1. Struktura sendviča
U projektiranju zrakoplova najveći je izazov za dizajnere zahtijevati da projektirane komponente budu što lakše bez gubitka čvrstoće. To zahtijeva konstrukciju tankih stijenki da bude stabilna pod kombiniranim djelovanjem vlačnih, tlačnih i posmičnih opterećenja. U prošlosti su se u nekim područjima još uvijek koristile tradicionalne metode projektiranja strukture zrakoplova. Dugi nosači i rebra/okviri koriste se za oblikovanje uzdužnih i bočnih ojačanja za poboljšanje stabilnosti ploče. Zapravo, neke sekundarne strukture također se mogu projektirati sa sendvič strukturama kako bi se zadovoljili zahtjevi čvrstoće i krutosti. Sendvič struktura obično usvaja saćasti ili pjenasti materijal jezgre.
Za konstrukcije aeroprofila s velikim strukturalnim visinama, paneli kože (osobito gornji paneli aeroprofila) koji koriste sendvič strukture umjesto panela saća mogu značajno smanjiti težinu. Za konstrukcije aeroprofila s malim konstrukcijskim visinama (osobito kontrolnih površina), puna visina. Struktura sendviča umjesto rebraste strukture grede također može donijeti značajne učinke smanjenja težine. Najveća prednost sendvič strukture je veća krutost i čvrstoća na savijanje.
Kompozitna sendvič struktura zrakoplova obično koristi napredne kompozitne materijale kao panele, a sendvič jezgra je izrađena od laganih materijala. Učinak čvrstoće na savijanje sendvič strukture uglavnom ovisi o učinku panela i visini između dva sloja panela. Što je veća visina, to je veća krutost na savijanje. Sendvič jezgra sendvič strukture uglavnom podnosi posmično naprezanje i podupire ploču bez gubitka stabilnosti. Obično je sila smicanja ove vrste konstrukcije mala. Odabir laganih materijala kao jezgre sendviča može uvelike smanjiti težinu komponenti. Osim toga, iskustvo korištenja sendvič strukture također pokazuje da se pri ocjeni sendvič strukture s aspekta troškova ne moraju uzeti u obzir samo troškovi proizvodnje, već i životni vijek zrakoplova.
2. Struktura ojačane trake
Korištenje ukrućenja također je najučinkovitiji način za ojačavanje ploča od ugljičnih vlakana/epoksida tankih stijenki, kao što su bočne ploče usisnog otvora motora ili gondole, obloge krila i repnog nosača, itd. Upotreba rebara može najučinkovitije poboljšati krutost i stabilnost strukture.
3. Rebrasta struktura A-oblika ispunjena pjenom
Američka NASA i europski Airbus, temeljeni na upotrebi sendvič struktura i ukrućenih traka dugi niz godina, nedavno su predložili strukturu ukrućenih traka ispunjenu pjenom kako bi se u najvećoj mjeri optimizirao konstrukcijski dizajn i proces proizvodnje, kao što je AIRBUS A380 Sferični okvir hermetičke kabine itd.
PMI pjena: PMI (polimetakrilimid, polimetakrilimid) pjena može izdržati zahtjeve procesa stvrdnjavanja kompozitnog materijala na visokoj temperaturi nakon odgovarajuće obrade visokom temperaturom, što PMI pjenu čini naširoko korištenom u području zrakoplovstva. PMI pjena srednje gustoće ima dobra tlačna svojstva puzanja i može se autoklavirati na temperaturi od 120oC -180oC i tlaku od 0,3-0,5MPa. PMI pjena može ispuniti zahtjeve glede puzanja uobičajenog procesa stvrdnjavanja preprega i može ostvariti ko-stvrdnjavanje sendvič strukture. Kao zrakoplovni materijal, PMI pjena je ujednačena kruta pjena zatvorenih ćelija s u osnovi istom veličinom pora. PMI pjena također može zadovoljiti FST zahtjeve. Još jedna značajka pjenaste sendvič strukture u usporedbi s NOMEX® saćastom sendvič strukturom je da je njena otpornost na vlagu puno bolja. Budući da je pjena zatvorenih stanica, vlaga i vlaga teško ulaze u jezgru sendviča. Iako se NOMEX® saćasta sendvič struktura također može sustvrdnjavati, to će smanjiti čvrstoću kompozitne ploče. Kako bi se izbjeglo kolaps materijala jezgre ili bočno pomicanje tijekom procesa sustvrdnjavanja, tlak stvrdnjavanja je obično 0,28-0,35 MPa umjesto 0,69 MPa uobičajenog laminata. To će uzrokovati veću poroznost kompozitne ploče. Osim toga, budući da je promjer pora saćaste strukture velik, omotač se oslanja samo na stijenku saća, što će uzrokovati savijanje vlakana i smanjiti čvrstoću kompozitnog laminata.
Na temelju usporedbe između materijala saća i pjenaste jezgre, pjenasti materijal se obično odabire kao materijal jezgre za punjenje rebraste strukture u obliku slova A. Kada se koristi kao kalup za jezgru, služi kao strukturni materijal za jezgru rebra u obliku slova A. , Također je procesni pomoćni materijal.
