det bildade skummet som en kärnform. Under härdning har PMI-skum bra tryckmotstånd och dimensionsstabilitet, så att under härdningsförhållanden på 180oC, 0,35MPa och 2 timmar, används sandwichstrukturens medhärdning för att minska kostnaderna. PMI-skum kan säkerställa att prepreg runt revbenen är helt komprimerad, vilket kan vara en bra ersättning för verktyget för uppblåsbara krockkuddar, vilket undviker en rad problem som användningen av uppblåsbara krockkuddar som kräver flera härdningar. Hittills har mer än 170 bakre tryckramar tillverkats framgångsrikt, och det finns ingen avfallsprodukt. Detta bevisar också tillförlitligheten och genomförbarheten av PMI-skumförstärkningsremsan.
Baserat på framgången med den nya A340 bakre tryckramen som använder den PMI-skumfyllda ribbstrukturen, använder A380 bakre tryckram även denna teknik. I A380-strukturen är skumribborna 2,5 m långa och geometrin är relativt mer komplicerad. PMI-skumbearbetning och termoformning är enklare, vilket också är nyckeln till förverkligandet av skumfyllningsribbdesign. För närvarande har 200 stycken bearbetade skumribbor levererats till Airbus Stade-fabriken för användning av AIRBUS A 380.
5. Strukturanalys av skumfylld A-förstyvad remsastruktur
Följande exempel diskuterar genomförbarheten av PMI-skumkärnmaterial för att uppnå kostnads- och viktoptimering och uppfylla dubbla krav vid applicering av A-formade ribbor. Det kommer att diskuteras här att skumkärnmaterialet inte bara kan användas som en kärnform vid läggning och härdning, utan också kan spela en viss strukturell roll i ribborna. På grund av skummets höga tryckhållfasthet kan det förbättra strukturens stabilitet, minska prepreg-skiktet i sandwichstrukturen och uppnå syftet med viktminskning.
Under verkan av böjning och axiellt tryck genomgår den tunnväggiga kompositstrukturen ofta stabilt fel. Instabilitetsbrott inträffar alltid vid tryckdelen innan materialet når tryckbrottshållfastheten. Ett mycket moget och effektivt sätt är att binda de förstärkande ribborna till skalstrukturen för att förbättra skalstrukturens anti-instabilitetsförmåga. Sidoväggarna och de konvexa kanterna på den ihåliga A-formade räfflade strukturen är benägna att bli instabila, vilket leder till för tidigt brott i strukturen.
Jämfört med ihåliga A-formade ribbor, i PMI-skumfyllda ribbor, fungerar skumkärnmaterialet inte bara som en kärnform under tillverkningsprocessen, utan fungerar också som ett strukturellt material för att förbättra prestanda mot instabilitet; Innan, bibehåll strukturens form och styrka. Tryckhållfastheten i planet för den skumfyllda A-förstärkta remsan jämförs med den för den ihåliga förstärkta remsan. När strukturen genomgår initial instabilitet ökar instabilitetsbelastningen med cirka 100 %. Kärnmaterialet bär huvudsakligen drag- och tryckspänningarna vinkelrätt mot ribbornas sidoyta för att undvika för tidigt brott i strukturen innan kolfiber/epoxikompositpanelen når sin sträckgräns.
6. Sammanfattning
Användningen av PMI-skumkärna kan användas som en kärnform för att tillverka A-formade ribbor, vilket avsevärt kan minska kostnaderna för att lägga och härda komponenter. Prepreg kan enkelt läggas på skumkärnformen. Den isotropiska tomrumsstrukturen hos PMI-skum och den goda kompressions- och krypmotståndet under autoklavhärdningscykeln gör att enstegs-samhärdningsprocessen kan realiseras. Vi kan också dra slutsatsen att användningen av PMI-skum fyllt med A-formade förstärkningsribbor avsevärt kan förbättra anti-instabilitetsprestandan hos tunnväggiga kolfiber/epoxistrukturer. Användningen av förstyvningar kan öka sträckgränsen med cirka 30 % och instabilitetens brottgräns med cirka 100 %.
