1. Sandwich-rakenne
Lentokonesuunnittelussa suunnittelijoiden suurin haaste on vaatia suunnitelluilta komponenteilta mahdollisimman kevyitä lujuutta menettämättä. Tämä edellyttää ohutseinämäisen rakenteen suunnittelua vakaaksi veto-, puristus- ja leikkauskuormituksen yhteisvaikutuksen alaisena. Aiemmin perinteiset lentokoneiden rakennesuunnittelumenetelmät ovat edelleen käytössä joillakin alueilla. Pitkiä ristikoita ja ripoja/runkoja käytetään pitkittäis- ja sivuttaisvahvikkeiden muodostamiseen laudan vakauden parantamiseksi. Itse asiassa jotkut toissijaiset rakenteet voidaan suunnitella myös sandwich-rakenteilla lujuus- ja jäykkyysvaatimusten täyttämiseksi. Sandwich-rakenne käyttää yleensä hunajakenno- tai vaahtoydinmateriaalia.
Kantosiipirakenteissa, joissa on suuri rakennekorkeus, pintapaneelit (erityisesti yläkansipaneelit), joissa käytetään sandwich-rakenteita kennopaneelien sijaan, voivat vähentää painoa merkittävästi. Kantasiipirakenteille, joilla on pieni rakennekorkeus (erityisesti ohjauspinnat), täysi korkeus Myös sandwich-rakenne palkin riparakenteen sijaan voi tuoda merkittäviä painonpudotusvaikutuksia. Sandwich-rakenteen suurin etu on, että sillä on suurempi taivutusjäykkyys ja -lujuus.
Lentokoneen komposiittisandwich-rakenteessa paneeleina käytetään yleensä edistyksellisiä komposiittimateriaaleja, ja sandwich-ydin on valmistettu kevyistä materiaaleista. Sandwich-rakenteen taivutusjäykkyys riippuu pääasiassa paneelin suorituskyvystä ja kahden paneelikerroksen välisestä korkeudesta. Mitä suurempi korkeus, sitä suurempi taivutusjäykkyys. Sandwich-rakenteen sandwich-ydin kantaa pääasiassa leikkausjännitystä ja tukee paneelia menettämättä sen vakautta. Yleensä tämän tyyppisen rakenteen leikkausvoima on pieni. Kevyiden materiaalien valitseminen sandwich-ytimeksi voi vähentää komponenttien painoa huomattavasti. Lisäksi sandwich-rakenteen käytöstä saadut kokemukset osoittavat myös, että sandwich-rakennetta kustannusnäkökulmasta arvioitaessa on otettava huomioon valmistuskustannusten lisäksi myös lentokoneen käyttöiän kustannukset.
2. Vahvistettu nauharakenne
Jäykisteiden käyttö on myös tehokkain tapa vahvistaa ohutseinäisiä hiilikuitu/epoksipaneeleja, kuten moottorin imuaukon tai konepellin sivupaneeleja, siipien nahkaa ja häntäpuomia jne. Ripojen käyttö voi parantaa tehokkaimmin rakenteen jäykkyyttä ja vakautta.
3. Vaahdolla täytetty A-muotoinen riparakenne
Amerikkalainen NASA ja eurooppalainen Airbus, jotka perustuvat sandwich-rakenteiden ja jäykistettyjen nauhojen useiden vuosien käyttöön, ehdottivat äskettäin vaahtotäytteistä jäykistettyä nauharakennetta rakenteellisen suunnittelun ja valmistusprosessin optimoimiseksi suurimmassa määrin, kuten AIRBUS A380 Pallomainen runko ilmatiiviistä hytistä jne.
