性能更佳的3D夹芯板制造
杨莹编译
(上海玻璃钢研究院有限公司，201404上海)

摘　要

　　Acrosoma^®3D缝合板是一种可大量生产的高科技产品，用它制成的结构质量轻，能够承受高载荷，具有低热膨胀。本文介绍了如何使用三维夹芯板推动复合材料在结构应用上的极限。

　　工业上对于结构复合材料的需求与日俱增，对材料的要求和限制也日趋严格。由于需要较高的比强度和比刚度。使用普通复合材料已经达到了它们的极限。夹层结构被越来越多地考虑用于动态负荷结构中，比如风力机叶片、飞机构件和载重拖车。但是，仍然存在三个主要问题：当前生产技术不具备成本效益、难以阻止损坏发生、分层不受控制。Acrosoma NV公司已开发出一项先进的、具有成本效益的、可进行连续生产的技术，该技术能够解决上述三个问题。工程小组做了深入的理论和应用研究，以了解三维夹芯板的表现性能。然后，他们对夹芯板和生产工艺进行了优化，在有限元模型和广泛测试的基础上持续不断地进行完善。
　　三维夹芯板现已成功应用于制造飞机的设备和工装、风力机叶片和载重拖车。这些实例提供了可靠的数据，将用于进一步开发这项有前景的新技术。本文主要介绍了这项技术、计算方法和一些成功的实例。

1　介绍

1.1　概论
　　夹层结构在过去已经证明了它的潜力，它的主要优点是弯曲刚度与重量比高。由于芯材较轻，刚性蒙皮能够远离中性轴，增加弯曲刚度。夹层结构的一个缺点是它的抗分层性较差。因为中心和蒙皮(但仅限于树脂)之间没有增强材料联接，所以结构容易分层。Acrosoma NV已经开发出一款名为Acrosoma^®的缝合夹芯板。缝合能够提高夹层结构在厚度方向上的性能，也就是抗分层性。关于缝合对重要参数(比如弯曲、压缩、剪切)的影响问题已进行了大量的研究。一个经过缝合的夹层结构的性能不同于一个未经缝合的夹层结构，因此很难表征Acrosoma^®这样的缝合夹层结构。Acrosoma NV已开发出表征3D增强材料的方法。
1.2　生产工艺
　　将两种现有的技术――簇绒和拉挤成型结合，开发出一项可靠的、可进行连续生产三维结构夹芯板的工艺。泡沫芯材放入整台机器中，上下部分均铺放纤维，再使用改良后的簇绒织机进行缝合。在板的底部使用z字型缝合，以便于这些材料进入树脂注射室和模头中（见图1、图2）。

　　虽然这个想法乍看之下很简单，但是从用于拖车行业的板材发展到可应用于航空航天领域的板材花费了数年的时间。

2　工程方法

　　为了展现Aerosoma^®结构的优点，并论证其性能，公司开发出一套能够模拟结构性能的内部方法。这套以有限元为基础的模拟程序的步是在CATIAV5^®中建造3D模型。材料(包括铺层中的各层)的性能是用欧洲空间局(ESA)开发的界面程序ESAComp^®来进行模拟。
　　大多数有限元模型能够极其精准地模拟复合材料结构，但对3D结构则不能，尤其当结构中的纤维密度在一个方向上与其它两个方向相差甚远的情况下，比如Acrosoma^®板。这就需要特定的界面程序。公司在欧洲空间局的帮助下采用了这个方法，将材料和3D模型结合起来，然后使用有限元进行模拟。从界面程序输入的各个铺层分配给各个几何区域。通过在有限元模型中使用适当的负荷条件和极限条件，能够进行计算，然后对结果进行评估和比较。在这里使用的有限元程序是ABAQUS^®。这些都是为了优化铺层的结构层(见图3)。

3   梁的生产

　　机器能够制造出各种组合的三维缝合板。下列图片显示的是碳纤维蒙皮板的生产过程。采用连续生产过程，能制造出长达40米的板(见图4)。
　　这些长板被切成长条状，放人液压装配夹具中(见图5)，并和拉挤角型材胶接在一起形成一根梁(见图6)。

4　可能的界面

　　以Acrosoma^®为基础的结构可以和铆螺母、钢板或玻纤树脂层板面接。
4.1　与铆螺母面接
　　铆螺母放入固化后的板中。当不能穿过板时，铆螺母能够使物体固定在结构上。铆螺母的尺寸从M8到M12(见图7)。铆螺母只能放在板的一侧。由于板是三维结构的，所有的压力都转移到板的两面上(见图8)。

4.2　与钢板面接
　　钢板连接在板上，这些钢板上都有螺丝孔，因此能够将物体固定在钢板上(见图9)。

　　当存在剥离力时，钢板能够与Acrosoma^®板固定住。在这种情况下，必须要把另一块钢板固定在板的另一面，并用轴衬嵌入，借此将压力转移到另一面上。 
4.3　与玻纤树脂层板面接
　　玻纤-树脂层板连接在板上。这些层板的厚度从3mm到20mm不等，应用包括局部增强或点载荷的引入、间隔板、带有螺丝孔的连接板(见图10)。

5　高端应用

　　在过去几年里，Acrosoma小组使用本文介绍的先进技术，设计、测试和制造了多个复合材料结构。  
　　复合材料越来越多地被用作关键部件的结构材料。在近二十年里，Acrosoma NV公司在该领域取得了很多经验。这些经验是分享行业知识、开发用于复合材料结构替代钢结构的基本规则的一个良好基础。新结构需要满足以下基本规则：
　　(1)保持先前所有的性能：
　　(2)至少具有一项新的性能：
　　(4)鉴于市场反应，必须有可能从小批量开始。
5.1　运输设备
　　在Stade和ILLescas工厂，A350XWB飞机机翼由水平运输工具(HTT)进行运输和吊装。该工具结构刚度高，在2.8吨负荷下，总长33米的结构弯曲了仅7毫米，重量很轻，仅3.6吨，使得成本下降（见图11）。

5.2　装配设备
　　上述移动式装配夹具是用来组装A350XWB飞机的外侧襟翼。它的重量为1700千克，中间有0.45毫米的偏斜。其总长度13米，当温差为l0℃时，热膨胀为0.25毫米(见图12)。

5.3　基础结构
　　上述大型框架是开发用于A350XWB机翼前缘夹具的基础。该组合物总长度为40米，每升高l0℃，热膨胀为0.25毫米。该物体的顶部和底部都粘接钢板。这些板在垂直方向上的偏差为+/-0.5毫米(见图13)。图11和图12分别显示的是适当的绕纱角度和作为轴向坐标的单层膜厚度。绕纱角度和厚度对正确开发助推火箭的有限元模型是十分必要的(见图13)。