1. Struktura kanapkowa
W projektowaniu samolotów największym wyzwaniem dla projektantów jest wymaganie, aby projektowane komponenty były jak najlżejsze bez utraty wytrzymałości. Wymaga to zaprojektowania cienkościennej konstrukcji tak, aby była stabilna przy połączonym działaniu obciążeń rozciągających, ściskających i ścinających. W przeszłości w niektórych obszarach nadal stosowano tradycyjne metody projektowania konstrukcji samolotów. Długie kratownice i żebra/ramy służą do formowania podłużnych i bocznych wzmocnień poprawiających stabilność deski. W rzeczywistości niektóre konstrukcje drugorzędne można również zaprojektować ze strukturami warstwowymi, aby spełnić wymagania dotyczące wytrzymałości i sztywności. Struktura warstwowa zwykle przyjmuje materiał rdzenia o strukturze plastra miodu lub pianki.
W przypadku konstrukcji płata o dużych wysokościach konstrukcyjnych panele poszycia (zwłaszcza panele górnego płata) wykorzystujące struktury warstwowe zamiast paneli o strukturze plastra miodu mogą znacznie zmniejszyć wagę. W przypadku konstrukcji płata o małych wysokościach konstrukcyjnych (zwłaszcza powierzchnie sterowe), pełna wysokość Konstrukcja warstwowa zamiast belkowo-żebrowej może również przynieść znaczne efekty redukcji masy. Największą zaletą struktury warstwowej jest to, że ma ona większą sztywność na zginanie i wytrzymałość.
Kompozytowa struktura warstwowa samolotu zwykle wykorzystuje zaawansowane materiały kompozytowe jako panele, a rdzeń warstwowy jest wykonany z lekkich materiałów. Sztywność zginania struktury warstwowej zależy głównie od parametrów płyty i wysokości między dwiema warstwami płyt. Im większa wysokość, tym większa sztywność zginania. Rdzeń warstwowy struktury warstwowej przenosi głównie naprężenia ścinające i podtrzymuje panel bez utraty stabilności. Zwykle siła ścinająca tego typu konstrukcji jest niewielka. Wybór lekkich materiałów na rdzeń warstwowy może znacznie zmniejszyć wagę komponentów. Ponadto doświadczenie w stosowaniu struktury warstwowej pokazuje również, że oceniając konstrukcję warstwową pod kątem kosztów, należy wziąć pod uwagę nie tylko koszt wytworzenia, ale także koszt eksploatacji statku powietrznego.
2. Wzmocniona konstrukcja listwy
Zastosowanie usztywnień jest również najskuteczniejszym sposobem wzmocnienia cienkościennych paneli z włókna węglowego/epoksydowego, takich jak panele boczne wlotu silnika lub gondoli, poszycia skrzydeł i belki ogonowej itp. Zastosowanie żeber może najskuteczniej poprawiają sztywność i stabilność konstrukcji.
3. Wypełniona pianką struktura żeber w kształcie litery A
Amerykańska NASA i europejski Airbus, opierając się na stosowaniu od wielu lat konstrukcji warstwowych i listew usztywnianych, zaproponowały niedawno wypełnioną pianką konstrukcję listew usztywnianych, aby w największym stopniu zoptymalizować konstrukcję konstrukcyjną i proces produkcyjny, taką jak AIRBUS A380. Sferyczna rama szczelnej kabiny itp.
