1. Sandwichstructuur
Bij het ontwerpen van vliegtuigen is het de grootste uitdaging voor ontwerpers om te eisen dat de ontworpen componenten zo licht mogelijk zijn zonder aan kracht in te boeten. Dit vereist dat de dunwandige constructie zodanig is ontworpen dat deze stabiel is onder de gecombineerde werking van trek-, druk- en schuifbelastingen. In het verleden werden in sommige gebieden nog traditionele methoden voor het ontwerpen van vliegtuigconstructies gebruikt. Lange spanten en ribben/frames worden gebruikt om longitudinale en laterale versterkingen te vormen om de stabiliteit van de plank te verbeteren. Sommige secundaire constructies kunnen zelfs worden ontworpen met sandwichconstructies om te voldoen aan de vereisten voor sterkte en stijfheid. De sandwichstructuur gebruikt meestal honingraat- of schuimkernmateriaal.
Voor aërodynamische constructies met grote structurele hoogten kunnen huidpanelen (vooral bovenste aërodynamische panelen) die sandwichconstructies gebruiken in plaats van honingraatpanelen het gewicht aanzienlijk verminderen. Voor aërodynamische constructies met kleine structurele hoogten (vooral stuurvlakken), volledige hoogte De sandwichconstructie in plaats van de balkribconstructie kan ook aanzienlijke gewichtsverminderingseffecten opleveren. Het grootste voordeel van een sandwichstructuur is dat deze een grotere buigstijfheid en sterkte heeft.
De composiet sandwichstructuur van vliegtuigen gebruikt meestal geavanceerde composietmaterialen als panelen en de sandwichkern is gemaakt van lichtgewicht materialen. De buigstijfheidsprestaties van de sandwichstructuur hangen voornamelijk af van de prestaties van het paneel en de hoogte tussen de twee lagen panelen. Hoe groter de hoogte, hoe groter de buigstijfheid. De sandwichkern van de sandwichstructuur is voornamelijk bestand tegen schuifspanningen en ondersteunt het paneel zonder zijn stabiliteit te verliezen. Gewoonlijk is de afschuifkracht van dit type structuur klein. Het kiezen van lichtgewicht materialen als sandwichkern kan het gewicht van de componenten aanzienlijk verminderen. Bovendien leert de ervaring met het gebruik van de sandwichstructuur ook dat bij het evalueren van de sandwichstructuur vanuit het kostenaspect niet alleen de fabricagekosten in aanmerking moeten worden genomen, maar ook de levensduurkosten van het vliegtuig.
2. Versterkte stripstructuur
Het gebruik van verstijvers is ook de meest effectieve manier om dunwandige koolstofvezel/epoxypanelen te versterken, zoals de zijpanelen van de motorinlaat of gondel, de huid van de vleugels en de staartboom, enz. Het gebruik van ribben kan het meest effectief de stijfheid en stabiliteit van de structuur verbeteren.
3. Met schuim gevulde A-vormige ribstructuur
Amerikaanse NASA en Europese Airbus, gebaseerd op het gebruik van sandwichconstructies en verstijfde strips gedurende vele jaren, hebben onlangs een met schuim gevulde verstijfde stripstructuur voorgesteld om het structurele ontwerp en fabricageproces zoveel mogelijk te optimaliseren, zoals de AIRBUS A380 Het bolvormige frame van de luchtdichte cabine enz.
