复合材料舱门设计研究

陈龙辉，王强，付杰斌，卢维富，刘贵芳

（中航工业洪都，江西南昌330024）

复合材料舱门设计研究

陈龙辉，王强，付杰斌，卢维富，刘贵芳

（中航工业洪都，江西南昌330024）

研究了某型飞机复合材料舱门的结构设计技术，主要包括：结构方案的设计、成型工艺流程的拟定及材料的选取、舱门零件的设计、结构防护设计等整个设计过程。

复材舱门；结构设计；结构防护

0 引言

先进复合材料在飞机结构上的应用能够获得显著的减重效果，可显著提高零件表面质量和飞机外形精度，并有效降低装配工作量。以复合材料为结构载体还延伸出诸如结构功能一体化、智能结构等先进飞机结构设计理念。然而，先进复合材料应用技术一直以来是一项高成本高投入的高新技术，但是航空航天领域常用的先进复合材料成本中，制造成本约占60%～70%。因此，降低制造成本、提高设计制造水平是扩大先进复合材料应用范围的重要措施。

近年来，国际复合材料领域一直致力于研究高性能复合材料的低成本设计制造技术。打破了长久以来高性能复合材料必然需要高制造成本的惯例，为高性能复合材料开辟了广阔的应用空间，而液态成型正是在低成本复合材料技术这一思想指导下出现的复合材料成型技术。

某型飞机某舱门结构属该型飞机的次承力结构，该类结构要求舱门具有较高的结构效率，加之本舱门构成飞机外形，故要求具有较高的表面质量以保证飞机的外形精度。对于造价高昂的飞机而言，降低成本是一个重要的要求，而且是贯穿飞机全寿命周期的要求，故必须从设计之初开始融入降低成本的理念。

为提高结构效率及得到较高的表面质量，在该型飞机舱门上采用复合材料设计，选用低成本的液态成型工艺，既可以摆脱对昂贵复杂的预浸工艺和高能耗热压罐的依赖，又可以得到高质量、高尺寸精度要求的舱门结构，同时减少装配工序、减轻重量等。

1 结构方案设计

1.1 结构概述

某型飞机舱门由旋转作动器驱动，并通过旋转摇臂固定到机身上的旋转作动器上。

长宽比较大是本舱门较为显著的特点，且驱动舱门的旋转作动器位于舱门的同一侧，即舱门为悬臂结构。此类舱门的整体刚度为设计时主要考虑因素。

1.2结构形式分析

为了充分发挥复合材料重量轻、便于整体成型等优点，将舱门设计成复合材料结构，以减少零件数目，降低零件铆接工作量，减少装配协调问题，缩短制造周期，减轻重量和节省成本，舱门采用缝合+ VARI液态成型工艺。

为了加强舱门刚度，在舱门横向布置金属支座外还布置了复合材料T型材，纵向布置了多根帽型材。

本舱门结构由支座、摇臂、T型材、外蒙皮、帽型材、泡沫、铜网组成。其中，除支座、摇臂及铜网为金属件外，其余零件均为复合材料件。

舱门采用单壁板形式，机械连接通路好。帽型材及泡沫用于提高壁板刚度。同时帽型材中设置泡沫芯材还可减少成型模具，简化成型工艺。该结构形式零件数量较少，装配工艺简便，符合结构完整性要求。

2 结构详细设计

2.1 成型工艺方案分析

真空辅助成形工艺(VARI)，指在真空状态下排除纤维增强预制体中的气体，通过树脂流动、渗透、对预制体浸渍，并在室温下固化或在烘箱内加热固化成形的液体成形工艺方法。它是先将织物或预成型体(织物或预成型体通常经过预压缩以满足型腔)铺覆于模具型腔中，然后闭合上模，抽真空，真空度一般在6l-95kPa，树脂同时在注射压力和真空辅助下，进入预成型体，浸渍并固化。

VARI工艺的特点为模具简单,以及对模具材料要求低，特别适合于大型结构件的生产。它也适合于对缝纫预成形体的浸润,使复合材料结构具有良好的抗撞特性。

VARI工艺具有如下优点:

1）适合成型大厚度、大尺寸的复合材料构件；

2）不需要承受注射压力的闭合模具，仅需要在真空条件下不漏气的单面模具；

3）不需要额外成型压力，仅需要用密封真空袋保证的真空度；

4）作业温度低，经高温处理后可在较高温度下使用；

5）成形的构件力学性能较好、纤维含量较高、孔隙含量低；

6）设备投资低、设备使用费用低、生产周期短、能源消耗低。

2.2 制造工艺流程及选材

舱门的制造工艺为：支座及摇臂等金属件由机加完成，外蒙皮、帽型材、泡沫、铜网采用VARI+缝合工艺整体成型为舱门壁板，T型材采用VARI成型工艺单独成型，之后舱门壁板与T型材、支座、摇臂用钛合金连接件机械连接（如图1）。T型材单独固化成型后与壁板机械连接而不与其他复材件一起固化成型，可以降低模具复杂度，降低工装成本，降低工艺难度。