Pianka PMI: pianka PMI (polimetakrylimid, polimetakrylimid) może wytrzymać wymagania procesu utwardzania materiałów kompozytowych w wysokiej temperaturze po odpowiedniej obróbce w wysokiej temperaturze, co sprawia, że pianka PMI jest szeroko stosowana w lotnictwie. Pianka PMI o średniej gęstości ma dobre właściwości pełzania przy ściskaniu i może być autoklawowana w temperaturze 120oC -180oC i ciśnieniu 0,3-0,5MPa. Pianka PMI może spełniać wymagania dotyczące pełzania zwykłego procesu utwardzania prepreg i może realizować współutwardzanie struktury warstwowej. Jako materiał lotniczy, pianka PMI jest jednolitą sztywną pianką o zamkniętych komórkach i zasadniczo tej samej wielkości porów. Pianka PMI może również spełniać wymagania FST. Inną cechą struktury warstwowej z pianki w porównaniu ze strukturą warstwową o strukturze plastra miodu NOMEX® jest znacznie lepsza odporność na wilgoć. Ponieważ pianka jest zamkniętokomórkowa, trudno jest przedostać się wilgoci do rdzenia warstwowego. Chociaż strukturę warstwową o strukturze plastra miodu NOMEX® można również współutwardzać, zmniejszy to wytrzymałość panelu kompozytowego. W celu uniknięcia zapadnięcia się materiału rdzenia lub przesunięcia bocznego podczas procesu współutwardzania, ciśnienie utwardzania wynosi zwykle 0,28-0,35 MPa zamiast 0,69 MPa w przypadku zwykłego laminatu. Spowoduje to zwiększenie porowatości panelu kompozytowego. Ponadto, ponieważ średnica porów struktury plastra miodu jest duża, poszycie opiera się tylko na ściance plastra miodu, co powoduje wyginanie się włókien i zmniejsza wytrzymałość kompozytowego laminatu poszycia.
W oparciu o porównanie materiału rdzenia o strukturze plastra miodu i pianki, materiał piankowy jest zwykle wybierany jako materiał rdzenia wypełniającego struktury żebrowej w kształcie litery A. Gdy jest używany jako rdzeń formy, służy jako strukturalny materiał rdzenia żebra w kształcie litery A. , Jest również pomocniczym materiałem procesowym.
Pianka PMI jest z powodzeniem stosowana jako materiał rdzenia piankowego o strukturze warstwowej w różnych konstrukcjach samolotów. Jednym z najbardziej widocznych zastosowań jest panel boczny wlotu powietrza do silnika z tyłu samolotu Boeing MD 11. Precyzyjna obróbka CNC i termoformowanie pianki znacznie obniżają koszty układania. Wysokowydajny materiał rdzenia z pianki PMI ma dobrą odporność na ściskanie i pełzanie podczas procesu utwardzania, dzięki czemu panel jest zagęszczony, a powierzchnia jest nierówna. W porównaniu z rdzeniem o strukturze plastra miodu, izotropowa struktura porów pianki PMI może również spełniać wymagania stabilności wymiarowej pod naciskiem bocznym podczas procesu utwardzania w autoklawie. W przeciwieństwie do struktury plastra miodu nie musi być wypełniony pianką. Dodatkowo pianka może równomiernie przenosić nacisk autoklawu na warstwę płyty pod pianką, dzięki czemu jest ona zwarta, bez wad powierzchniowych typu wgniecenia. Wypełniona pianką, usztywniona struktura typu A może być stosowana do elementów takich jak powierzchnie startowe radarów, ściany gondoli, poszycia kadłuba i stabilizatory pionowe.
4.Najnowsze zastosowanie wypełnienia piankowego Usztywniona struktura listwowa
Wypełnione pianką żebra to najnowsze zastosowanie w tylnej konstrukcji ramy ciśnieniowej samolotów Airbus A340 i A340-600. Do tej pory prawie 1700 ROHACELL® 71 WF-HT, formowanych termicznie i obrabianych przez CNC, zostało dostarczonych do zakładu Airbus Stade niedaleko Hamburga do użytku w A340. Podczas procesu układania i utwardzania uformowana pianka działa jak rdzeń formy. Podczas utwardzania pianka PMI ma dobrą odporność na pełzanie przy ściskaniu i stabilność wymiarową, dzięki czemu w warunkach utwardzania 180oC, 0,35 MPa i 2 godziny stosuje się proces współutwardzania struktury warstwowej w celu obniżenia kosztów. Pianka PMI może zapewnić całkowite zagęszczenie prepregu wokół żeber, co może być dobrym zamiennikiem narzędzi do nadmuchiwanych poduszek powietrznych, unikając szeregu problemów, takich jak stosowanie nadmuchiwanych poduszek powietrznych, które wymagają wielokrotnego utwardzania. Do tej pory pomyślnie wyprodukowano ponad 170 tylnych ram dociskowych i nie ma żadnych odpadów. Dowodzi to również niezawodności i wykonalności procesu taśm wzmacniających pianką PMI.
