姚明刚
航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江 哈尔滨 150060
摘要：随着军用航空器对作战效能比和民用航空器对燃油经济性要求的不断提升，以碳纤维增强树脂基复合材料为代表的轻量化高性能材料得以在航空器上广泛应用。由于复合材料优异的耐疲劳性能和高比强度、高比模量，复合材料已经成为航空结构材料的主流，因飞机结构隐身、高速度、燃油经济性及高公差值的要求，对复合材料构件的制造精度提出了更高的要求，传统的复合材料构件制造精度已经无法满足当今飞行器的高要求，如何提高复合材料构件的厚度及外形轮廓的制造精度，已经成为近年来国内外航空复合材料构件制造行业的研究重点。
关键词：航空复合材料；构件精确；制造应用
大型飞机制造水平是国家综合实力的重要体现。大型飞机的研制作为我国建设创新型国家的标志性工程和重大战略决策，对经济、社会和国家安全意义极其重大。在我国发展大型飞机制造水平的大背景下，提高核心部件制造关键技术，为研制大型飞机提供技术储备至关重要。国家计划项目“大型航空复合材料承力构件制造基础”围绕大型碳纤维树脂基复合材料航空承力构件制造过程中，预制件自动铺放与固化成型、高质量加工与低损伤装配、缺陷检测方面的基础科学理论与具体实施方案展开系统研究，取得了一系列重要研究成果，推动了我国大型航空复合材料承力构件制造水平的发展。
一、概述
发展大型飞机是一个国家工业、科技水平综合实力的集中体现。大型飞机研制作为我国建设创新型国家的标志性工程和重大战略决策，先进大型飞机研制过程中，为确保其飞行性能不至于因大型化而下降，并符合低碳、节能、环保的要求，迫切要求其结构瘦身，并实现轻量化。采用先进材料是实现飞机减重增效的有效途径。新兴的碳纤维增强树脂基复合材料由于其具有轻质、高强、易实现材料结构一体化设计制造和减少零部件装配连接等优点，近年来已成为先进大飞机实现结构轻量化的优选材料。7高达49%，A350高达52%。航空复合材料承力构件制造过程是:首先将预浸料赋形成为预制件，并进行固化形成制件，成型后的复合材料制件与复合材料制件加工连接装配形成构件，同时也包括了制造过程中的制造缺陷检测与构件使用性能的评估。这种大型航空复合材料承力构件通常具有尺寸大、变厚度及结构复杂等特点，因此其制造过程中极易产生孔隙、分层和撕裂等损伤，致使构件的设计性能难以保证，实际性能难以准确计算和预测，加之服役环境复杂，对这类承力构件的性能要求极高。例如，复合材料的中央翼盒要求展向力达50～100t/m，弦向剪流达60t/m以上，并且要求在数万次飞行起降保证安全可靠。为了确保复合材料构件的服役安全，对满足其性能的制造提出了极高的要求，这也使得大型复合材料构件的高性能制造成为学术界和工程界研究的难点和热点，是影响飞机安全服役的重大难题之一。
二、复合材料构件工装的精确控制
复合材料构件成型时，构件与成型工装一并在热压罐或固化炉中固化成型，因此零件的气动外形、几何尺寸完全受制于复合材料构件的成型工装。虽然复合材料构件成型工装在设计上和制造上完全满足复合材料构件的气动外形及几何尺寸要求，但是成型工装与复合材料构件热传导系数以及热膨胀差异引起复合材料构件层合板内部产生温度分布梯度及应力梯度，直接影响到复合材料构件成型后的实际外形和尺寸精度。因此，工装结构及工装材质将直接影响到复合材料构件成型后的外形和尺寸精度。
通过理论模拟与试验相结合的方法研究了铝结构工装、钢结构工装和Invar钢结构工装在热压罐中受热膨胀而导致工装型面变形情况，在工装长度低于2m时3种材质的工装受热膨胀对工装变形几乎无影响，随着工装尺寸增加，不同材质工装热膨胀使得工装型面发生变形，Invar钢工装变形量是几种材质工装中最小的，铝质工装变形量最大。
