两种复合材料加筋壁板筋条“R”区质量控制技术研究

李 义，叶宏军，翟全胜

（中航复合材料有限责任公司；中航工业复合材料技术中心，北京 101300）

复合材料具有比强度高、比刚度大、可设计性强、抗疲劳损伤性能优异以及耐腐蚀性好等优点，成为航空航天领域重要的轻量化结构材料，已广泛应用于飞机的机翼壁板、平尾、垂尾、机身、舱门等零部件结构中，其用量已经成为衡量航空飞行器先进性的重要指标之一[1-4]。加筋壁板结构是一种典型的航空复合材料面板结构基本形式，已应用在翼面和机身等部位，筋条对蒙皮的刚性方面有很大程度的增强，目前加筋壁板主要采用胶接共固化的成型工艺，在筋条胶接过程中，筋条R区容易产生分层、孔隙等缺陷。然而，R区是筋条承载的应力集中区，裂纹容易扩展，且后续无法进行补强，因此R区质量好坏对加筋壁板起着至关重要的作用。本文针对目前飞机上结构复合材料产品应用较多的两类典型加筋结构，通过成型模具方案及相关工艺参数的优化，逐步解决了R区容易出现的质量问题，为后续类似结构复合材料产品的研制提供参考。

1 加筋结构分类及缺陷介绍

根据目前飞机上结构复合材料的结构特点，本文主要讨论两类结构，第一类为“T”形加筋结构，主要应用于尾翼、机身、机翼等结构中；第二类为“Ω”形加筋结构，主要应用于舱门、机身等结构上。两类结构如图1所示。

图1 加筋结构形式分类

本文所规定的R区包括筋条下R角、填充区及填充区胶膜，如图2所示，加筋壁板在胶接共固化过程中，其R区质量较难控制，容易产生一系列缺陷，主要体现为R角分层、孔隙，无损检测上表现为出现同一深度的信号波或不同深度的杂波；填充区与蒙皮脱粘或弱粘，无损检测表现为胶膜层反射波信号有一定程度的增加；填充区出现孔隙，无损检测表现为远离胶膜层厚度处出现反射波信号。

图2 “R”区示意图

图3 “T”形加筋

填充区理论填充料计算方式如下：

式（1）中：W为填充区所填预浸料宽度，mm；h为单层预浸料厚度，mm。

2 成型工艺及解决措施

2.1 “T”形加筋

“T”形加筋是一种较为常见的加筋结构形式，在成型过程中起加压方式比较简单，一般为保证筋条的外观质量，筋条两侧的成型模具都采用钢制模具，而且模具刚性越大，越有利于筋条R区预浸料及填充区的压实。“T”形加筋R区在加压过程中首先依靠刚性模具挤压R角，其次通过R角将压力传递给填充区，最后通过填充区压实胶膜，因此在这个过程中填充区起着压力传递的作用，为保证R区的内部质量，必须对填充区的填料进行定量化。本文分别采用了4种不同填充量的单向预浸料进行填充试验，然后对4种填充效果的筋条进行了超声A扫检测及厚度检测，结果如表1所示。

在本试验中，对每一种填充量的结果都进行了一个批次的筋条验证，当填充量/理论值为100%时，经超声A扫发现某些筋条从底部检测时，胶膜层后面出现一个反射波，且胶膜层自身反射波有一定的降低。把该位置处的试样经处理后在金相显微镜下观察，填充区出现大量的孔隙，见图4；同时从R角方向探测下R角时，发现某些筋条下R角出现比较高的缺陷反射波，在金相显微镜下此处R角出现分层，见图5，这主要是由于填充区填料不够，导致传递给填充区及下R角的压力不足，使填充区出现孔隙或下R角出现分层。

表1 不同填充量填充效果分析

图4 填充区超声A扫及金相显微缺陷图

图5 下R角超声A扫及金相显微缺陷图

当填充量/理论值为105%时，筋条R区内部质量合格，且筋条立边厚度在理论范围值内。当填充量/理论值为110%时，筋条R区内部质量合格，但筋条立边厚度超厚，这主要是由于填充料过量，被挤压至立边中，导致立边厚度超差。当填充量/理论值为115%时，发现某些筋条出现立边分层，某些筋条立边或下缘条出现孔隙，这主要是由于当填充料过量时，筋条R角尺寸会大于理论值，造成与筋条模具R角不匹配，在成型过程中会导致筋条成型模发生逆时针或顺时针偏转。当成型模逆时针偏转时，造成下缘条压力不够，出现孔隙；当成型模顺时针偏转时，造成筋条立边压力不够，出现孔隙，见图6、图7.

2.2 “Ω”形加筋

“Ω”形加筋壁板由于稳定性好，传递周向载荷效率高，越来越多地应用于机身结构及舱门中。“Ω”形加筋壁板在后期装配时一般帽型材要与跨过筋条的金属横梁进行装配，因此对帽型材外形要求较高，需采用阴模成型方法。“Ω”形加筋壁板一般由帽型筋、附加层、填充区组成，采用内套真空袋的方法成型，从图8中可以看到，帽型材R角加压较为复杂，需由真空袋对附加层加压，然后由附加层对填充区加压，最后由填充区将帽型材R区压实，在压实过程中，附加层能否滑移起着较为重要的影响。

图6 筋条模具翻转

图7 筋条立边或下缘条超声A扫及金相显微缺陷

图8 “Ω”形加筋成型方法

为减少附加层的滑移，使压力能最大传递至帽型材R区，采用了图9所示的成型工艺路线，将帽型材与填充料先预压至理论厚度，然后安放附加层及胶接组装，同时为增强R区的压力传递效果，在真空袋与附加层之间增加一层AirPad软模，采用上述方法制造的帽型材经无损检测合格。改进后的“Ω”形加筋成型方法如图10所示。

3 结论

经论述，得出以下结论：①填充量对“T”形加筋壁板R区质量影响较为关键，当填充量/理论值为105%时，筋条R区内部质量与立边厚度都合格；②通过对帽型材及填充料进行合理的预压实，减少附加层的滑移，同时通过软模提高帽型材的传压效率，可避免帽型材R区分层缺陷的产生。

图9 工艺路线

图10 改进后的“Ω”形加筋成型方法

［1］赵渠森.先进复合材料手册［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［2］航空航天工业部科学技术研究院.复合材料设计手册［M］.北京：航空工业出版社，1990.

［3］陈绍杰.大型飞机与复合材料［J］.航空制造技术，2016（15）：32-37.

［4］曾安民.一种新型高温宽频透波天线罩结构设计［J］.科技与创新，2018（4）：145-146.