PMI-vaahto: PMI (polymetakryyli-imidi, polymetakrylimidi) -vaahto kestää korkean lämpötilan komposiittimateriaalin kovettumisprosessin vaatimukset sopivan korkean lämpötilan käsittelyn jälkeen, minkä vuoksi PMI-vaahtoa käytetään laajasti ilmailualalla. Keskitiheyksisellä PMI-vaahdolla on hyvät puristusvirumisominaisuudet ja se voidaan autoklavoida lämpötilassa 120oC -180oC ja paineessa 0,3-0,5 MPa. PMI-vaahto voi täyttää tavanomaisen prepreg-kovetusprosessin virumiskykyvaatimukset ja voi toteuttaa sandwich-rakenteen yhteiskovettamisen. Ilmailu- ja avaruusmateriaalina PMI-vaahto on yhtenäinen jäykkä umpisoluinen vaahto, jolla on periaatteessa sama huokoskoko. PMI-vaahto voi myös täyttää FST-vaatimukset. Toinen vaahtosandwich-rakenteen ominaisuus verrattuna NOMEX®-kennosandwich-rakenteeseen on, että sen kosteudenkestävyys on paljon parempi. Koska vaahto on umpisoluista, kosteuden ja kosteuden on vaikea päästä sisään sandwich-ytimen. Vaikka NOMEX® hunajakennorakenne voidaan myös kovettaa yhdessä, se vähentää komposiittipaneelin lujuutta. Ydinmateriaalin romahtamisen tai sivun siirtymisen välttämiseksi yhteiskovetusprosessin aikana kovetuspaine on yleensä 0,28-0,35 MPa tavallisen laminaatin 0,69 MPa:n sijaan. Tämä lisää komposiittipaneelin huokoisuutta. Lisäksi, koska hunajakennorakenteen huokoshalkaisija on suuri, iho on tuettu vain kennoseinämästä, mikä saa kuidut taipumaan ja heikentää komposiittikalvolaminaatin lujuutta.
Hunajakenno- ja vaahtomuoviydinmateriaalin vertailun perusteella A-muotoisen riparakenteen täyteydinmateriaaliksi valitaan yleensä vaahtomateriaali. Ydinmuotina käytettynä se toimii A-muotoisen rivan rakenteellisena ydinmateriaalina. , On myös prosessin apumateriaali.
PMI-vaahtoa on käytetty menestyksekkäästi sandwich-rakennevaahtoydinmateriaalina erilaisissa lentokoneiden rakenteissa. Yksi näkyvimmistä sovelluksista on moottorin ilmanottoaukon sivupaneeli Boeing MD 11 -koneen takana. Vaahdon CNC-tarkkuustyöstö ja lämpömuovaus alentaa huomattavasti asennuksen kustannuksia. Suorituskykyisellä PMI-vaahtomuoviydinmateriaalilla on hyvä puristus- ja virumisenkestävyys kovettumisen aikana, joten paneeli tiivistyy ja pinta on epätasainen. Hunajakennoytimeen verrattuna PMI-vaahdon isotrooppinen huokosrakenne voi myös täyttää mittojen stabiilisuuden vaatimukset sivupaineessa autoklaavin kovettumisprosessin aikana. Toisin kuin hunajakennorakenne, sitä ei tarvitse täyttää vaahdolla. Lisäksi vaahto voi siirtää autoklaavin paineen tasaisesti vaahdon alla olevaan paneelin kerrokseen tehden siitä kompaktin ilman pintavikoja, kuten painumaa. Vaahtotäytteistä A-tyyppistä jäykistettyä nauharakennetta voidaan soveltaa komponentteihin, kuten tutkan laukaisupintoihin, konepellin seiniin, rungon kalvoihin ja pystysuoraan stabilointiin.
4. Viimeisin sovellus vaahtotäytteestä Jäykistetty nauharakenne
Vaahtotäytteiset rivat ovat viimeisimmät sovellukset Airbus A340:n ja A340-600:n takapainerunkorakenteessa. Tähän mennessä lähes 1 700 CNC:llä lämpömuovattua ja käsiteltyä ROHACELL® 71 WF-HT:ta on toimitettu Airbus Staden tehtaalle lähellä Hampuria A340:n käyttöön. Asettelu- ja kovettumisprosessin aikana muodostunut vaahto toimii ydinmuotina. Kovettumisen aikana PMI-vaahdolla on hyvä puristusvirumisenkestävyys ja mittapysyvyys, joten 180 oC:n, 0,35 MPa:n ja 2 tunnin kovettumisolosuhteissa käytetään sandwich-rakenteen yhteiskovetusprosessia kustannusten vähentämiseksi. PMI-vaahto voi varmistaa, että ripojen ympärillä oleva prepreg on täysin tiivistetty, mikä voi olla hyvä korvata puhallettavat turvatyynytyökalut, jolloin vältetään useita ongelmia, kuten ilmatäytteisten turvatyynyjen käyttö, jotka vaativat useita kovettumista. Tähän mennessä yli 170 takapainerunkoa on valmistettu onnistuneesti, eikä jätetuotetta ole. Tämä todistaa myös PMI-vaahtovahvistusnauhaprosessin luotettavuuden ja toteutettavuuden.
