大面积复合材料蜂窝夹芯结构变形浅析
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摘 要：近年来，随着复合材料技术的飞速发展，其优异的力学性能日益凸显，并在诸多领域得到应用。在非承力或此承力结构部位，已逐渐取代传统金属材料，甚至一些特种飞行器全机身均由复合材料构成。但受设计、工艺等诸多因素影响，复合材料结构件在制造工程中会暴露诸多问题。本文将结合工程中遇到的问题，通过试验验证，针对大面积复合材料蜂窝夹芯结构的变形情况，浅析其成因及解决办法。
关键词：复合材料 蜂窝夹芯结构 变形
中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（b）-0101-02
1 复合材料夹芯结构变形概述
某型固定翼客机的客舱平板由多块大面积复合材料蜂窝夹芯结构件拼接组成。在制造过程中，同一批次的所有复合材料蜂窝夹芯平板在加温固化后，均呈现不同程度、不规则的变形，如对角线翘起变形、拱桥式中间翘起变形、单边翘起变形，个别蜂窝夹芯平板的最长边（1920mm）翘起间隙达15mm以上。
2 复合材料夹芯结构变形原因分析
在不考慮工艺方法和施工过程中人为、设备影响等外界因素情况下，仅从产品设计角度分析致使零件大曲率变形的原因。
考虑到这种平板结构的大曲率变形情况，在该型客机的研制及定型阶段均未出现过，结合产品图样分析区别得到；平板结构未更换蜂窝及碳纤维材料的牌号，仅对嵌入件周围的填料和一层碳纤维的铺层方向进行过调整，故从这两个方向分析可能致使零件大曲率变形的原因。
假定变形是由嵌入件周围更换新的阻燃填料引起，那么在复合材料蜂窝夹芯平板结构上的变形应呈明显的、有规律的阶差性变形，并且变形部位应主要集中在嵌入件附近。而实际情况是平板变形为圆滑过渡、均匀翘起，并没有集中明显在某些嵌入件周围，故排除因更换填料牌号引起变形的可能性。
本次设计的复合材料蜂窝夹芯平板，结构形式设计成蜂窝上、下表面的碳纤维铺层数量为非对称形式，上、下表面仅相差一层碳纤维铺层。这种结构形式可能会对复合材料零件的成型情况产生一定的影响，但结合实际工程制造情况，该蜂窝夹芯平板结构件在早期产品中，并没有发生这种大曲率的变形翘起缺陷，故本次可暂时排除因蜂窝上、下表面为非对称结构而使批量生产的产品发生变形的可能性。
在小批生产阶段，强度设计人员曾建议调整蜂窝上表面、紧贴蜂窝的一层纤维的方向，平板的上表面从外到内的铺层顺序由BAA改为BAB，使其单侧对称（在工程应用中通常设方向代号：A为0°方向，B为±45°方向，C为90°方向，E为任意角度方向。）。理论上，蜂窝夹芯结构纤维铺层方向单侧对称，对提高结构件的刚度、面内稳定性有一定的帮助，并能减小相邻铺层间的应力，预防树脂基过早产生撕裂、分层等缺陷。但考虑到本零件产品蜂窝上下表面的铺层数量均较少，更改单层纤维的铺层方向可能对结构件成型效果有一定的影响。
3 影响复合材料夹芯结构变形的验证试验
此前，无明显证据能证明紧贴蜂窝处一层碳纤维的铺层方向由0°改为±45°会对夹芯结构的变形情况有影响，故需提试验件验证恢复铺层方向为后，检验其变形量是否会减小或消失。
3.1 试验方案
新制平板试验件两件，为保证对比试验的可参考性，两件试验件除平板上表面紧贴蜂窝处碳纤维的铺层方向一处更改外，其余均按原图要求加工，并将两件试验件同时至于同一热压罐中固化加工，保证工艺方法完全一致。
3.2 试验结果
在不改变工艺方法的情况下，按BAA铺层方向的新制试验件的变形情况较轻微，在最长边 （1920mm）处翘起变形不大于3mm。而按BAB铺层方向的新制试验件仍存在一定程度上的变形，在最长边方向翘起大于10mm。本次试验验证了改变单层纤维方向，会对蜂窝加芯结构件成型有一定的影响。
3.3 解决方法
故参照试验结果，调整现有复合材料蜂窝夹芯结构平板的纤维铺层方向，恢复原铺层形式。
