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2022-07-07 14:14:15 新乐    

用于提高盒段整体结构拉伸强度的增强芯材

用于提高盒段整体结构拉伸强度的增强芯材 2011年12月12日 来源: 近年来,为了发挥复合材料优势,提高结构效率和降低成本,飞行器复合材料结构越来越倾向于整体化,复合材料整体结构分为壁板整体结构和盒段整体结构。长桁与蒙皮之间不采用紧固件机械连接而是采用共固化、共胶接或胶接的界面称为壁板整体结构。腹板与蒙皮之间不用紧固件机械连接而采用共固化、共胶接或胶接的界面称之为盒段整体结构。而盒段整体结构的T型或π型接头沿腹板方向的拉伸强度低是其弱点之一,迄今为止,提高T型或π型接头沿腹板方向的拉伸强度仍然是盒段整体结构工程应用必须解决的难题。T型或π型接头拉伸载荷承受破坏特点盒段整体结构T型接头由蒙皮、T型元件及填充材料组成,π型接头由蒙皮、π型元件、腹板及填充材料组成,当其承受沿腹板方向拉伸载荷时填充区是接头的最薄弱环节,接头首先从填充区的边缘分层破坏,并逐渐扩展,最后导致接头承载能力显著下降,填充区的应力-应变状况非常复杂。提高接头拉伸强度的手段影响盒段整体结构T型和π型接头拉伸强度的因素主要有接头的结构尺寸、制造工艺以及填充的材料。通过分析T型和π型接头承受拉伸载荷时的破坏模式,并经试验验证,在接头结构尺寸一定的前提下,提高盒段整体结构T型和π型接头拉伸强度的手段主要有以下几种。(1)将蒙皮与T型元件或π型元件缝合在一起的缝合工艺。(2)将蒙皮与T型元件或π型元件用碳针嵌入的Z-pin工艺。(3)将蒙皮与T型元件或π型元件编织为一个整体的编织工艺。(4)提高填充材料的韧性和粘接性能。过去填充区填充的是单向带预浸料,无法满足盒段整体结构T型和π 型接头沿腹板方向拉伸强度的要求。上述方法中,由于缝合和整体编织需采用专用设备,而且只能采用液体成形工艺,另外,还有一个较大的问题是缝合和编织对纤维的损伤较大,影响了盒段整体结构的其他性能指标。Z-pin工艺也需用专用设备,而且Z-pin工艺的嵌入过程较为复杂。提高填充材料的韧性和粘接性能是提高T型和π型接头沿腹板方向拉伸强度的一个非常有效的途径,因为采用这种方法可以继续沿用制造盒段整体结构的成形工艺,而且不会提高制造成本,最重要的是盒段整体结构的其他性能指标也没有损失。

用于提高盒段整体结构拉伸强度的增强芯材按照上述思路,北京航空制造工程研究所研制了Z X C180、Z X C190 及Z X C195 系列增强芯材,并编制了Z X C180、Z X C190 及ZXC195 增强芯材的企业标准,完成了数百件T 型和π 型接头沿腹板方向的拉伸强度试验,试验结果表明,相对于单向带预浸料,增强芯材通过自身韧性的提高,有效地提高了盒段整体结构T 型和π 型接头沿腹板方向的拉伸强度。由此看出,上述系列增强芯材可以广泛应用在采用T 型和π 型接头的飞行器盒段整体结构中。ZXC180、ZXC190 及ZXC195系列增强芯材的固化温度和适用范围见表1,填充该系列增强芯材的T型接头拉伸试验件的拉伸强度均能达到3100M P a 以上( 见表2),其中Z X C180、Z X C190 及Z X C195 增强芯材的应用请参照Q /9S 172-2009 标准(北京航空制造工程研究所企业标准),上述系列增强芯材的材料组成、构成、制备及添加工艺已经申请了发明专利(专利号为200810172473.4)。

结束语ZXC180、ZXC190、ZXC195 增强芯材可以应用于飞行器复合材料整体结构上,使整体结构填充区的材料制备更规范化,有效改善了整体结构填充区填充材料的韧性,显著提高了复合材料盒段整体结构的承载能力。(end)

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