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CFRP帽型加筋壁板薄壁芯模辅助热压共固化成型技术研究

谢平平  
【摘要】:碳纤维增强复合材料(CFRP)作为一种性能优异的新型材料,具有其高比模、高比强、耐腐蚀、耐高温、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、可设计性和多功能一体化等一系列优点,CFRP帽型加筋结构因具有结构稳定性好、传递周向载荷效率相对较高和屈曲强度高等优点,在新型飞机的曲面结构中得到大量的应用。在帽型加筋壁板的热压罐成型制造工艺中,共固化成型工艺因入罐次数少,极大降低了成本;且共固化也不需要胶接胶黏剂,界面力学性能好,制件重量轻,变形小,这对于对重量大和外形尺寸要求精确的大型客机承重力结构,具有相当大的优势。针对过去帽型加筋壁板共固化方案中,真空袋芯模易在成型过程中发生真空袋破损、褶皱造成表面质量不好;金属芯模在曲面的壳型件成型应用中常常出现脱模困难的问题;水溶性芯模本身易在实验过程中出现破损现象;带预制孔硅胶芯模在压力传递过程中,无法保证压力均匀性问题。本文提出了基于薄壁硅胶气囊芯模辅助热压罐共固化成型碳纤维增强树脂基复合材料帽型加筋壁板的新工艺。文章通过建立热压罐共固化CFRP帽型加筋壁板的热-力-流动多场耦合的数学模型,并基于COMSOL Multiphysics有限元软件对薄壁硅胶气囊芯模辅助成型帽型加筋壁板的热压罐共固化过程进行了建模。根据材料特性、固化度建立了热压工艺曲线,通过有限元模拟仿真研究了不同壁厚的硅胶气囊芯模,不同框架模具对制件压力及壁厚的影响。分析得到新工艺制造过程中制件的压力与壁厚都比较均匀,且1mm壁厚的硅橡胶与帽型框架的成型效果相对较好。通过对热压罐共固化实验成型制件的检测,验证了有限元模型的正确性。并结合制件界面结合的力学拉伸实验检测结果,研究了不同壁厚的硅胶气囊芯模和不同框架模具对帽型长桁与蒙皮之间的力学性能的影响。结果显示1mm壁厚的硅橡胶与帽型框架的界面强度效果很好。综上所述,经过帽型加筋壁板制件的成型质量研究说明基于硅胶气囊芯模辅助CFRP帽型加筋壁板的热压罐共固化成型的新工艺是可行的。


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