以目前的工艺方法和现有材料，不能完全避免或消除在制造大尺寸复合材料蜂窝夹芯平板结构时发生的翘曲情况，并且在最大长度尺寸方向上的微量翘曲并不影响使用，故应规定此类产品的验收原则。参考国外此类零件的验收技术条件，更改现有验收技术条件，并规定检验时在产品连接点上施加85N集中力后，测量检验平台与平板间的间隙，间隙不得超出0.75mm，否则予以报废。
4 复合材料夹芯结构变形分析
4.1 变形原因分析
此次试验不足以说明一层纤维的铺层方向是决定复合材料蜂窝夹芯结构平板的唯一变形原因，只能说明它可能对结构变形有影响。
优化结构设计方案、制订正确的成型工艺、加强操作过程中质量控制、减少蜂窝夹芯结构产品的缺陷与损伤，是有效防止蜂窝夹芯结构变形的方法。复合材料蜂窝夹芯结构变形的可能原因有很多，我们仅从产品设计和工艺方法的角度分析对变形影响的可能因素：
（1）蜂窝缺陷。
蜂窝提供给复合材料面板一个横向支撑，避免面板的局部失稳，而蜂窝的材质、高度、密度、截面形状等又对蜂窝性能有一定的影响。蜂窝是一种薄壁、有弹性、可机械加工的结构，其所承受拉、压载荷过大是会发生褶皱、撕裂、塌陷等变形缺陷，而蜂窝厚度偏厚、蜂窝空隙偏大、蜂窝切角角度偏小等也会造成蜂窝变形。通常，复合材料蜂窝夹层平板结构为蜂窝下陷形式，蜂窝切角预成型后尺寸不稳定同样会造成蜂窝缺陷，因此简化蜂窝设计，合理选择蜂窝材质、高度、密度、截面形状、增加过渡区，也可有效减少蜂窝发生缺陷的可能性。
（2）铺层形式。
经验证，蜂窝夹芯结构的上、下表面的纤维铺层方向对其结构成型效果有一定的影响。非对称形式的纤维铺层方式使蜂窝夹芯上、下表面受力不一致，可能造成结构件在固化成型后产生变形。 （3）湿热变形。
湿热变形同样是影响复合材料结构变形的因素之一，树脂基材料一般是低、中、高温固化，常温使用。树脂基体易于吸湿，可改变材料的含胶量。这种温度变化和材料含胶量的变化都可能引起复合材料结构件发生湿热变形。
（4）工艺方法。
典型的固化成型方法包括一次共固化和二次共固化两种方式。一次共固化是指蜂窝夹芯结构中的内、外面板和蜂窝一次共固化成型。二次共固化是指蜂窝加芯结构中的内、外面板分别固化成型后，再与蜂窝共固化成型。内、外面板分别固化后变形较大，与蜂窝共固化时对变形略有抑制作用。相对比，二次固化对树脂基材料性能影响较大，加速树脂基材料的老化，并对夹芯结构变形没有明显的抑制作用。因此，除复杂结构的复合材料零、组件不得不用二次固化的情况外，一般不推荐使用二次固化成型。
4.2 复合材料夹芯结构设计要求
针对以上几种对变形影响的因素，我们总结出在设计复合材料蜂窝夹芯结构零件时应遵循以下建议：
（1）选择合适的蜂窝材料，并严控零、组件制造质量。
（2）蜂窝夹芯结构的内、外面板应采用对称形式，并应保证各自对称或半对称。
（3）成型方法优先采用一次共固化成型。
（4）充分考慮工艺分散性对成型结构的影响。
5 结语
根据以上设计要求，设计复合材料蜂窝夹芯结构件的结构形式，可有效防止蜂窝夹芯结构件因设计原因产生的变形。
如以上方法仍然不能有效的控制夹芯结构的形变情况，可考虑更换夹芯结构形式，以新型夹芯结构替代原有正多边形蜂窝夹芯结构，如可替换的夹芯结构有不锈钢点阵夹芯结构、金字塔点阵夹芯结构、沙漏型点阵夹芯结构和多层沙漏型点阵夹芯结构，均能有效抑制复合材料夹芯结构的形变情况。
参考文献
[1] 中国航空研究所.复合材料结构设计手册[M].北京：航空工业出版社，2001.
[2] 朱银垂，朱金荣.大型复合材料蜂窝夹层结构变形控制设计[A].第十四集全国复合材料学术会议[C].2006.
[3] 台元月，卞航，李春林，等.复杂曲面夹层结构复合材料制件成型工艺研究[J].科技创新与应用，2016（28）：15-16.
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