1. Struttura a sandwich
Nella progettazione di aeromobili, è la sfida più grande per i progettisti richiedere che i componenti progettati siano il più leggeri possibile senza perdere forza. Ciò richiede che la struttura a parete sottile sia progettata per essere stabile sotto l'azione combinata di carichi di trazione, compressione e taglio. In passato, in alcune aree sono ancora utilizzati i tradizionali metodi di progettazione delle strutture degli aeromobili. Tralicci lunghi e nervature/telai sono usati per formare rinforzi longitudinali e laterali per migliorare la stabilità della tavola. Alcune strutture secondarie, infatti, possono essere progettate anche con strutture sandwich per soddisfare i requisiti di resistenza e rigidità. La struttura a sandwich di solito adotta materiale a nido d'ape o schiuma.
Per le strutture a profilo alare con grandi altezze strutturali, i pannelli skin (in particolare i pannelli a profilo alare superiore) che utilizzano strutture sandwich anziché pannelli a nido d'ape possono ridurre significativamente il peso. Per le strutture a profilo alare con piccole altezze strutturali (in particolare le superfici di controllo), a tutta altezza La struttura a sandwich al posto della struttura a trave può anche apportare significativi effetti di riduzione del peso. Il più grande vantaggio della struttura a sandwich è che ha una maggiore rigidità e resistenza alla flessione.
La struttura sandwich composita degli aeromobili di solito utilizza materiali compositi avanzati come pannelli e l'anima sandwich è realizzata con materiali leggeri. Le prestazioni di rigidezza alla flessione della struttura sandwich dipendono principalmente dalle prestazioni del pannello e dall'altezza tra i due strati di pannelli. Maggiore è l'altezza, maggiore è la rigidità alla flessione. L'anima sandwich della struttura sandwich sopporta principalmente le sollecitazioni di taglio e sostiene il pannello senza perdere la sua stabilità. Di solito, la forza di taglio di questo tipo di struttura è piccola. La scelta di materiali leggeri come anima sandwich può ridurre notevolmente il peso dei componenti. Inoltre, l'esperienza dell'uso della struttura a sandwich mostra anche che quando si valuta la struttura a sandwich dal punto di vista del costo, si deve considerare non solo il costo di produzione, ma anche il costo di vita dell'aeromobile.
2. Struttura a strisce rinforzate
L'uso di irrigidimenti è anche il modo più efficace per rinforzare pannelli in fibra di carbonio/epossidici a parete sottile, come i pannelli laterali dell'aspirazione del motore o della navicella, il rivestimento delle ali e del trave di coda, ecc. L'uso di nervature può migliorare in modo più efficace la rigidità e la stabilità della struttura.
3. Struttura a coste a forma di A riempita di schiuma
La NASA americana e l'Airbus europeo, basati per molti anni sull'uso di strutture sandwich e strisce irrigidite, hanno recentemente proposto una struttura a strisce irrigidite riempite di schiuma per ottimizzare al massimo la progettazione strutturale e il processo di produzione, come l'AIRBUS A380 Il telaio sferico della cabina ermetica, ecc.
