【技术干货】具有波纹状CFRP夹层结构的设计与开发
摘 要
碳纤维复合材料（CFRP）已在航空工业中获得广泛应用，在未来的机身中，夹层结构将会是最具希望的材料，因为它可以承受面内/面外剪切载荷、面外压缩载荷和轴向张力，并且具有较高的横向刚度。
目前CFRP夹层结构最常用的为蜂窝结构，但通过载荷-重量比对比发现，CFRP波纹板的重量比典型的蜂窝芯和CFRP层合板轻，这也就意味着，它们能够最有效地分担面外剪切荷载。
为此，日本三菱重工设计了一种CFRP波形板结构，并针对这种结构，通过数值分析确定了侧弯圆角对粘合剥离强度的改善效果。随后采用一次性固化工艺对带有角部圆角的CFRP整体式夹层结构进行了原型设计，并确保了将其应用于机身的前景。
附：公众号预浸料与复材原创文章：
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CFRP夹层结构应用背景
近年来，由于碳纤维具有高比强度、高比模量等优势，因此CFRP在飞机结构应用中获得高速发展，但实际应用的CFRP结构大多是所谓蒙皮纵梁面板结构的共粘结或螺栓连接，采用的结构类型与使用金属材料时选择的结构类型相似。
在未来的机身中，夹层结构Sandwich Construction似乎很有希望替代传统结构类型。由于夹层结构本身可以承受面内/面外剪切载荷、面外压缩载荷和轴向张力，并且具有较高的横向刚度（屈曲强度），其框架/纵梁可以有利地实现较宽的间隔宽。
自然而然，更少的框架、纵梁和其他荷载分担构件会使重量减轻和零件组装成本降低。在夹层结构中，蜂窝状结构是最常见的一种结构形式（图1），通常这种结构由芳纶纤维（Nomex®）或铝制成。然而，这两种材料都存在问题，包括由于芯部吸收水分而引起的腐蚀，或者由于长期运行期间暴露在环境中而导致水分保留在芯部。由于腐蚀和吸湿会降低芯部强度，因此持续运行期间需要定期维修，最终会导致其寿命周期成本增加。
图1 含预浸料蒙皮的蜂窝夹层结构
相比之下，由于CFRP优异的抗腐蚀性能，因此CFRP夹层结构应用时在寿命周期成本方面是相当有利的。图2比较了Nomex®芯、铝蜂窝芯、CFRP层压板和CFRP波纹板（整体）的重量。
图2 不同类型夹层结构载荷-重量比
CFRP波纹板结构设计
日本三菱重工Mitsubishi Heavy Industries（MHI）公司设计了一种具有波纹状CFRP整体芯的夹层结构，该结构类似于广泛应用于纸箱中的结构，如图3所示。
图3 由面板和CFRP组成的整体夹层结构的轮廓
与蜂窝芯结构不同，波纹板具有很强的面内各向异性。这一特性可以使其在高刚度方向上承受轴向张力，这是弦杆的一个功能，而且还可以使在传递平面外剪切载荷方面重要的面板-核心粘结表面足够宽敞。
众所周知，粘合线的剥离强度对于这种类型的结构至关重要，降低粘合线上的应力集中是提高剥离强度的重要因素，因为在粘合线的末端应用角圆角被认为是降低应力集中的有效方法。本文通过数值分析研究了这种角部圆角对CFRP整体夹层结构的影响。
图4显示了两个有限元分析模型，一个是带角圆角的模型，另一个是不带角圆角的模型。分析模型主要采用六面体实体单元建模，面板和波纹板为CFRP准各向同性层合板。角部圆角的材料性能与粘合剂相同。
图4 带角圆角和不带角圆角的有限元分析模型
CFRP波纹板性能评测
作为分析结果的一部分，表1给出了在图5所示的几种荷载条件下，带圆角与不带圆角材料的平面外剥离应力（峰值）之间的对比。表1中给出的值进行了无量纲化，将不带角圆角的应力值设为1.00。在有角圆角的情况下，该值为0.65或更低，特别是，在承受内部压力时达到0.16，在承受横向平面外剪切载荷时达到0.24，这表明角圆角对减轻平面外剥离应力非常有效。
图5 进行有限元分析的载荷条件
在明确角部圆角对于提高CFRP整体式夹层结构的粘合剥离强度具有积极意义的基础上，MHI进一步带有角部圆角的CFRP整体式夹心结构进行了原型设计。图6显示了CFRP整体式夹心结构的原型。
图6 根据数值计算等设计加工的结构原型
面板采用单向预浸料，波纹板采用机织预浸料，角部采用胶粘剂，采用高压釜一次固化工艺。通过外观观察，发现基材（面板、波纹板）和粘合线的质量均良好。该原型结构的成功加工为将CFRP整体式夹心结构应用于飞机机身提供了基础。