金属改复合材料中舱门结构优化设计

朱成香，张改华，高永强，李 琼

(航空工业洪都,江西 南昌 330024)

0 引言

某型机发动机舱门目前采用金属钣金铆接结构，存在零件数量较多，组装过程中容易产生扭转变形，与机体结构之间存在强迫装配现象，导致外形质量难以保证，并且制造周期长。为了解决此类问题，对舱门进行复材结构方案优化设计。

本复材设计采用CATIA与FIBERSIM软件集成的数字化设计制造一体化技术，从复合材料零部件整体成型体选材、细节设计、制造工艺装配等进行论述，为复材整体成型结构设计及制造一体化技术应用提供思路。

1 原金属中舱门结构方案

原金属舱门为铝合金铆接结构，由蒙皮和舱门骨架组成，舱门骨架主要有三个横隔板、四个纵隔板以及两个舱门梁组成；而每个横隔板均由三段“Z”形LY12M-δ1.2钣弯件组合而成，每个纵隔板均由两段“C”形LY12M-δ1.2钣弯件组成。舱门与周围结构均采用快卸锁连接，左右两侧对称分布3把钩形快卸锁与下大梁上的锁环连接，前端4个插销锁座与前舱门4把插销快卸锁连接，后端4把插销快卸锁与36框上的锁座连接，对称面横隔板处有一只弹簧快卸销与中梁连接，连接舱门与周围结构的15个接头均为铝质或钢质的机加零件，舱门结构见图1所示。

2 复合材料中舱门结构方案

复材结构的最大特点是材料和结构同时成型，结构设计、材料选用和制造工艺紧密结合，最大限度地利用复材独特的结构特性（可设计性和优异的成形工艺性），整体成型，减轻重量，降低成本。

2.1 工艺方法的选择

热压罐工艺是比较成熟的工艺方法，可以提供均匀的高温度，高压力场，制件质量高。RTM工艺具有强度及性能可靠性高、成型工艺简单、生产效率高、外表光滑、环保性能好等优点。

若将中舱门壁板和舱门骨架整体RTM成型，则蒙皮加泡沫结构模具分块多，设计相当复杂，工作量大，成本高。综合考虑，将热压罐工艺与RTM技术结合起来，热压罐工艺用于成形舱门壁板，RTM工艺用于成形舱门骨架，然后进热压灌进行二次胶接。虽然配合协调技术要求高，但降低了工艺难度；降低了制造大型构件的风险，废品率低，可充分发挥两种工艺的优势。

2.2 材料选择

复材夹层结构与传统的层压板相比，具有高刚度、重量比的优点，可以达到明显的减重效果。夹层结构的泡沫芯材相比蜂窝芯材，具有吸胶量低，抗吸湿性好的优点。ROHACELLL-51WF材料是一种闭孔刚性发泡材料，具有卓越的强度和重量比，适合采用共固化工艺。

环氧树脂具有优良的力学性能、纤维界面粘接性能及成型工艺性能等特点，其品种多，与各种纤维匹配性好，制孔、切削等机械加工性能好，适于低成本RTM成形工艺等，所以根据结构的最高温度，可选择5284RTM中温环氧树脂体系，U-3160及CF3031织物非常适宜碳纤维这类具有高模量且耐磨性差的纤维的织造。

因此选择了U3160/5284RTM，CF3031/5284RTM ，及泡沫夹芯ROHACELL-51WF等材料，用于舱门设计制造。

2.3 复材方案确定

综合考虑中舱门整体成形模具设计制造成本、材料的匹配性、零件生产制造和装配等因素，根据舱门的结构和受力特点，RTM工艺成形舱门骨架，预浸料/热压罐工艺成形舱门壁板（泡沫夹芯），之后骨架与壁板进行二次胶接组合，最后将锁座等金属接头通过紧固件固定在舱门骨架上，完成整个舱门的装配。舱门与周围结构的连接保持不变：左、右两侧各采用3把钩形快卸锁与后机身下大梁上的锁环连接，中间采用1把快卸弹簧销与中梁连接，前、后两侧各采用4把插销分别与前舱门及36框连接。

各复合材料零组件（包括1个舱门壁板、3个横隔板、4个纵隔板、2个舱门梁以及1个口框）单独固化成型后用中温胶膜J-47E进行二次胶接，最后将锁座等金属接头通过紧固件固定在舱门骨架上，完成整个舱门的装配，结构示意见图2。

3 舱门整体成型体细节设计

3.1 舱门骨架

舱门骨架采用RTM液态成形工艺制造，包括由3个横隔板、5个纵隔板及2个舱门梁组成，各零件单独固化成型，如图3所示。

3.2 隔板

横隔板左右跨度约2000mm，与舱门外形一致为“W”形结构，主要为舱门壁板提供横向支持，防止舱门受力时产生过大的横向变形，并将舱门接头传来的集中载荷向壁板进行扩散，横隔板因外形曲率大、弯折严重，采用CF3031/5284RTM碳纤维，充分利用该织物良好的铺贴性；缘条部位采用U-3160/5284RTM碳纤维发挥其单向性能突出的优势。为提高零件的表面质量，最外层采用沿45°方向布置的CF3031/5284RTM织物。结构如图4所示。

纵隔板位于横隔板之间，其功能与横隔板类似，主要用于提高壁板刚度，防止受力时舱门产生过大的纵向变形，由6层CF3031/5284RTM和4层U3160/5284RTM共同铺成。

3.3 舱门梁

舱门梁位于舱门的两侧，与横隔板及壁板相连，金属销座通过紧固件固定在舱门梁上，其功能与纵隔板类似，主要防止舱门受力时产生过大的纵向变形。由6层CF3031/5284RTM和4层U-3160/5284RTM铺成，与金属销座的连接部位局部加强，增加10层碳纤维。结构如图5所示。