PMI-schuim: PMI-schuim (polymethacrylimide, polymethacrylimide) is bestand tegen de vereisten voor het uithardingsproces van composietmateriaal bij hoge temperaturen na een geschikte behandeling bij hoge temperatuur, waardoor PMI-schuim veel wordt gebruikt in de luchtvaart. PMI-schuim met gemiddelde dichtheid heeft goede compressie-kruipeigenschappen en kan worden geautoclaveerd bij een temperatuur van 120oC -180oC en een druk van 0,3-0,5 MPa. PMI-schuim kan voldoen aan de kruipprestatie-eisen van het gebruikelijke prepreg-uithardingsproces en kan de co-uitharding van de sandwichstructuur realiseren. Als ruimtevaartmateriaal is PMI-schuim een uniform hard schuim met gesloten cellen met in wezen dezelfde poriegrootte. PMI-schuim kan ook voldoen aan de FST-vereisten. Een ander kenmerk van de schuimsandwichstructuur in vergelijking met de NOMEX® honingraatsandwichstructuur is dat de vochtbestendigheid veel beter is. Doordat het schuim een gesloten celstructuur heeft, kan vocht en vocht moeilijk de sandwichkern binnendringen. Hoewel de NOMEX® honingraatsandwichstructuur ook co-cured kan worden, zal dit de sterkte van de composietplaat verminderen. Om te voorkomen dat het kernmateriaal instort of zijwaarts verschuift tijdens het co-uithardingsproces, is de uithardingsdruk gewoonlijk 0,28-0,35 MPa in plaats van 0,69 MPa van het gebruikelijke laminaat. Hierdoor zal de porositeit van de composietplaat hoger zijn. Omdat de poriediameter van de honingraatstructuur groot is, wordt de huid bovendien alleen ondersteund door de honingraatwand, waardoor de vezels buigen en de sterkte van het samengestelde huidlaminaat afneemt.
Op basis van de vergelijking tussen honingraat- en schuimkernmateriaal wordt meestal schuimmateriaal gekozen als vulkernmateriaal van de A-vormige ribstructuur. Bij gebruik als kernmal dient het als het structurele kernmateriaal van de A-vormige ribbe. , Is ook een proces hulpmateriaal.
PMI-schuim is met succes gebruikt als schuimkernmateriaal met sandwichstructuur in verschillende vliegtuigconstructies. Een van de meest prominente toepassingen is het zijpaneel van de motorluchtinlaat aan de achterkant van het Boeing MD 11-vliegtuig. De CNC-precisiebewerking en thermovorming van het schuim vermindert de legkosten aanzienlijk. Het hoogwaardige PMI-schuimkernmateriaal heeft een goede compressie- en kruipweerstand tijdens het uithardingsproces, zodat het paneel wordt verdicht en het oppervlak oneffen is. Vergeleken met de honingraatkern kan de isotrope poriestructuur van PMI-schuim ook voldoen aan de eisen van vormvastheid onder zijdelingse druk tijdens het uithardingsproces van de autoclaaf. In tegenstelling tot de honingraatstructuur hoeft deze niet gevuld te worden met schuim. Bovendien kan het schuim de druk van de autoclaaf gelijkmatig overbrengen op de laag van het paneel onder het schuim, waardoor het compact wordt, zonder oppervlaktedefecten zoals indrukkingen. De met schuim gevulde A-type verstijfde stripstructuur kan worden toegepast op componenten zoals radarlanceeroppervlakken, gondelwanden, romphuiden en verticale stabilisatoren.
4.De nieuwste toepassing van schuimvulling Een verstijfde stripstructuur
Met schuim gevulde ribben zijn de nieuwste toepassingen in de achterste drukframestructuur van Airbus A340 en A340-600. Tot nu toe zijn bijna 1.700 ROHACELL® 71 WF-HT gethermoformeerd en bewerkt door CNC geleverd aan de Airbus Stade-fabriek in de buurt van Hamburg voor gebruik door A340. Tijdens het opleg- en uithardingsproces fungeert het gevormde schuim als een kernmal. Tijdens het uitharden heeft PMI-schuim een goede kruipweerstand en vormvastheid, zodat onder uithardingsomstandigheden van 180oC, 0,35 MPa en 2 uur het co-uithardingsproces met sandwichstructuur wordt toegepast om de kosten te verlagen. PMI-schuim kan ervoor zorgen dat de prepreg rond de ribben volledig wordt verdicht, wat een goede vervanging kan zijn voor het gereedschap voor opblaasbare airbags, waardoor een reeks problemen wordt vermeden, zoals het gebruik van opblaasbare airbags die meervoudig moeten worden uitgehard. Tot nu toe zijn er met succes meer dan 170 achterdrukframes vervaardigd en is er geen afvalproduct. Dit bewijst ook de betrouwbaarheid en haalbaarheid van het PMI-schuimversterkingsstripproces.