针对航空复合材料构件尺寸大、细长形构件，特别是对构件尺寸及外形精度要求较高的零件，在成型时一般都采用Invar钢工装。[1]研究了工装结构对复合材料构件精确制造的影响，结果表明工装在热压罐中变形主要是发生在工装型面四周边缘处，在垂直工装型面的方向有支撑柱存在的位置的变形量大于无支撑柱存在的位置。这是因为在加热固化时支撑柱对热流的扰流作用加快了支撑柱与周围空气之间的热传递，使得工装局部温度过高造成复合材料构件内部产生的内应力，引起复合材料构件形变。为工装支撑结构中的通风口，对热压罐空气循环系统中空气的流动影响较大，如果工装支撑结构中的通风口开口方向和大小设计不合理，将影响工装模板表面的受热均匀性，导致工装型面变形不均匀，影响复合材料构件的成型精度。因此，工业上为消除热膨胀系数对复合材料构件外形精度的影响，广泛采用了与复合材料膨胀系数接近的工装材料来制造成型工装，如Invar钢。在工装设计和制造过程中因合理分布支撑柱，在保证工装结构稳定及承压能力下降低支撑柱的使用。正确的防黏层以及复合材料构件成型工装摆放的位置都有利于降低工装变形引起的复合材料构件变形及翘曲，从而提高复合材料构件制造精度。
三、复合材料构件制造温度场的精确控制
无论是热固性还是热塑性复合材料构件的制造通常都需要高温高压和真空，尤其是热固性复合材料构件在高温高压的作用下发生化学交联固化反应，固化温度对树脂的反应速率、交联密度、固化程度起着重要的作用，复合材料构件固化时不同位置在不同时刻的温度的差异将直接影响到构件的制造精度。加热成型的温度场是一个由工装、构件毛坯、加热设备、升降温速率和辅助材料等构成的系统，是系统综合作用的体现，宏观表现为复合材料构件的热均匀性也称热分布。因此，众多专家学者对温度场的研究均集中在对系统热均匀性或热分布的研究方面。依据热传导和固化动力学理论，通过三维有限元方法研究了复合材料构件的厚度和纤维体积含量在固化过程中的温度和固化度历程及其变化规律。模拟结果表明复合材料构件厚度越大，温度梯度越大，中心点开始固化时间越早；随着固化温度的升高复合材料构件纤维体积含量越高，树脂交联反应放热量越大，复合材料构件中心点温度升高越快，固化程度越高。由此可见，复合材料固化过程中复杂的温度梯度是产生残余应力和变形的直接原因，进而影响到复合材料构件的制造精度，因此在复合材料构件制造时必须对固化温度场进行精确控制。在成型尺寸较大、厚度大的复合材料构件时，升温速率和降温速率过快不仅会影响到成型工装温度场的均匀性，还会造成复合材料构件内部产生较大的温度梯度。温度梯度的存在使得构件内部的树脂固化度不一致，固化收缩引起复合材料构件发生翘曲和变形。虽然较低的升、降温速率能减小复合材料构件内部的温度差异，使得复合材料构件内部温度梯度减小，复合材料构件变形小不易发生翘曲，保证复合材料构件的精确制造，但是过低的升温速率和降温速率无疑会增加零件的制造成本。航空复合材料构件成型时，升温速率一般不超过2℃/min，降温速率一般为2~3℃/min，复合材料构件出罐后需后固化4h以上。复合材料构件的精确制造受原材料、工装结构与热性能、制造温度场和压力的影响。因此，从下述方法着手可提高复合材料构件成型后的尺寸精度，降低复合材料构件的变形和翘曲。
工装设计时对复合材料构件外形采用数值模拟仿真分析,如有限元分析获取构件成型后变形、回弹理论值，并通过试验核实补偿、修整系数，在工装制造时直接进行补偿，可以缩小复合材料构件成型后构件回弹对制造精度的影响。严格控制工装的温度均匀性，采用与复合材料构件热膨胀系数匹配的材质制造成型工装可提高复合材料构件制造的外形精度，降低工装变形对复合材料构件成型后变形的影响。
参考文献：
[1]李桂东.复合材料构件热压罐成型工装设计关键技术研究[D].南京：南京航空航天大学,2019.
[2]李君，姚学锋，刘应华.复合材料T型整体化结构固化翘曲变形模拟[J].复合材料学报,2019(1):156-161.
[3] 荀国立,邱启艳,史俊伟.热压罐固化环氧基复合材料孔隙形成研究[J].航空制造技术,2019(15):15.