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PMI泡沫填充A形加筋条结构的应用作者：胡培的博客??发表于：2010-01-11 10:50:41??点击：345?复材在线原创文章，转载请注明出处摘要?????文章在介绍夹层结构和加筋条结构的基础上，在阐述泡沫填充A形加筋条结构的设计、应用和工艺的同时，介绍了目前国外的应用实例。最后，利用计算机模拟，比较了空心A形加筋条和PMI泡沫填充A形加筋条的局部稳定性。PMI泡沫的双重功用，作为芯模的同时，也是夹层结构的结构单元，降低成本，减轻结构的重量。关键词 夹层结构，泡沫，加筋条，复合材料一、夹层结构????在飞机设计中要求设计的构件尽可能轻而不损失强度是对设计人员的最大挑战，这就要求所设计的薄壁结构在承受拉、压及剪切载荷的综合作用下不失稳。过去传统的飞机结构设计方法仍在一些范围内使用，通过用长桁和肋/框组成纵、横向加强件来提高板的稳定性。实际上，某些次结构也可以使用夹层结构设计来满足强度、刚度要求。夹层结构的夹芯通常采用蜂窝或泡沫芯材。????对结构高度大的翼面结构，蒙皮壁板（尤其是上翼面壁板）采用夹层结构代替蜂窝板能明显减轻重量，对于结构高度小的翼面结构（尤其是操纵面），采用全高度夹层结构代替梁肋式结构也能带来明显的减重效果。夹层结构最大的优点是具有较大的弯曲刚度和强度。????飞机的复合材料夹层结构通常采用先进复合材料做面板，其夹芯为轻质材料。夹层结构的弯曲刚度性能主要取决于面板的性能和两层面板之间的高度，高度越大其弯曲刚度就越大。夹层结构的夹芯主要承受剪应力并支持面板不失去稳定性，通常这类结构的剪力较小。选择轻质材料作为夹芯，可较大幅度地减轻构件的重量。图1是 A320飞机全高度泡沫夹层结构扰流板样件，图2是Gulfstream G150泡沫夹层结构翼身整流罩。当然，对于面板很薄的夹层结构，还应考虑抗冲击载荷的能力，所以面板的最小厚度必须满足一定的条件。此外，夹层结构的使用经验还表明：在从成本方面评估夹层结构时，不仅要考虑制造成本，还必须考虑飞机使用期的全寿命成本。图1：? A 320飞机扰流板样件图2：夹层结构整流罩二、加筋条结构????采用加筋条也是一种加强薄壁碳纤维/环氧壁板的最有效途径，例如发动机进气口侧板或发动机短舱的侧板、机翼和尾梁的蒙皮等。使用加筋条可以最有效的提高结构刚度和稳定性[1]。 图3：常见的各种加筋条剖面三、泡沫填充A形加筋条结构????美国NASA和欧洲空中客车公司，在多年使用夹层结构和加筋条结构的基础上，最近提出了一种泡沫填充加筋条的结构方案，最大程度上优化结构设计和制造工艺，例如AIRBUS A380的气密舱的球面框等。????PMI泡沫：PMI (Polymethacrylimide，聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫在进行适当的高温处理后，能承受高温的复合材料固化工艺要求，这样使得PMI泡沫在航空领域得到了广泛的应用。中等密度的PMI泡沫具有很好的压缩蠕变性能，可以在120oC -180oC温度、0.3-0.5MPa的压力下热压罐固化。PMI泡沫能满足通常的预浸料固化工艺的蠕变性能要求，可以实现夹层结构的共固化。作为航空材料的PMI泡沫是一种均匀的刚性闭孔泡沫，孔隙大小基本一致。PMI泡沫也能满足FST要求。泡沫夹层结构与NOMEX?蜂窝夹层结构比较的另一个特点是其抗吸湿性好得多，由于泡沫是闭孔的，湿气和水分很难进入到夹芯里面去。虽然NOMEX?蜂窝夹层结构也能实现共固化，但是会降低复合材料面板的强度。为了避免在共固化过程中，蜂窝发生芯材压溃或侧移，通常固化压力为0.28-0.35 MPa，而不是通常层压板的0.69MPa。这样会导致复合材料面板的孔隙率偏高。另外，因为蜂窝结构的孔隙直径较大，只在蜂窝壁位置才对蒙皮有所支撑，这样会导致纤维产生弯曲，导致复合材料蒙皮层板的强度降低。如图4所示。图4：复合材料蜂窝夹层结构共固化后，纤维的弯曲示意图????综合上面对蜂窝和泡沫芯材的对比，通常选择泡沫材料作为A形加筋条结构的填充芯材，在用作芯模的同时，充当A 型加筋条的结构芯材，既是结构材料，也是工艺辅助材料，如图5所示。图5：泡沫填充复合材料A筋条结构????PMI泡沫作为夹层结构泡沫芯材已经在各种飞机结构中成功地应用，其中一个最突出的应用是在波音 MD 11飞机尾部的发动机进气口侧板（图6）。泡沫的CNC 精确加工和热成型大大降低了铺层成本。高性能PMI泡沫芯材在固化过程中具有很好的耐压缩蠕变性能，使面板压实，消除表面凹凸不平。和蜂窝芯相比，在热压罐固化过程中，PMI泡沫各向同性的孔隙结构还能满足侧压下的尺寸稳定性的要求，不同于蜂窝结构，无需用泡沫胶填充。另外，泡沫还能将热压罐的压力均匀的传递给泡沫下方面板的铺层，使其压实，没有压痕等表面缺陷。泡沫填充A 型加筋条结构形式可以应用在例如雷达发射面，发