1. Structura sandwich
În proiectarea aeronavelor, cea mai mare provocare pentru proiectanți este să solicite componentelor proiectate să fie cât mai ușoare posibil, fără a pierde din forță. Acest lucru necesită ca structura cu pereți subțiri să fie proiectată pentru a fi stabilă sub acțiunea combinată a sarcinilor de tracțiune, compresiune și forfecare. În trecut, metodele tradiționale de proiectare a structurii aeronavei sunt încă utilizate în unele zone. Fermele lungi și nervurile/cadrele sunt folosite pentru a forma întăriri longitudinale și laterale pentru a îmbunătăți stabilitatea plăcii. De fapt, unele structuri secundare pot fi proiectate și cu structuri sandwich pentru a îndeplini cerințele de rezistență și rigiditate. Structura sandvișului adoptă, de obicei, material de miez tip fagure sau spumă.

Pentru structurile cu profil aerodinamic cu înălțimi structurale mari, panourile de piele (în special panourile superioare ale profilului aerodinamic) care folosesc structuri sandwich în loc de panouri tip fagure pot reduce semnificativ greutatea. Pentru structuri cu profil aerodinamic cu înălțimi structurale mici (în special suprafețe de control), înălțime completă Structura sandwich în locul structurii nervurii grinzii poate aduce și efecte semnificative de reducere a greutății. Cel mai mare avantaj al structurii sandwich este că are o rigiditate și o rezistență mai mare la încovoiere.

Structura compozită sandwich a aeronavei utilizează de obicei materiale compozite avansate ca panouri, iar miezul sandwich este realizat din materiale ușoare. Performanța rigidității la încovoiere a structurii sandwich depinde în principal de performanța panoului și de înălțimea dintre cele două straturi de panouri. Cu cât este mai mare înălțimea, cu atât este mai mare rigiditatea la încovoiere. Miezul sandwich al structurii sandwich suportă în principal efort de forfecare și susține panoul fără a-și pierde stabilitatea. De obicei, forța tăietoare a acestui tip de structură este mică. Alegerea materialelor ușoare ca miez sandwich poate reduce foarte mult greutatea componentelor. În plus, experiența utilizării structurii sandwich mai arată că atunci când se evaluează structura sandwich din punct de vedere al costului, trebuie luat în considerare nu numai costul de fabricație, ci și costul pe durata de viață a aeronavei.

2. Structură de bandă întărită
Utilizarea rigidizărilor este, de asemenea, cea mai eficientă modalitate de a întări panourile din fibră de carbon/epoxidice cu pereți subțiri, cum ar fi panourile laterale ale admisiei motorului sau ale nacelei, pielea aripilor și a brațului de coadă etc. Utilizarea nervurilor poate îmbunătățește cel mai eficient rigiditatea și stabilitatea structurii.

3. Structura nervură în formă de A umplută cu spumă
NASA americană și Airbusul european, pe baza utilizării structurilor sandwich și a benzilor rigidizate de mulți ani, au propus recent o structură de bandă rigidizată umplută cu spumă pentru a optimiza în cea mai mare măsură proiectarea structurală și procesul de fabricație, cum ar fi AIRBUS A380 Cadrul sferic a cabinei ermetice etc.

Spuma PMI: spuma PMI (polimetacrilimidă, polimetacrilimidă) poate rezista la cerințele procesului de întărire a materialului compozit la temperaturi înalte după un tratament adecvat la temperatură înaltă, ceea ce face ca spuma PMI să fie utilizată pe scară largă în domeniul aviației. Spuma PMI de densitate medie are proprietăți bune de fluaj compresiv și poate fi autoclavată la o temperatură de 120oC -180oC și o presiune de 0,3-0,5MPa. Spuma PMI poate îndeplini cerințele de performanță la fluaj ale procesului obișnuit de întărire preimpregnată și poate realiza co-întărirea structurii sandwich. Ca material aerospațial, spuma PMI este o spumă uniformă, rigidă, cu celule închise, cu practic aceeași dimensiune a porilor. Spuma PMI poate îndeplini și cerințele FST. O altă caracteristică a structurii sandwich cu spumă în comparație cu structura sandwich NOMEX® în fagure este că rezistența sa la umiditate este mult mai bună. Deoarece spuma este cu celule închise, este dificil ca umiditatea și umezeala să intre în miezul sandwich. Deși structura sandwich cu fagure NOMEX® poate fi, de asemenea, co-întărită, aceasta va reduce rezistența panoului compozit. Pentru a evita colapsul materialului de miez sau deplasarea laterală în timpul procesului de co-întărire, presiunea de întărire este de obicei de 0,28-0,35 MPa în loc de 0,69 MPa a laminatului obișnuit. Acest lucru va face ca porozitatea panoului compozit să fie mai mare. În plus, deoarece diametrul porilor structurii de fagure este mare, pielea este susținută doar de peretele de fagure, ceea ce va determina îndoirea fibrelor și va reduce rezistența stratului de piele compozit.

Pe baza comparației dintre fagure și material de miez de spumă, materialul de spumă este de obicei selectat ca material de umplere al structurii nervurii în formă de A. Când este folosit ca matriță de miez, servește ca material structural de miez al nervurii în formă de A. , Este, de asemenea, un material auxiliar de proces.