Schiuma PMI: la schiuma PMI (Polymethacrylimide, polymethacrylimide) può resistere ai requisiti del processo di indurimento del materiale composito ad alta temperatura dopo un appropriato trattamento ad alta temperatura, il che rende la schiuma PMI ampiamente utilizzata nel campo dell'aviazione. La schiuma PMI a media densità ha buone proprietà di scorrimento compressivo e può essere sterilizzata in autoclave a una temperatura di 120oC -180oC e una pressione di 0,3-0,5MPa. La schiuma PMI è in grado di soddisfare i requisiti di prestazione di scorrimento del normale processo di indurimento del prepreg e può realizzare la co-indurimento della struttura a sandwich. In quanto materiale aerospaziale, la schiuma PMI è una schiuma rigida uniforme a celle chiuse con sostanzialmente la stessa dimensione dei pori. La schiuma PMI può anche soddisfare i requisiti FST. Un'altra caratteristica della struttura a sandwich in schiuma rispetto alla struttura a sandwich a nido d'ape NOMEX® è che la sua resistenza all'umidità è molto migliore. Poiché la schiuma è a celle chiuse, è difficile che l'umidità penetri nell'anima del sandwich. Anche se la struttura sandwich a nido d'ape NOMEX® può essere co-polimerizzata, ridurrà la resistenza del pannello composito. Per evitare il collasso o lo spostamento laterale del materiale del nucleo durante il processo di co-indurimento, la pressione di indurimento è solitamente di 0,28-0,35 MPa invece di 0,69 MPa del solito laminato. Ciò causerà una maggiore porosità del pannello composito. Inoltre, poiché il diametro dei pori della struttura a nido d'ape è grande, la pelle è supportata solo in corrispondenza della parete a nido d'ape, il che farà piegare le fibre e ridurrà la resistenza del laminato della pelle composita.
Sulla base del confronto tra il materiale a nido d'ape e il materiale dell'anima in schiuma, il materiale in schiuma viene solitamente selezionato come materiale dell'anima di riempimento della struttura a nervature a forma di A. Quando viene utilizzato come stampo centrale, funge da materiale strutturale del nucleo della nervatura a forma di A. , È anche un materiale ausiliario di processo.
La schiuma PMI è stata utilizzata con successo come materiale di anima in schiuma per strutture a sandwich in varie strutture di aeromobili. Una delle applicazioni più importanti è il pannello laterale della presa d'aria del motore nella parte posteriore del Boeing MD 11. La lavorazione di precisione CNC e la termoformatura della schiuma riducono notevolmente i costi di posa. Il materiale dell'anima in schiuma PMI ad alte prestazioni ha una buona resistenza alla compressione e allo scorrimento durante il processo di indurimento, in modo che il pannello sia compattato e la superficie sia irregolare. Rispetto all'anima a nido d'ape, la struttura isotropica dei pori della schiuma PMI può anche soddisfare i requisiti di stabilità dimensionale sotto pressione laterale durante il processo di indurimento dell'autoclave. A differenza della struttura a nido d'ape, non ha bisogno di essere riempito di schiuma. Inoltre, la schiuma riesce a trasferire uniformemente la pressione dell'autoclave allo strato del pannello sotto la schiuma, rendendolo compatto, senza difetti superficiali come avvallamenti. La struttura a striscia irrigidita di tipo A riempita di schiuma può essere applicata a componenti come superfici di lancio radar, pareti della navicella, rivestimenti della fusoliera e stabilizzatori verticali.
4. L'ultima applicazione dell'imbottitura in schiuma Una struttura a strisce irrigidita
Le nervature riempite di schiuma sono le ultime applicazioni nella struttura del telaio a pressione posteriore dell'Airbus A340 e A340-600. Finora, quasi 1.700 ROHACELL® 71 WF-HT termoformati e lavorati da CNC sono stati consegnati allo stabilimento Airbus Stade vicino ad Amburgo per essere utilizzati dall'A340. Durante il processo di laminazione e polimerizzazione, la schiuma formata funge da stampo centrale. Durante l'indurimento, la schiuma PMI ha una buona resistenza allo scorrimento da compressione e stabilità dimensionale, quindi in condizioni di indurimento di 180°C, 0,35 MPa e 2 ore, viene adottato il processo di co-indurimento della struttura a sandwich per ridurre i costi. La schiuma PMI può garantire che il preimpregnato attorno alle costole sia completamente compattato, il che può essere un buon sostituto per l'attrezzatura dell'airbag gonfiabile, evitando una serie di problemi come l'uso di airbag gonfiabili che richiedono una polimerizzazione multipla. Finora sono stati prodotti con successo più di 170 telai a pressione posteriore e non ci sono prodotti di scarto. Ciò dimostra anche l'affidabilità e la fattibilità del processo di striscia di rinforzo in schiuma PMI.