PMI pjena se uspješno koristi kao materijal za jezgru pjene sendvič strukture u različitim strukturama zrakoplova. Jedna od najistaknutijih primjena je bočna ploča usisnika zraka motora na stražnjoj strani zrakoplova Boeing MD 11. CNC precizna obrada i termoformiranje pjene uvelike smanjuje troškove polaganja. Materijal jezgre od PMI pjene visokih performansi ima dobru otpornost na kompresiju i puzanje tijekom procesa stvrdnjavanja, tako da je ploča zbijena, a površina neravna. U usporedbi sa saćastom jezgrom, izotropna struktura pora PMI pjene također može zadovoljiti zahtjeve dimenzionalne stabilnosti pod bočnim pritiskom tijekom procesa stvrdnjavanja u autoklavu. Za razliku od strukture saća, ne treba ga puniti pjenom. Osim toga, pjena može ravnomjerno prenijeti pritisak autoklava na sloj ploče ispod pjene, čineći je kompaktnom, bez površinskih nedostataka poput udubljenja. Struktura ukrućene trake A-tipa ispunjena pjenom može se primijeniti na komponente kao što su površine za lansiranje radara, stijenke gondole, oplate trupa i vertikalni stabilizatori.
4. Najnovija primjena pjenastog punjenja Ukrućena trakasta struktura
Rebra ispunjena pjenom najnovija su primjena u strukturi stražnjeg tlačnog okvira Airbusa A340 i A340-600. Do sada je gotovo 1.700 ROHACELL® 71 WF-HT termoformiranih i obrađenih u CNC-u isporučeno u tvornicu Airbus Stade u blizini Hamburga za korištenje na A340. Tijekom procesa postavljanja i stvrdnjavanja, formirana pjena djeluje kao jezgra kalupa. Tijekom stvrdnjavanja, PMI pjena ima dobru tlačnu otpornost na puzanje i dimenzionalnu stabilnost, tako da se pod uvjetima stvrdnjavanja od 180°C, 0,35 MPa i 2 sata, usvaja proces sustvrdnjavanja sendvič strukture kako bi se smanjili troškovi. PMI pjena može osigurati da je prepreg oko rebara potpuno zbijen, što može biti dobra zamjena za alat za zračni jastuk na napuhavanje, izbjegavajući niz problema kao što je upotreba zračnih jastuka na napuhavanje koji zahtijevaju višestruko stvrdnjavanje. Do sada je uspješno proizvedeno više od 170 stražnjih tlačnih okvira i nema otpada. Ovo također dokazuje pouzdanost i izvedivost procesa PMI pjenaste armaturne trake.
Na temelju uspjeha novog stražnjeg tlačnog okvira A340 koji koristi rebrastu strukturu ispunjenu pjenom PMI, stražnji tlačni okvir A380 također koristi ovu tehnologiju. U strukturi A380, rebra od pjene duga su 2,5 m, a geometrija je relativno kompliciranija. PMI obrada pjene i termoformiranje su lakši, što je također ključ za realizaciju dizajna rebra za punjenje pjenom. Trenutačno je 200 komada obrađenih rebara od pjene isporučeno u tvornicu Airbus Stade za korištenje AIRBUS A 380.
5. Strukturna analiza strukture ukrućene trake punjene pjenom
Sljedeći primjer raspravlja o izvedivosti PMI pjenastog materijala jezgre za postizanje optimizacije troškova i težine i ispunjavanje dvostrukih zahtjeva u primjeni rebara u obliku slova A. Ovdje će se raspravljati o tome da se materijal jezgre od pjene ne može koristiti samo kao kalup za jezgru u procesu polaganja i stvrdnjavanja, već također može igrati određenu strukturnu ulogu u rebrima. Zbog visoke tlačne čvrstoće pjene, može poboljšati stabilnost strukture, smanjiti sloj preprega u strukturi sendviča i postići svrhu smanjenja težine.
Pod djelovanjem savijanja i aksijalnog pritiska kompozitna struktura tankih stijenki često doživljava stabilan slom. Lom zbog nestabilnosti uvijek se javlja na tlačnom dijelu prije nego što materijal postigne čvrstoću tlačnog sloma. Vrlo zreo i učinkovit način je vezanje rebara za pojačanje na strukturu školjke kako bi se poboljšala sposobnost zaštite od nestabilnosti strukture školjke. Bočne stijenke i konveksni rubovi šuplje rebraste strukture u obliku slova A skloni su nestabilnosti, što dovodi do preranog kvara strukture.
U usporedbi sa šupljim rebrima u obliku slova A, u PMI rebrima punjenim pjenom, materijal jezgre od pjene ne služi samo kao kalup za jezgru tijekom procesa proizvodnje, već služi i kao strukturni materijal za poboljšanje performansi protiv nestabilnosti; Prije, održavajte oblik i čvrstoću strukture. Tlačna čvrstoća u ravnini A-pojačane trake ispunjene pjenom uspoređuje se s onom šuplje ojačane trake. Kada se struktura podvrgne početnoj nestabilnosti, opterećenje nestabilnosti povećava se za oko 100%. Materijal jezgre uglavnom podnosi vlačna i tlačna naprezanja okomito na bočnu površinu rebara kako bi se izbjeglo preuranjeno otkazivanje strukture prije nego kompozitna ploča od karbonskih vlakana/epoksida postigne granicu tečenja.
6. Zaključak
Korištenje jezgre od PMI pjene može se koristiti kao kalup za jezgru za proizvodnju rebara u obliku slova A, što može uvelike smanjiti troškove polaganja i stvrdnjavanja komponenti. Prepreg se može lako postaviti na kalup s pjenastom jezgrom. Izotropna struktura šupljina PMI pjene i dobra otpornost na kompresiju i puzanje tijekom ciklusa stvrdnjavanja u autoklavu omogućuju realizaciju procesa sustvrdnjavanja u jednom koraku. Također možemo zaključiti da upotreba PMI pjene ispunjene rebrima za ojačanje u obliku slova A može značajno poboljšati učinak protiv nestabilnosti tankostijenih karbonskih vlakana/epoksi struktura. Korištenje ukrućenja može povećati granicu tečenja za oko 30% i otpornost na nestabilnost za oko 100%.
