飞机夹层结构的设计和泡沫芯材的选择

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1、2010 年第 17 期航空制造技术95复材维修COMPOSITE REPAIRMENT飞机夹层结构应用情况 和芯材的对比在飞机设计中要求设计的构件 尽可能轻而不损失强度是对设计人 员的最大挑战， 这就要求所设计的薄 壁结构在承受拉、 压及剪切载荷的综 合作用下不失稳。过去传统的飞机 结构设计方法仍在一些范围内使用， 例如通过用长桁和肋 / 框组成纵、 横 向加强件来提高板的稳定性。实际 上， 某些次结构也可以使用夹层结构飞机夹层结构的设计和 泡沫芯材的选择设计来满足强度、 刚度要求。 飞机的复合材料夹层结构通常 采用先进复合材料做面板， 其夹芯为 轻质材料。夹层结构的弯曲刚度性 能主要取决于

2、面板的性能和两层面 板之间的高度， 高度越大其弯曲刚度 就越大。夹层结构的芯材主要承受 剪应力并支持面板不失去稳定性， 通 常这类结构的剪切力较小。选择轻 质材料作为夹芯， 可较大幅度地减轻 构件的重量。当然， 对于面板很薄的 夹层结构， 还应考虑抗冲击载荷的能 力， 所以面板的最小厚度必须满足一 定的条件。此外， 夹层结构的使用经 验还表明：在从成本方面评估夹层 结构时， 不仅要考虑制造成本， 还必 须考虑飞机使用期的全寿命成本。 目前飞机夹层结构主要的使用 位置有： 起落架舱门、 雷达罩、 地板、 发动机短舱、 飞行控制面 （襟翼、 副 翼、 升降舵、 扰流板等） ， 翼身整流罩、翼稍小翼

3、以及用于加强壁板和蒙皮 的泡沫填充帽形加筋条。图 1 和图 2 分别为 A380 机蜂窝结构的使用情 况和复合材料的使用情况。夹层结 构的夹芯通常采用蜂窝或泡沫芯材。 通常在飞机夹层结构设计中， 泡 沫材料的密度 （5080kg/m3） 比蜂窝 （48kg/m3） 要高， 剪切强度也低于同 样密度的蜂窝材料， 这也是目前蜂窝 材料的应用多于泡沫材料的原因。 但是泡沫材料在工艺、 设计和使用过 程中， 也有其独特的优势。 目前， 航空航天结构中最常用 的泡沫芯材是德国罗姆公司生产的 PMI 泡沫材料。PMI 泡沫材料在进 行适当的高温处理后， 能承受高温 的复合材料固化工艺要求， 这样使 得 P

4、MI 泡沫在航空领域得到了广泛 的应用。中等密度的 PMI 泡沫材料 具有很好的压缩蠕变性能， 可以在 120180温度、 0.3 0.5MPa 压胡 培 赢创德固赛 （中国） 投资有限公司 高性能聚合物业务部门中国区航空材 料产品总监， 主要从事复合材料芯材 的研究和市场开发。在夹层结构设计中使用泡沫芯夹芯不仅可以降低制 造成本， 而且也可以降低飞机全寿命维修成本。在设计时 应该进行综合比较泡沫芯夹层和蜂窝芯夹层结构的不同 特点， 正确选择应用部位和结构方案， 使用正确的夹层结 构设计方式和芯材。Design of Sandvich Structure and Selection of Fo

5、am Core Material for Aircraft赢创德固赛中国投资有限公司上海分公司 胡 培96航空制造技术2010 年第 17 期复材维修COMPOSITE REPAIRMENT图3 EMBRAER 145平尾的后缘设计表1 夹层结构主要设计形式设计示意图刚度重量铺层工作量组装工作量适合的芯材全高度夹层 结构 （图 3）+蜂窝和泡沫蒙皮夹层 结构 （图 4）+0蜂窝和泡沫泡沫填充帽形加 筋条，（图 5（d） ）+0+泡沫图4 湾流G150翼身整流罩图1 A380-800中蜂窝夹层结构的使用情况力下热压罐固化。PMI 泡沫材料能 满足通常的预浸料固化工艺的蠕变 性能要求。 从工艺角度