Sulla base del successo del nuovo telaio a pressione posteriore A340 che utilizza la struttura a nervature riempite di schiuma PMI, anche il telaio a pressione posteriore A380 utilizza questa tecnologia. Nella struttura dell'A380, le nervature in schiuma sono lunghe 2,5 m e la geometria è relativamente più complicata. La lavorazione della schiuma PMI e la termoformatura sono più facili, il che è anche la chiave per la realizzazione del design delle nervature di riempimento della schiuma. Allo stato attuale, 200 pezzi di centine di schiuma lavorata sono stati consegnati allo stabilimento Airbus Stade per l'utilizzo dell'AIRBUS A 380.
5. Analisi strutturale di una struttura a strisce irrigidite riempite di schiuma
L'esempio seguente discute la fattibilità del materiale del nucleo in schiuma PMI per ottenere l'ottimizzazione dei costi e del peso e soddisfare i doppi requisiti nell'applicazione delle nervature a forma di A. Verrà discusso qui che il materiale dell'anima in schiuma non solo può essere utilizzato come stampo dell'anima nel processo di posa e indurimento, ma può anche svolgere un certo ruolo strutturale nelle nervature. A causa dell'elevata resistenza alla compressione della schiuma, può migliorare la stabilità della struttura, ridurre lo strato prepreg nella struttura a sandwich e raggiungere lo scopo della riduzione del peso.
Sotto l'azione della flessione e della pressione assiale, la struttura composita a parete sottile subisce spesso un cedimento stabile. La rottura per instabilità si verifica sempre nella parte compressa prima che il materiale raggiunga la resistenza alla rottura per compressione. Un modo molto maturo ed efficace è quello di unire le nervature di rinforzo alla struttura del guscio per migliorare la capacità anti-instabilità della struttura del guscio. Le pareti laterali e i bordi convessi della struttura nervata cava a forma di A sono soggetti a instabilità, portando a un cedimento prematuro della struttura.
Rispetto alle nervature cave a forma di A, nelle nervature riempite di schiuma PMI, il materiale dell'anima in schiuma non funge solo da stampo centrale durante il processo di fabbricazione, ma funge anche da materiale strutturale per migliorare le prestazioni anti-instabilità; Prima, mantenere la forma e la forza della struttura. La resistenza alla compressione nel piano della striscia rinforzata ad A riempita di schiuma viene confrontata con quella della striscia rinforzata cava. Quando la struttura subisce un'instabilità iniziale, il carico di instabilità aumenta di circa il 100%. Il materiale dell'anima sopporta principalmente le sollecitazioni di trazione e compressione perpendicolari alla superficie laterale delle nervature per evitare il cedimento prematuro della struttura prima che il pannello composito in fibra di carbonio/epossidica raggiunga la sua resistenza allo snervamento.
6. Conclusione
L'uso dell'anima in schiuma PMI può essere utilizzato come stampo per anima per la produzione di nervature a forma di A, che possono ridurre notevolmente i costi di posa e indurimento dei componenti. Il prepreg può essere facilmente posato sullo stampo con anima in schiuma. La struttura del vuoto isotropico della schiuma PMI e la buona resistenza alla compressione e allo scorrimento durante il ciclo di polimerizzazione in autoclave consentono di realizzare il processo di co-polimerizzazione in un'unica fase. Possiamo anche concludere che l'uso di schiuma PMI riempita con nervature di rinforzo a forma di A può migliorare significativamente le prestazioni anti-instabilità delle strutture in fibra di carbonio/epossidica a parete sottile. L'uso di rinforzi può aumentare la resistenza alla rottura per snervamento di circa il 30% e la resistenza alla rottura per instabilità di circa il 100%.