Spuma PMI a fost folosită cu succes ca material de bază din spumă cu structură tip sandwich în diferite structuri de aeronave. Una dintre cele mai proeminente aplicații este panoul lateral de admisie a aerului motorului din spatele aeronavei Boeing MD 11. Prelucrarea de precizie CNC și termoformarea spumei reduce foarte mult costul de așezare. Materialul de bază din spumă PMI de înaltă performanță are o rezistență bună la compresie și fluaj în timpul procesului de întărire, astfel încât panoul să fie compactat și suprafața să fie neuniformă. În comparație cu miezul de fagure, structura izotropă a porilor a spumei PMI poate îndeplini și cerințele de stabilitate dimensională sub presiune laterală în timpul procesului de întărire al autoclavei. Spre deosebire de structura de fagure, nu trebuie umplut cu spumă. În plus, spuma poate transfera uniform presiunea autoclavei către stratul panoului de sub spumă, făcându-l compact, fără defecte de suprafață, cum ar fi indentarea. Structura de bandă rigidizată de tip A umplută cu spumă poate fi aplicată pe componente precum suprafețele de lansare radar, pereții nacelei, învelișurile fuzelajului și stabilizatorii verticali.

4.Cea mai recentă aplicare a umpluturii cu spumă O structură de bandă rigidizată
Nervurile umplute cu spumă sunt cele mai recente aplicații în structura cadrului de presiune din spate a Airbus A340 și A340-600. Până acum, aproape 1.700 de ROHACELL® 71 WF-HT termoformate și procesate de CNC au fost livrate la uzina Airbus Stade de lângă Hamburg pentru a fi utilizate de către A340. În timpul procesului de întindere și întărire, spuma formată acționează ca o matriță de miez. În timpul întăririi, spuma PMI are o bună rezistență la fluaj la compresiune și stabilitate dimensională, astfel încât în ​​condiții de întărire de 180oC, 0,35MPa și 2 ore, procesul de co-întărire a structurii sandwich este adoptat pentru a reduce costurile. Spuma PMI poate asigura că preimpregnatul din jurul nervurilor este complet compactat, ceea ce poate fi un bun înlocuitor pentru instrumentul airbag gonflabil, evitând o serie de probleme precum utilizarea airbag-urilor gonflabile care necesită întărire multiplă. Până acum, au fost fabricate cu succes peste 170 de cadre de presiune din spate și nu există deșeuri. Acest lucru demonstrează, de asemenea, fiabilitatea și fezabilitatea procesului de benzi de armare cu spumă PMI.

Bazat pe succesul noului cadru de presiune din spate A340 folosind structura nervură umplută cu spumă PMI, cadrul de presiune din spate A380 folosește și această tehnologie. În structura A380, nervurile din spumă au 2,5 m lungime, iar geometria este relativ mai complicată. Procesarea și termoformarea spumei PMI sunt mai ușoare, ceea ce este, de asemenea, cheia realizării designului nervurilor de umplere cu spumă. În prezent, 200 de bucăți de nervuri de spumă prelucrate au fost livrate fabricii Airbus Stade pentru utilizarea AIRBUS A 380.

5. Analiza structurală a structurii de bandă rigidizată umplută cu spumă
Următorul exemplu discută fezabilitatea materialului de miez din spumă PMI pentru a obține optimizarea costurilor și a greutății și pentru a îndeplini cerințele duble în aplicarea nervurilor în formă de A. Se va discuta aici că materialul de miez de spumă nu poate fi folosit numai ca matriță de miez în procesul de așezare și întărire, ci poate juca și un anumit rol structural în nervuri. Datorită rezistenței mari la compresiune a spumei, poate îmbunătăți stabilitatea structurii, poate reduce stratul de preimpregnat din structura sandwich și poate atinge scopul de a reduce greutatea.

Sub acțiunea îndoirii și a presiunii axiale, structura compozită cu pereți subțiri suferă adesea o defecțiune stabilă. Defecțiunea de instabilitate apare întotdeauna la partea de compresiune înainte ca materialul să atingă rezistența la rupere la compresiune. O modalitate foarte matură și eficientă este de a lega nervurile de armare de structura carcasei pentru a îmbunătăți capacitatea anti-instabilitate a structurii carcasei. Pereții laterali și marginile convexe ale structurii cu nervuri goale în formă de A sunt predispuse la instabilitate, ceea ce duce la defectarea prematură a structurii.

În comparație cu nervurile goale în formă de A, în nervurile umplute cu spumă PMI, materialul de miez de spumă nu numai că servește ca matriță de miez în timpul procesului de fabricație, dar servește și ca material structural pentru a îmbunătăți performanța anti-instabilitate; Înainte, mențineți forma și rezistența structurii. Rezistența la compresiune în plan a benzii armate A umplute cu spumă este comparată cu cea a benzii armate cu goluri. Când structura suferă instabilitate inițială, sarcina de instabilitate crește cu aproximativ 100%. Materialul miezului suportă în principal tensiunile de tracțiune și compresiune perpendicular pe suprafața laterală a nervurilor pentru a evita defectarea prematură a structurii înainte ca panoul compozit din fibră de carbon/epoxidici să-și atingă limita de curgere.

6. Concluzie
Utilizarea miezului de spumă PMI poate fi folosită ca matriță de miez pentru fabricarea nervurilor în formă de A, ceea ce poate reduce foarte mult costul de așezare și întărire a componentelor. Preimpregnatul poate fi așezat cu ușurință pe matrița cu miez de spumă. Structura izotropă de goluri a spumei PMI și rezistența bună la compresie și fluaj în timpul ciclului de întărire în autoclavă permit realizarea procesului de co-întărire într-o singură etapă. De asemenea, putem concluziona că utilizarea spumei PMI umplute cu nervuri de armare în formă de A poate îmbunătăți semnificativ performanța anti-instabilitate a structurilor din fibră de carbon/epoxidice cu pereți subțiri. Utilizarea elementelor de rigidizare poate crește rezistența la rupere la curgere cu aproximativ 30% și rezistența la rupere la instabilitate cu aproximativ 100%.