拉挤-互锁平板型复合材料格栅结构的制作

拉挤-互锁平板型复合材料格栅结构的制作

轻质化是航空航天材料和结构的基本要求。材料的功能化和智能化是未来航空航天材料和结构发展的趋势，而低成本技术是任何材料结构应用的先决条件。随着材料的快速发展，仅从材料的改进开始，很难显著提高。因此，利用效率、功能化和成本效益来寻求效率、功能化和成本效益的结构形式是许多工程和科学研究人员的目标。点阵结构是一种新型高效的结构形式,以CFRP为加筋肋的先进复合材料格栅结构(AdvancedCompositeGridStructures,简称AGS)是一种最接近于实用性的复合材料点阵结构,自上世纪90年代由斯坦福大学首先提出以来,以其较强的可设计性和多种优良性能而广受关注,其优势在于:(1)作为复合材料结构,它拥有复合材料结构的一切优良性能,如高比强、高比模等;(2)其本身拓扑优化性良好,相比其他复合材料结构能够取得更高的截面惯性矩,具有更高的抗弯和抗屈曲性能;(3)单向的复合材料加筋肋没有材料的匹配问题,不会出现分层等现象,具有较高的损伤容限和抗疲劳能力,在载荷作用下,尤其是冲击载荷作用下,即使加筋肋受损,裂纹也不易传播,克服了层合板结构易分层的缺陷;(4)AGS是一种开放式的结构形式,克服了蜂窝夹芯结构在制作过程中,由于水分的侵入引起结构抗腐蚀性能下降的缺陷,开放式的结构形式还为智能元件的埋入以及结构的健康监测和修复提供了便利。鉴于以上优良性能,美国的NASALangley研究人员将AGS列为未来航空、航天发展的六大结构技术之一的低成本结构技术之内,并且指出其极有可能是未来蜂窝夹芯结构的替代品;美国空间实验室将AGS列为迎接未来空间系统技术挑战的四大结构技术之一;并有多家研究单位针对格栅结构力学性能和制造工艺进行了研究,并取得一系列研究成果;国内对此也开始了相关研究。格栅结构的研究首先遇到的问题是制造工艺。先进复合材料格栅结构在制作过程中首先要克服两个困难:(1)格栅的加筋肋是相互交叉的,交叉处会引起纤维堆积和堆积处纤维的弯曲,弯曲的纤维成为强度和刚度的薄弱处,降低了结构的力学性能,在受压载荷作用下尤为明显;(2)为提高结构的抗弯和抗屈曲性能,要尽可能提高加筋肋法向上的高度以获取更高的截面惯性矩。针对以上两个必须克服的困难,美国空军实验室针对旋转壳结构和板壳结构的特征,提出了基于缠绕的混合工艺和模具膨胀工艺。混合工艺法是在模具槽内填塞硅胶膨胀垫,借助固化热,硅胶膨胀垫受热膨胀,从侧向挤压格栅肋,以减小交叉处纤维的堆积并能提供格栅肋在法向上的高度。随后Colwell等人针对平板格栅结构特点提出了“铆钉增强格栅工艺”(PinEnhancedGeometry)和“套管增强格栅工艺”(ToolingReinforcedInterlacedGrid),前者是应用一定量的铆钉分开加筋肋交叉处的纤维,从而减少纤维的堆积以提高格栅的强度和刚度;后者应用复合材料套管横向铺设,纵向采用纤维捆绑来构造复合材料格栅结构,复合材料横向套管起到模具和结构的双重作用。斯坦福大学的Tsai等人综合考虑结构成本和力学性能提出了拉挤-互锁的格栅工艺(InterlockedCompositeGrids),这种工艺方法使平板型格栅结构制作成本大为降低,并在GLAST太空望远镜的描迹仪上得到成功应用。这种格栅结构的不足之处是:抗剪性能差,格栅肋的开槽处出现结构强度和刚度的薄弱区。针对以上缺陷,研究人员提出了格栅体填充法、斜向支撑等增强方法,但要么增加了制作成本要么增加了结构本身重量。本文中基于拉挤-互锁格栅制作工艺提出了几种改进的方法,较好地克服了以上方法的不足,并能实现结构工艺成本和性能的平衡。文中中还针对加帽增强拉挤-互锁格栅的工艺特点和力学性能进行了几何参数的初步设计,并实现了一个平板型格栅结构的制作,图1所示。1格栅肋开槽设计拉挤-互锁格栅(InterlockedGridStructures)的制作首先应用拉挤工艺生产条状的格栅肋。拉挤工艺是一种具有快速成型和低成本优势的复合材料生产工艺,拉出速度达到1m/min,纤维体积含量高达70%,是生产等截面复合材料构件的首选工艺。对拉挤工艺生产出的条状加筋肋单边开槽,如图2所示。根据结构功能和力学性能要求设计格栅肋的开槽间距,可设计成等间距和不等间距,开槽深度一般为半个格栅肋高度,开槽宽度为条状格栅肋厚度。开槽的横向和纵向格栅肋两两相互咬合,互锁组装成平板型复合材料格栅结构。平行加筋肋的开槽间隔保持相等并在加工过程中保证一定的加工精度,以确保结构组装的进行和减小组装应力的产生。2拉挤-互锁格栅结构的改进为减小拉挤-互锁格栅肋开槽处强度和刚度的损失,提高结构整体力学性能,尤其是结构的抗剪力学性能,本文中针对拉挤-互锁格栅结构进行增强改进。