6、讲， 与泡沫材料相 比， 蜂窝材料机械加工相对简单； 对 于复杂形状， 可以通过热成形的方法 对芯材成型。与蜂窝夹层结构相比， 泡沫夹层结构能够适应更高的共固 化温度和压力， 不需要填充处理。在 同样的共固化条件下， 泡沫夹层结构 的复合材料蒙皮的力学性能相对要 高。另外， 泡沫芯材还能直接用于各 种液体树脂成形工艺， 例如各种树脂 转移模塑工艺等。 从设计角度讲， 除了常用的全 高度夹层结构和蒙皮夹层结构外， 还 可以设计泡沫填充帽形加筋条结构。 另外， 泡沫材料的力学性能是各向同 性的， 而蜂窝是各向异性的。在复杂 受力状态 （例如翼稍小翼结构中） 下， 泡沫材料比蜂窝更能满足结构和强 度

7、的要求。 在使用过程中， 与开孔的蜂窝结 构相比， 泡沫材料因为是闭孔结构具 有较低的吸水率， 可减少维修成本。夹层结构主要设计形式夹层结构主要设计形式如表 1所示。图 3、 图 4 中平尾的后缘结构 设计方式， 属于局部全高度夹层结 构。对结构高度大的翼面结构， 蒙皮 壁板 （尤其是上翼面壁板） 采用夹层 结构能明显减轻重量。对于结构高 度小的翼面结构 （尤其 是操纵面） ， 采用全高度 夹层结构代替梁肋式结 构也能带来明显的减重 效果。夹层结构最大的 优点是具有较大的弯曲 刚度和强度。 在弯曲和轴向压力 作用下， 薄壁复合材料 结构常常会发生稳定破坏， 失稳破坏 总是在材料到达压缩破坏强度

8、以前、 在受压部位出现， 为此工程师常常设 计加筋条结构。对于常用的加筋板， 有 4 种设计方法。图 5（a） 中， 加筋 板分 3 步制造， 包括面板固化、 加筋 条固化和二次胶接。尽管可以通过 一些高效率、 低成本的方法 （例如挤 出工艺） 制造出加强筋， 但是由于采 用了二次胶接， 抵消了成本优势。另 外一种方法是加强筋和面板采用共 固化工艺， 如图 5（b）所示， 设计中 可以采用和树脂有相同固化周期的 胶膜来提高胶接面整体性。加强筋可以经过预固化或未经预固化， 这样 加强筋和蒙皮可结合在一起。 图5 （c） 中， 增加了设计尺度， 这也带来微观 的设计。图 5（d）是放弃整个 I 形

9、 加强筋的概念、 采用泡沫填充帽形加筋条的设计方法， 与空心的帽形加筋 条结构相比， 避免了帽筋条的侧壁产 生失稳而导致结构过早破坏。 与空心加筋条相比， 泡沫填充 帽形加筋条的面内压缩强度在结构 出现初始失稳时， 失稳载荷提高约 100%。芯材主要承受和加强筋侧 表面垂直的拉应力和压应力， 避免 在碳纤维 / 环氧复合材料面板达到 屈服强度前结构过早地发生失稳破 坏。 对于常用的夹层结构共固化工 艺， 例如泡沫填充帽形加筋条结构， 芯材还作为蒙皮复合材料的芯模， 起蜂窝夹层结构玻璃纤维增强复合材料石英纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料金属 玻璃纤维混杂 复合材料层板图2 A380材料的使用情

10、况图5 加筋板的设计（a） 机械连接或胶接 （c） 整体铺层 （b） 共固化（d） 全新设计共固化胶膜泡沫芯材2010 年第 17 期航空制造技术97复材维修COMPOSITE REPAIRMENT作用。耐蠕变性能 是决定夹层结构构 件制造过程可靠性 和重复性的重要指 标。 德国罗姆公司 进行了一系列的试 验， 在 对 几 种 常 见 的泡沫塑料测试的 基础上得出如表 2 所示的结论。如果 使 用 Hexel 公 司 的 RTM 6 树脂或 3M 公 司的 PR500 树脂先 进 RTM（树 脂 转 移 模塑）工艺， 注射压 力和温度： 0.6 MPa、 180， 后固化温度： 180 （见表

