1. Sendvičová struktura
V konstrukci letadel je pro konstruktéry největší výzvou požadovat, aby navržené součásti byly co nejlehčí, aniž by ztratily pevnost. To vyžaduje, aby tenkostěnná konstrukce byla navržena tak, aby byla stabilní při kombinovaném působení tahového, tlakového a smykového zatížení. V minulosti se v některých oblastech stále používají tradiční metody navrhování leteckých konstrukcí. Dlouhé vazníky a žebra/rámy se používají k vytvoření podélných a bočních výztuh pro zlepšení stability desky. Ve skutečnosti mohou být některé sekundární konstrukce navrženy také se sendvičovými strukturami, aby byly splněny požadavky na pevnost a tuhost. Sendvičová struktura obvykle využívá voštinový nebo pěnový materiál jádra.
U profilových konstrukcí s velkými konstrukčními výškami mohou opláštěné panely (zejména horní profilové panely) využívající sendvičové struktury místo voštinových panelů výrazně snížit hmotnost. Pro nosné konstrukce s malými konstrukčními výškami (zejména řídicí plochy), plná výška Sendvičová konstrukce místo žebrové konstrukce nosníku může také přinést výrazné snížení hmotnosti. Největší výhodou sendvičové struktury je, že má větší ohybovou tuhost a pevnost.
Kompozitní sendvičová struktura letadel obvykle používá pokročilé kompozitní materiály jako panely a sendvičové jádro je vyrobeno z lehkých materiálů. Výkonnost ohybové tuhosti sendvičové struktury závisí hlavně na výkonu panelu a výšce mezi dvěma vrstvami panelů. Čím větší výška, tím větší tuhost v ohybu. Sendvičové jádro sendvičové konstrukce snáší především smykové napětí a podpírá panel, aniž by ztratilo jeho stabilitu. Obvykle je smyková síla tohoto typu konstrukce malá. Výběr lehkých materiálů jako sendvičového jádra může výrazně snížit hmotnost komponent. Zkušenosti s používáním sendvičové konstrukce navíc také ukazují, že při hodnocení sendvičové konstrukce z hlediska nákladů je třeba vzít v úvahu nejen výrobní náklady, ale také náklady na životnost letadla.
2. Vyztužená pásová struktura
Použití výztuh je také nejúčinnějším způsobem zpevnění tenkostěnných karbonových/epoxidových panelů, jako jsou boční panely sání motoru nebo gondoly, plášť křídel a ocasního ráhna atd. Použití žeber může nejúčinněji zlepšit tuhost a stabilitu konstrukce.
3. Struktura žeber ve tvaru A vyplněná pěnou
Americká NASA a evropský Airbus, založené na používání sendvičových struktur a vyztužených pásů po mnoho let, nedávno navrhly pěnou plněnou vyztuženou pásovou strukturu pro optimalizaci konstrukčního návrhu a výrobního procesu v co největší míře, jako je AIRBUS A380 Sférický rám vzduchotěsné kabiny atd.
PMI pěna: PMI (Polymethakrylimid, polymethakrylimid) pěna může odolat požadavkům na proces vytvrzování kompozitního materiálu při vysoké teplotě po vhodném zpracování při vysoké teplotě, díky čemuž je pěna PMI široce používána v oblasti letectví. PMI pěna střední hustoty má dobré kompresní creepové vlastnosti a lze ji autoklávovat při teplotě 120oC -180oC a tlaku 0,3-0,5MPa. PMI pěna může splňovat požadavky na tečení obvyklého procesu vytvrzování prepregu a může realizovat společné vytvrzování sendvičové struktury. Jako letecký materiál je PMI pěna jednotná tuhá pěna s uzavřenými buňkami s v podstatě stejnou velikostí pórů. PMI pěna může také splňovat požadavky FST. Další vlastností pěnové sendvičové struktury ve srovnání s voštinovou sendvičovou strukturou NOMEX® je mnohem lepší odolnost proti vlhkosti. Protože je pěna s uzavřenými buňkami, je obtížné pro vlhkost a vlhkost proniknout do sendvičového jádra. Přestože sendvičová struktura NOMEX® může být také spoluvytvrzována, sníží se tím pevnost kompozitního panelu. Aby se zabránilo zborcení materiálu jádra nebo bočnímu posunu během procesu spoluvytvrzování, je vytvrzovací tlak obvykle 0,28-0,35 MPa místo 0,69 MPa obvyklého laminátu. To způsobí, že poréznost kompozitního panelu bude vyšší. Navíc, protože průměr pórů voštinové struktury je velký, je kůže podepřena pouze na voštinové stěně, což způsobí ohýbání vláken a snížení pevnosti kompozitního laminátu.
Na základě srovnání voštinového a pěnového materiálu jádra se jako výplňový materiál jádra žebrové struktury ve tvaru A obvykle volí pěnový materiál. Při použití jako jádrová forma slouží jako konstrukční materiál jádra žebra ve tvaru A. , Je také procesním pomocným materiálem.