Gebaseerd op het succes van het nieuwe A340-drukframe aan de achterkant met behulp van de PMI-schuimgevulde ribstructuur, maakt het A380-drukframe aan de achterkant ook gebruik van deze technologie. In de A380-structuur zijn de schuimribben 2,5 m lang en is de geometrie relatief ingewikkelder. PMI-schuimverwerking en thermovormen zijn eenvoudiger, wat ook de sleutel is tot de realisatie van schuimvulribben. Op dit moment zijn er 200 stuks verwerkte schuimribben geleverd aan de Airbus Stade-fabriek voor AIRBUS A 380-gebruik.
5. Structurele analyse van met schuim gevulde A verstijfde stripstructuur
Het volgende voorbeeld bespreekt de haalbaarheid van PMI-schuimkernmateriaal om kosten- en gewichtsoptimalisatie te bereiken en te voldoen aan dubbele vereisten bij de toepassing van A-vormige ribben. Hier zal worden besproken dat het schuimkernmateriaal niet alleen kan worden gebruikt als kernvorm in het proces van leggen en uitharden, maar ook een bepaalde structurele rol kan spelen in de ribben. Vanwege de hoge druksterkte van schuim kan het de stabiliteit van de structuur verbeteren, de prepreg-laag in de sandwichstructuur verminderen en het doel van gewichtsvermindering bereiken.
Onder invloed van buiging en axiale druk ondergaat de dunwandige composietstructuur vaak een stabiel falen. Instabiliteitsfalen treedt altijd op bij het samendrukkende deel voordat het materiaal de drukbezwijksterkte bereikt. Een zeer volwassen en effectieve manier is om de verstevigingsribben aan de schaalstructuur te hechten om het anti-instabiliteitsvermogen van de schaalstructuur te verbeteren. De zijwanden en convexe randen van de holle A-vormige geribbelde structuur zijn vatbaar voor instabiliteit, wat leidt tot voortijdig falen van de structuur.
Vergeleken met holle A-vormige ribben, in PMI-schuimgevulde ribben, dient het schuimkernmateriaal niet alleen als kernvorm tijdens het fabricageproces, maar dient het ook als structureel materiaal om de anti-instabiliteitsprestaties te verbeteren; Zorg ervoor dat u de vorm en sterkte van de structuur behoudt. De druksterkte in het vlak van de met schuim gevulde A-versterkte strook wordt vergeleken met die van de holversterkte strook. Wanneer de constructie initiële instabiliteit ondergaat, neemt de instabiliteitsbelasting toe met ongeveer 100%. Het kernmateriaal draagt voornamelijk de trek- en drukspanningen loodrecht op het zijoppervlak van de ribben om voortijdig falen van de structuur te voorkomen voordat het koolstofvezel/epoxycomposietpaneel zijn rekgrens bereikt.
6. Conclusie
Het gebruik van PMI-schuimkern kan worden gebruikt als kernmal om A-vormige ribben te vervaardigen, wat de kosten van het leggen en uitharden van componenten aanzienlijk kan verlagen. De prepreg kan eenvoudig op de schuimkernvorm worden gelegd. De isotrope lege structuur van PMI-schuim en de goede compressie- en kruipweerstand tijdens de uithardingscyclus in de autoclaaf maken het mogelijk om het co-uithardingsproces in één stap te realiseren. We kunnen ook concluderen dat het gebruik van PMI-schuim gevuld met A-vormige verstevigingsribben de anti-instabiliteitsprestaties van dunwandige koolstofvezel/epoxystructuren aanzienlijk kan verbeteren. Het gebruik van verstijvers kan de bezwijksterkte met ongeveer 30% verhogen en de bezwijksterkte bij instabiliteit met ongeveer 100%.