3.4 舱门壁板

舱门壁板及口盖均为碳纤维泡沫夹芯结构，采用传统的预浸料/热压罐工艺共固化成型，由内、外蒙皮及泡沫夹芯组成，结构如图6所示。壁板及口盖的内、外蒙皮均采用8层HF10A/NY9200GA碳纤维预浸料铺成，泡沫夹芯材料为Rohacell-51WF且厚度均为10mm。

3.5 口框

因舱门壁板上开有口盖供拆装快卸弹簧销使用，壁板在口盖周围需要加强，因此布置了加强口框并通过二次胶接将口框固定在壁板上。口框由16层HF10A/NY9200GA碳纤维预浸料铺成，结构如图7所示。

3.6 舱门接头

在舱门与周围结构的连接保持不变的前提下，左右两侧的钩形锁座、中间的快卸销座及前部的插销座与金属舱门基本相同，受复材零件完整性要求，连接舱门后部与隔框的插销锁改为弹簧快卸销，后部的锁座相应改为插销座，接头布置如图8所示。

因舱门骨架单独成形，需要在纵、横隔板的交叉部位增加连接件将骨架连成一个整体：在隔板的腹板之间增加L形角片传递剪力，在隔板的上缘条间增加连接片以传递轴力。如图9，图10所示。

3.7 舱门装配

装配时，接头及锁座等金属零件与蒙皮、隔板等复材零件之间贴一层玻璃布防止电化学腐蚀，所有的结构缝隙在固化后必须用环氧树脂J-4胶封口。金属和复材之间用钛合金抽钉CR7771S和CR7770S进行连接，舱门梁、纵隔板、钩形快卸锁与蒙皮典型连接如图11所示。所有机械连接（口盖处及注明除外）均采用湿连接，连接时钉孔涂H06-2环氧锌黄底漆。

舱门的金属接头与碳纤维复合材料壁板及隔板连接，为防止电位差过大引起电位腐蚀：钩形锁座采用不锈钢材料1Cr18Ni9Ti，其它接头根据传载的需要选用7050-T7451或30CrMnSiA，骨架间的连接片采用LY12铝合金，并在与复合材料制件的贴合面处增加1层玻璃布进行隔离。

3.8 典型零件FIBERSIM铺层信息表示

FIBERSIM软件为世界领先的复合材料设计制造软件，集成于CATIA软件，铺层信息比较直观，为复合材料的设计和制造提供了全面的解决方案，能够自动生成生产所需的下料、激光定位等信息。

典型的横隔板零件因外形曲率大、弯折严重，隔板截面为“工”字形，贴膜面如图12所示。隔板腹板由10层碳纤维织物（CF3031/5284RTM）铺成，在与销座的连接部位局部加强（增加5层CF3031/5284RTM），并在过渡区内逐级剔层；隔板缘条由1层CF3031/5284RTM及5层U3160/5284RTM铺成，如图13，图14所示。通过FIBERSIM软件可以很直观的看见零件的铺层信息，而且FIBERSIM软件可与有限元分析接口，进行强度校核，可进行可制造性分析形成相关数据。

4 静强度计算

经过强度分析，中舱门复合材料结构满足强度要求，舱门结构的安全余量、稳定性系数和失效指数具体如表1所示。

5 工艺重点分析及技术措施

5.1 工艺重点分析

5.1.1 壁板外形控制

影响舱门壁板形面质量的因素包括：外蒙皮的厚度精度；泡沫夹芯的尺寸精度；内蒙皮的厚度精度；零件整体变形量。

5.1.2 胶接质量控制

发动机舱门由壁板和纵、横隔板、梁采用J-47E中温胶胶接成型。壁板外形复杂、尺寸大，存在很大的变形风险。因此壁板与纵横隔板、梁胶接面会出现不同程度的间隙或干涉现象。因此，首先会出现胶接质量不理想，其次随着时间推移应力释放将出现胶接面脱粘现象。

表1 舱门强度指标

表2 模具设计

5.1.3 锁座安装定位

锁座是发动机舱门与机身连接的部位，是这两部分的装配交点，其安装位置的准确度直接影响到发动机舱门能否成功与机身连接。

5.2 技术措施及工艺过程

本着工装数量最小化及制造依据的一致性，对于壁板成形、舱门骨架组合及两者的胶接、快卸锁的安装四部分工作制定模具如表2所示。

5.2.1 舱门骨架组合工艺过程

首先，用RTM零件检查与壁板胶接区是否存在干涉，然后用J-81胶定位胶接各RTM零件，再用模具上的定位装置将各RTM零件定位，最后用角片和连接片通过机械连接将各RTM零件组装成骨架。

5.2.2 壁板与骨架胶接工艺过程

首先，校验模校验骨架与壁板胶接面配合情况，然后，根据校验结果放置相应层数的胶膜J-47E，最后用均压板均匀施压保障胶接质量。

5.2.3 锁座安装工艺过程

借用现有某型教练机中舱门装配架，通过型架定位器确定锁座安装位置。

6 设计指标评价

6.1 连接件数量

舱门的连接件主要位于金属件与复材件的连接部位，连接件数量减少74%。

6.2 零件数量

根据复合材料发动机舱门的详细设计数模，零件数量减少45%。

6.3 舱门重量

按照详细设计数模，重量减小9.5%。

7 结语

本文通过对金属改复材舱门优化设计研究过程进行论述，选取相应的材料体系，借助FIBERSIM软件设计方法,实现了某型机舱门结构先进复材整体成型设计—工艺技术，不但能减轻结构重量，控制结构变形，改善外表面质量，而且可以减少零件数量及机械连接，降低装配难度。

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