PMI pěna byla úspěšně použita jako materiál jádra se sendvičovou strukturou v různých leteckých konstrukcích. Jednou z nejvýraznějších aplikací je boční panel nasávání vzduchu do motoru v zadní části letadla Boeing MD 11. Přesné CNC obrábění a tepelné tvarování pěny výrazně snižuje náklady na pokládku. Vysoce výkonný pěnový materiál PMI má dobrou odolnost proti stlačení a tečení během procesu vytvrzování, takže panel je zhutněný a povrch je nerovný. Ve srovnání s voštinovým jádrem může izotropní struktura pórů PMI pěny také splňovat požadavky na rozměrovou stabilitu při bočním tlaku během procesu vytvrzování autoklávu. Na rozdíl od voštinové struktury se nemusí plnit pěnou. Kromě toho může pěna rovnoměrně přenášet tlak autoklávu na vrstvu panelu pod pěnou, čímž je kompaktní, bez povrchových defektů, jako je promáčknutí. Pěnou plněná vyztužená pásová struktura typu A může být aplikována na součásti, jako jsou radarové odpalovací plochy, stěny gondol, pláště trupu a vertikální stabilizátory.
4. Nejnovější aplikace pěnové výplně Vyztužená pásová struktura
Žebra vyplněná pěnou jsou nejnovějšími aplikacemi v konstrukci zadního přítlačného rámu letadel Airbus A340 a A340-600. Dosud bylo do závodu Airbus Stade poblíž Hamburku dodáno téměř 1 700 ROHACELL® 71 WF-HT tepelně tvarovaných a zpracovaných CNC pro použití A340. Během procesu pokládání a vytvrzování působí vytvořená pěna jako jádrová forma. Během vytvrzování má pěna PMI dobrou odolnost proti tečení v tlaku a rozměrovou stabilitu, takže za podmínek vytvrzování 180 °C, 0,35 MPa a 2 hodiny je za účelem snížení nákladů přijat proces spoluvytvrzování sendvičové struktury. PMI pěna může zajistit, že prepreg kolem žeber je zcela zhutněn, což může být dobrou náhradou za nástroje pro nafukovací airbagy, čímž se vyhnete řadě problémů, jako je použití nafukovacích airbagů, které vyžadují vícenásobné vytvrzení. Dosud bylo úspěšně vyrobeno více než 170 zadních přítlačných rámů a nevzniká žádný odpad. To také dokazuje spolehlivost a proveditelnost procesu vyztužování pěnou PMI.
Na základě úspěchu nového zadního přítlačného rámu A340 využívajícího žebrovou strukturu vyplněnou pěnou PMI využívá tuto technologii i zadní přítlačný rám A380. Ve struktuře A380 jsou pěnová žebra dlouhá 2,5 m a geometrie je relativně komplikovanější. Zpracování pěny PMI a tvarování za tepla je jednodušší, což je také klíčem k realizaci designu žebra pěnové výplně. V současné době bylo do závodu Airbus Stade dodáno 200 kusů zpracovaných pěnových žeber pro použití AIRBUS A 380.
5. Strukturální analýza vyztužené pásové konstrukce s pěnou
Následující příklad pojednává o proveditelnosti materiálu jádra z pěny PMI pro dosažení optimalizace nákladů a hmotnosti a splnění dvojích požadavků při aplikaci žeber ve tvaru A. Zde bude diskutováno, že pěnový materiál jádra může být nejen použit jako jádrová forma v procesu pokládání a vytvrzování, ale může také hrát určitou strukturální roli v žebrech. Vzhledem k vysoké pevnosti pěny v tlaku může zlepšit stabilitu struktury, snížit vrstvu prepregu v sendvičové struktuře a dosáhnout účelu snížení hmotnosti.
Při působení ohybu a axiálního tlaku dochází u tenkostěnné kompozitní struktury často ke stabilnímu porušení. Porušení nestability nastane u tlakové části vždy dříve, než materiál dosáhne pevnosti při porušení tlakem. Velmi vyspělým a účinným způsobem je připojení výztužných žeber ke konstrukci skořepiny, aby se zlepšila antinestabilní schopnost konstrukce skořepiny. Boční stěny a konvexní okraje duté žebrované konstrukce ve tvaru A jsou náchylné k nestabilitě, což vede k předčasnému selhání konstrukce.
Ve srovnání s dutými žebry ve tvaru A u žeber vyplněných pěnou PMI materiál jádra pěny slouží nejen jako jádrová forma během výrobního procesu, ale také slouží jako konstrukční materiál pro zlepšení výkonu proti nestabilitě; Předtím udržujte tvar a pevnost konstrukce. Pevnost v tlaku v rovině A-vyztuženého pásu je porovnána s pevností dutého vyztuženého pásu. Když konstrukce projde počáteční nestabilitou, nestabilita se zvýší asi o 100 %. Materiál jádra snáší především tahové a tlakové namáhání kolmé k bočnímu povrchu žeber, aby se zabránilo předčasnému selhání struktury předtím, než kompozitní panel z uhlíkových vláken/epoxidu dosáhne své meze kluzu.
6. Závěr
Použití pěnového jádra PMI může být použito jako jádrová forma k výrobě žeber ve tvaru A, což může výrazně snížit náklady na pokládku a vytvrzování součástí. Prepreg lze snadno položit na formu s pěnovým jádrem. Izotropní dutinová struktura pěny PMI a dobrá odolnost proti stlačení a tečení během cyklu vytvrzování v autoklávu umožňují realizaci jednokrokového procesu spoluvytvrzování. Můžeme také dojít k závěru, že použití PMI pěny vyplněné výztužnými žebry ve tvaru A může výrazně zlepšit anti-nestabilní vlastnosti tenkostěnných uhlíkových vláken/epoxidových struktur. Použití výztuh může zvýšit mez kluzu přibližně o 30 % a pevnost při porušení při nestabilitě přibližně o 100 %.