11、 3） 。 在 125 /0.3MPa /2h 固化条件下， PMI 泡沫 （密度 70kg/m3） 是最好的芯材材料。如果 固化压力降低到 0.2MPa、 80kg/m3， PVC HT 也能适用。对于使用压力罐 固化， 固化温度在 130以上的环氧 预浸料夹层结构， 只有 PMI 泡沫能满 足要求。密度大于 110kg/m3的 PMI WF-HT 类型泡沫能够满足 180 / 0.7 MPa / 2h 的固化工艺， 压缩蠕变 低于 1.5%。针对航天结构， 如果采 用 RTM 工艺， 密度 70kg/m3的 PMI WF 类型的泡沫完全能满足工艺要 求。由于聚氨酯和 PVC 耐蠕变性能 的

12、局限性， 工艺过程的温度不能高于 130或采用先进 RTM 工艺。新的 ROHACELL XT 类型的 PMI 泡沫甚 至可以在 190， 0.7MPa 和 BMI 树脂 共固化， 后固化温度达到 230， 充分 利用 BMI 树脂的玻璃化转变温度。选择正确的泡沫芯材（1）根据泡沫材料动态剪切模 量选择泡沫的规格。 （2）工艺要求。根据固化工艺 的温度、 压力和时间， 确定满足压缩蠕变要求的泡沫规格和型号。 （3）密度要求。通常选择的泡 沫密度在 5080kg/m3之间。 （4）树脂的粘度。例如液体树 脂成形， 推荐使用细小泡沫孔隙的 RIMA 或 RIST 型号， 减少泡沫表面 树脂吸收率，

13、 减轻结构重量。最新的 PMI 泡沫规格型号德国罗姆公司开发的最新型 号 ROHACELL HP， 与过去 WF 和 XT 相比， 相同的密度条件下具有 更好的耐压缩蠕变性能， 可以承受 180/1MPa/2h的固化条件， 见图7。 图6 动态剪切模量-温度关系曲线到工艺辅助材料的功能， 在复合材料 蒙皮或面板的固化压力和温度条件 下， 提供足够的尺寸稳定性， 保证蒙 皮或面板能够压实。与蜂窝相比， 泡 沫更加适合于共固化工艺。常见的泡沫芯材 在温度升高后的性能 除了室温下的力学性能， 还需要 考虑温度升高后夹层结构构件的整 体性。这里采用动态剪切模量 - 温 度曲线来比较泡沫的热力学性能，

14、见图 6。可见 PMI、 PU（聚氨酯） 和 PVC（聚氯乙烯） 在温度升高的情况 下， 性能差异显著。 可以得出以下结论：只有 PMI 系列泡沫， 也就是图中的网格部分， 才能作为 130以上使用的夹层结 构芯材。在 180时， PMI 泡沫的性 能才发生明显的降低。 除了前面讲述的物理性能以 外， 还需要确认泡沫芯材能不能满 足特殊制造工艺的要求。在夹层结 构固化过程中， 泡沫必须能够在一 段时间内， 承受温度和压力的综合100101 050100150200250温度 /300剪切模量 /MPa压缩蠕变 /%泡沫密度 =80kg/m3PVC （HT）PUR( 聚氨酯）PMI（各种型号）P

15、MI（XT）* HT 表示经过热处理以后的材料 : 130 / 2 h、 190 / 48 h； * 密度 110 kg/m3。表2 泡沫塑料测试结果工艺类型泡沫类型压缩蠕变 /固化工艺 1 （125， 0.3MPa， 2h）PU12 或材料 压溃PVC HT （高温型号）10PMI WF1.5固化工艺 2 （180， 0.7MPa， 2h）PU不能适用PVC HT （高温型） 不能适用PMI WF HT*3.5PMI WF HT*1.5表3 泡沫类型蠕变 /PU 和 PVC不能适用PMI（WF 型）1.5结束语在夹层结构设计中使用泡沫芯 夹芯不仅可以降低制造成本， 而且也 可以降低飞机全寿命维修成本。在 设计时应该进行综合比较泡沫芯夹 层和蜂窝芯夹层结构的不同特点， 正 确选择应用部位和结构方案， 使用正 确的夹层结构设计方式和芯材。（责编 小颖）图7 ROHACELL HP型号在热压罐条件下的压缩蠕变2.521.50.5010.50.61.0 压力 /MPaXT-HT（75kg/m3） HP-HT（83kg/m3） HP-HT（80kg/m3） HP-HT（95kg/m3） 暴露时间 50h， 求侧热压工艺）