2.1拉挤-互锁格栅平板的力学性能加帽增强工艺是针对拉挤-互锁格栅结构的改进工艺方法,在格栅肋开槽边的纵向粘结一定厚度的加强板(帽),如图3所示。加强板的尺寸根据工艺与结构整体性能进行综合优化设计。增强的加强板(帽)为开槽边应力传输提供了新的路径并提高了结构的抗剪切性能,使拉挤-互锁格栅平板的受力具有对称性,从而改善了结构的整体力学性能,所增加的自重和工艺成本都限制在可以接受的范围内。为获取平整的格栅板面,采取“抹平”改进,即在深槽的另一侧增设深度为t的浅槽(t为增强帽的厚度),宽度为增强帽的宽,再将增强板(帽)进行陷入式组装,经过平整化的增强拉挤-互锁格栅改善了结构外观并提高了结构的整体性,如图4所示。2.2蒙皮与拉挤-互锁格栅肋格栅结构的表面一般都设有蒙皮,蒙皮在不同的结构中具有不同的功能要求,一般来说可以起到传递载荷和隔断的作用,两面均加蒙皮的格栅结构功能类似于蜂窝夹芯结构,但格栅肋为主要承载构件;所设蒙皮与拉挤-互锁格栅肋协调工作,承受部分载荷。本文中提出的蒙皮增强工艺方法是通过对蒙皮的厚度进行优化设计,利用增强蒙皮来弥补格栅肋开槽处的强度和刚度的损失,并改善结构的整体力学性能。其工艺方法为:应用手糊铺设工艺生产一张与格栅板等尺寸的蒙皮,蒙皮所选材料要求与格栅肋相当,以保证蒙皮与格栅肋之间的材料匹配,降低组装造成的残余应力。蒙皮平整铺放,将组装好的平板型格栅板粘结在蒙皮上,要求粘结胶注满。蒙皮增强改进工艺所遇到的问题是对于双面蒙皮增强结构的第二面蒙皮粘结时出现的大面积注胶难的缺点,因此仅适合于单面蒙皮结构。2.3格栅肋的成型本文中提出的“T”型增强格栅是由主承力格栅肋和非主承力格栅肋组成,主受力方向的格栅肋采用贯穿布置,非主承力方向的格栅肋采用短肋拼接而成,如图5所示。短肋和承力向贯穿肋均采用拉挤工艺成型,无需进行开槽,短肋与贯穿肋之间采用“T”型增强构件连接,“T”型增强件采用模塑工艺成型,根据结构功能和力学性能设计“T”型增强件的尺寸。平板型格栅结构制作与增强工艺流程如图6。3接触问题的有限元模型对平板型拉挤-互锁格栅结构进行设计,综合考虑到结构力学性能、制作成本、工艺以及结构的功能选型等,以轻质化为目标函数,以结构的力学性能、制作工艺等为约束条件,应用结构性能参数的表征对加帽增强的平板型格栅结构的几何尺寸进行了初步设计。其几何参数的设计变量为:b、h、c、t、L。其中,b、h分别为格栅肋的宽和高;c、t分别为增强帽的宽度和厚度;L为格栅肋间距。另外增加两个辅助参量,开槽效应es和加帽效应ec。es=EIslotEIsolid(1)ec=EIcapEIslot(2)es=EΙslotEΙsolid(1)ec=EΙcapEΙslot(2)其中,EIslot、EIsolid、EIcap分别为开槽的、不开槽的和加帽的格栅肋抗弯刚度。考虑到拉挤工艺的成本,b和t设计成等厚度,应用有限元包ANSYS建立带有加帽增强的格栅肋有限元模型,如图7。材料属性为:Ex=52GPa,Ey=10GPa,Gxy=3.8GPa,νxy=0.268。结构开槽效应和加帽效应对结构强度和刚度的影响如图8所示,横坐标为模型中增强帽的宽度,分别取t、2t、3t和4t。从图中可以看出当增强帽宽度为3t时,开槽效应降低到5%以内;即当c=3t时,增强帽很好地抑制了开槽对结构刚度的衰减。格栅单元尺寸可由L与h的关系来描述。从图9可以看出,当L/h大于1时,L/h对结构的开槽效应ec的影响不再明显,对于增强帽宽c=3t情况下,开槽效应为0.95,接近于1。当c为1t时,开槽效应也达到0.85,故L取值不小于h。屈曲是板壳结构常见的破坏形式,格栅结构在设计和制作过程中应该考虑到屈曲对结构承载性能的影响。蒙皮或增强帽的局部屈曲、格栅的全局屈曲以及格栅肋的折损屈曲是复合材料格栅结构的三种屈曲方式,在结构的设计过程中要避免局部屈曲和折损屈曲的发生。研究表明格栅结构屈曲类型的演变与格栅肋/蒙皮(或增强帽)的相对厚度有关,本文中基于有限元模型,针对拉挤-互锁增强格栅的屈曲性能进行了研究。图10为横向截面积一定的情况下,平板型格栅结构在轴压下抗屈曲承载性能。h/t<1.5时,加筋肋首先破坏发生折损屈曲;h/t>3.5时,结构发生增强帽的局部屈曲,当1.5<h/t<3.5时,结构表现为全局屈曲,承压性能最高。考虑结构的抗弯性能和拉挤工艺,格栅结构增强肋与加强帽的相对厚度h/t取4。此外,考虑到拉挤工艺对构件截面尺寸有限制,格栅肋的高宽比h/b不得小于5,且最大不得超过30。综上所述,得出以下几何参数的初步设计方案:c=4t,h/t=4.(3)c=4t,h/t=4.(3)且满足L/h≥1,5≤h/b≤30.(4)L/h≥1,5≤h/b≤30.(4)4加帽的改进方法先进复合材料格栅结构是一种新型、高效的结构形式,本文中对平板型格栅结构的制作工艺以及改进方法进行了研究。针对拉挤-互锁格栅结构开槽处强