Bazując na sukcesie nowej tylnej ramy dociskowej A340 wykorzystującej konstrukcję żebrową wypełnioną pianką PMI, tylna rama dociskowa A380 również wykorzystuje tę technologię. W strukturze A380 żebra piankowe mają długość 2,5 m, a geometria jest stosunkowo bardziej skomplikowana. Przetwarzanie pianki PMI i termoformowanie są łatwiejsze, co jest również kluczem do realizacji projektu żebra wypełniającego piankę. Obecnie do fabryki Airbus Stade dostarczono 200 sztuk przetworzonych żeber piankowych do użytku w AIRBUS A 380.
5. Analiza strukturalna usztywnionej konstrukcji listwowej wypełnionej pianką
Poniższy przykład omawia wykonalność materiału rdzenia z pianki PMI w celu osiągnięcia optymalizacji kosztów i wagi oraz spełnienia podwójnych wymagań w zastosowaniu żeber w kształcie litery A. W tym miejscu zostanie omówione, że piankowy materiał rdzenia może być stosowany nie tylko jako rdzeń formy w procesie układania i utwardzania, ale także może odgrywać pewną rolę konstrukcyjną w żebrach. Ze względu na wysoką wytrzymałość pianki na ściskanie może poprawić stabilność konstrukcji, zmniejszyć warstwę prepregu w strukturze warstwowej i osiągnąć cel redukcji masy.
Cienkościenna struktura kompozytowa pod działaniem zginania i nacisku osiowego często ulega trwałemu uszkodzeniu. Uszkodzenie spowodowane niestabilnością zawsze występuje w części ściskanej, zanim materiał osiągnie wytrzymałość na zniszczenie przy ściskaniu. Bardzo dojrzałym i skutecznym sposobem jest związanie żeber wzmacniających ze strukturą skorupy w celu poprawy zdolności konstrukcji skorupy do przeciwdziałania niestabilności. Ściany boczne i wypukłe krawędzie pustej żebrowanej struktury w kształcie litery A są podatne na niestabilność, co prowadzi do przedwczesnego uszkodzenia konstrukcji.
W porównaniu z wydrążonymi żebrami w kształcie litery A, w żebrach wypełnionych pianką PMI, piankowy materiał rdzenia służy nie tylko jako rdzeń formy podczas procesu produkcyjnego, ale służy również jako materiał konstrukcyjny poprawiający działanie przeciw niestabilności; Wcześniej zachowaj kształt i wytrzymałość konstrukcji. Wytrzymałość na ściskanie w płaszczyźnie wypełnionej pianką taśmy A-zbrojonej jest porównywana z wytrzymałością taśmy wzmocnionej pustymi w środku. Kiedy konstrukcja ulega początkowej niestabilności, obciążenie niestabilne wzrasta o około 100%. Materiał rdzenia przenosi głównie naprężenia rozciągające i ściskające prostopadłe do bocznej powierzchni żeber, aby uniknąć przedwczesnego uszkodzenia konstrukcji, zanim płyta kompozytowa z włókna węglowego i żywicy epoksydowej osiągnie granicę plastyczności.
6. Wniosek
Zastosowanie rdzenia piankowego PMI może być wykorzystane jako rdzeń formy do produkcji żeber w kształcie litery A, co może znacznie obniżyć koszty układania i utwardzania elementów. Prepreg można łatwo ułożyć na formie z rdzeniem piankowym. Izotropowa pusta struktura pianki PMI oraz dobra odporność na ściskanie i pełzanie podczas cyklu utwardzania w autoklawie umożliwiają realizację jednoetapowego procesu współutwardzania. Możemy również stwierdzić, że zastosowanie pianki PMI wypełnionej żebrami wzmacniającymi w kształcie litery A może znacznie poprawić właściwości przeciw niestabilności cienkościennych konstrukcji z włókna węglowego/epoksydowego. Zastosowanie usztywnień może zwiększyć granicę plastyczności o około 30%, a wytrzymałość na zniszczenie niestabilności o około 100%.