Uuden A340-takapainerungon menestykseen perustuen PMI-vaahtomuovitäytettyä riparakennetta käyttävä A380-takapainerunko käyttää myös tätä tekniikkaa. A380-rakenteessa vaahtomuovirivat ovat 2,5 m pitkiä ja geometria on suhteellisen monimutkaisempi. PMI-vaahdon käsittely ja lämpömuovaus ovat helpompaa, mikä on myös avain vaahtomuovitäyttörivan suunnittelun toteuttamiseen. Tällä hetkellä Airbus Staden tehtaalle on toimitettu 200 kappaletta käsiteltyjä vaahtomuovia AIRBUS A 380 -käyttöön.
5. Vaahtotäytteisen A jäykistetyn nauharakenteen rakenneanalyysi
Seuraava esimerkki käsittelee PMI-vaahtomuoviydinmateriaalin toteutettavuutta kustannusten ja painon optimointiin ja A-muotoisten ripojen käytön kahteen vaatimuksiin. Tässä keskustellaan siitä, että vaahtoydinmateriaalia ei voida käyttää vain ydinmuotina ladonta- ja kovetusprosessissa, vaan sillä voi myös olla tietty rakenteellinen rooli ripoissa. Vaahdon korkean puristuslujuuden vuoksi se voi parantaa rakenteen vakautta, vähentää prepreg-kerrosta sandwich-rakenteessa ja saavuttaa painonpudotuksen tarkoituksen.
Taivutuksen ja aksiaalisen paineen vaikutuksesta ohutseinämäinen komposiittirakenne rikkoutuu usein vakaasti. Epästabiilisuusvaurio tapahtuu aina puristusosassa ennen kuin materiaali saavuttaa puristusmurtolujuuden. Erittäin kypsä ja tehokas tapa on kiinnittää vahvistusrivat kuorirakenteeseen parantamaan vaipparakenteen epävakauden estokykyä. Onton A-muotoisen uritetun rakenteen sivuseinät ja kuperat reunat ovat alttiita epävakaudelle, mikä johtaa rakenteen ennenaikaiseen rikkoutumiseen.
Verrattuna ontoihin A-muotoisiin ripoihin, PMI-vaahtotäytteisissä rivoissa vaahtoydinmateriaali ei toimi vain ydinmuotina valmistusprosessin aikana, vaan toimii myös rakennemateriaalina, joka parantaa epävakautta estävää suorituskykyä; Ennen kuin säilytä rakenteen muoto ja lujuus. Vaahtomuovitäytteisen A-vahvisteisen nauhan tasossa olevaa puristuslujuutta verrataan ontelovahvisteisen nauhan puristuslujuuteen. Kun rakenne joutuu alustavaan epävakauteen, epävakauskuorma kasvaa noin 100 %. Ydinmateriaali kantaa pääasiassa veto- ja puristusjännitykset kohtisuorassa ripojen sivupintaan nähden, jotta vältetään rakenteen ennenaikainen rikkoutuminen ennen kuin hiilikuitu/epoksi-komposiittilevy saavuttaa myötörajansa.
6. Johtopäätös
PMI-vaahtoytimen käyttöä voidaan käyttää ydinmuotina A-muotoisten ripojen valmistukseen, mikä voi vähentää huomattavasti komponenttien asennus- ja kovetuskustannuksia. Prepreg voidaan helposti asettaa vaahtomuottiin. PMI-vaahdon isotrooppinen tyhjä rakenne ja hyvä puristus- ja virumisvastus autoklaavikovetusjakson aikana mahdollistavat yksivaiheisen yhteiskovetusprosessin toteuttamisen. Voimme myös päätellä, että A-muotoisilla vahvistusrivoilla täytetyn PMI-vaahdon käyttö voi merkittävästi parantaa ohutseinämäisten hiilikuitu/epoksirakenteiden epävakautta estävää suorituskykyä. Jäykisteiden käyttö voi nostaa myötölujuutta noin 30 % ja epästabiilisuusmurtolujuutta noin 100 %.