图1 舱门工艺流程

材料是结构的基础，结构所选材料的性能，很大程度上影响所设计的结构能否满足使用要求。通过综合考虑成本和技术成熟度，在满足结构设计要求的前提下，对金属件及复材件均选用了各自领域较为成熟的材料，其中复合材料选用3228/U3160及3228/CF3031材料体系，泡沫材料选用ROHACELL泡沫，用于加强舱门刚度的金属支座选用7050-T7451铝合金材料，而用于连接舱门和机身的摇臂则选用强度更高的30CrMnSiA。

2.3 零件详细设计

舱门外蒙皮为复合材料预成型体，构成飞机气动外形，主要承受面内剪力。采用复合材料3228/ U3160，为了得到更高的表面质量，蒙皮内、外表面各增贴一层3228/CF3031编织布，使舱门表面光滑，减小气动阻力。铺层顺序为[(±45)f/45/-45/0/45/0/90/-45/0]s，其中下标为f的铺层为3228/CF3031编织布。同时，为了提高结构效率，在外蒙皮的部分位置进行了适当的剔层设计。

纵向构件由15根帽型材和15块泡沫组成（如图2），用以提高舱门的刚度并增加蒙皮稳定性。与外蒙皮一样，帽型材均为复合材料预成型体，材料为3228/U3160。帽型材内置泡沫材料为ROHACELL泡沫。帽型材铺层为：[45/-45/0/45/90/-45/0]s、[45/-45/0/ 90/0]s。

图2 纵向构件（帽型材及泡沫）

横向构件由12根T型材和4个支座组成。横向构件主要承受蒙皮传来的气动力及其引起的弯矩。T型材采用VARI成型工艺单独成型（如图3），材料选用3228/U3160，铺层为：[45/-45/90/0/90/0]s。T型材与舱门壁板之间采用钛合金沉头大底角螺栓湿连接。

图3 T型材

支座采用7050-T7451材料（如图4）以更好的为舱门提供悬挂支持。支座与舱门壁板之间连接采用钛合金沉头大底角螺栓湿连接。为了提高支座的耐磨性，支座耳片上压入4只钢制带凸肩衬套。

图4 支座

摇臂（如图5）用于连接舱门及旋转作动器，悬挂整个舱门并支持舱门完成开闭动作，共4只。摇臂采用螺栓与支座连接，作为主承力结构的连接部分。由于摇臂位于舱门开闭动作的中心，此处的变形在舱门悬挂的最外端将明显放大，故摇臂采用30CrMnSiA材料。

3 结构防护设计

3.1 表面防护设计

为满足电磁防护性能要求，即舱门应具有防静电、防雷击设计等性能。飞机雷击分区如图6所示，目前常用的防护方案的优缺点详见表1。

图5 摇臂

图6 飞机雷击分区示意

从表1不难发现：金属丝网的防护方案重量轻、性能稳定，并已应用于某型号飞机上，而舱门位于机身腹部，结合图6可知处于防雷击Ⅱ区，金属丝网的防护方案能够满足舱门防雷击要求，因此选用金属丝网防护方案。

本舱门结构设计的表面防护方案如下：

1）舱门外表面铺贴一层铜网42-CU84A；

2）固化成型后复合材料零件的外露部分涂漆；

3）舱门在几处接头各通过搭接线与机身接头连接，与金属机体形成电通路。

3.2 防电偶腐蚀设计

两种不同电位的材料接触时，如遇到有电解液存在的情况，会产生快速的电偶腐蚀。碳具有较好的导电性并具有较高的电位，碳纤维复合材料在一般环境中呈惰性，表现为贵金属特性。与金属连接时，几乎都起阴极作用，加速金属的腐蚀。

表1 防护方案的优缺点

为防止舱门结构发生电偶腐蚀，本文对舱门结构采用以下三种防电偶腐蚀措施：

1）与复材件连接的紧固件均采用钛合金大底脚螺栓进行连接。

2）碳纤维复合材料与铝合金接头接触部位有电偶腐蚀，均采取铺放玻璃布进行电偶腐蚀防护。

3）所有紧固件均采用湿连接。

4 结语

本文论述了复合材料舱门的设计研究过程，复材舱门采用缝合工艺，以提高舱门蒙皮冲击后剩余强度及舱门的抗撞击性能，采用金属铜网对舱门及机体进行雷击防护。通过结构详细设计，选取相应的材料体系和成型工艺，得到了制造、装配方案，可满足强度要求的复合材料舱门。

[1]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册第10册结构设计[M].北京：航空工业出版社，2010.

[2]杨乃宾等.复合材料飞机结构设计手册[M].北京：航空工业出版社,2002.

[3]沈真.复合材料结构设计手册[M].北京：航空工业出版社,2001.

>>>作者简介

陈龙辉，男，1988年出生，2013年毕业于西北工业大学，硕士，现从事飞机结构设计工作。

Study on Door Design of Composite Material

Chen Longhui,Wan Qiang,Fu Jiebin,Lu Weifu,Liu Guifang
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

Study on structure design technique of aircraft door in composite material has been conducted of which the whole design process mainly covers design of structural plan,preparation of forming process,selection of material,design of door parts and design of structural protection,etc.

door of composite material;structural design;structural protection

2016-04-25）