玻璃纤维复合材料结构

第七节　玻璃纤维复合材料结构

树脂基玻璃纤维复合材料耐腐蚀性能优良，并容易实现整体固化成形，有效减少机械连接。采用玻璃纤维复合材料结构是解决农林飞机结构腐蚀的最佳选择。

农林飞机属低速轻型飞机，载荷小。金属结构蒙皮厚度大多为0.6mm，少数部位部不超过0.8mm，应力水平普遍较低。如农5A飞机后机身蒙皮剪应力大多在10MPa以下，最高不超过30MPa。机翼蒙皮剪应力大多在50MPa以下，根部剪应力不超过130MPa。照理蒙皮可以更薄，但0.5mm以下金属板只有带材供应，带材虽然长度较长，但长条薄板工艺、刚度均很差，还得分段连接，因此蒙皮连接缝增加较多。蒙皮太薄对成形和铆接也不利。稳定性是蒙皮主要约束条件，蒙皮的失稳临界应力与厚度的平方和材料弹性模量一次方成正比。玻璃纤维复合材料的弹性模量没有铝合金高，但由于比重小，适当的增加厚度，如果结构型式得当，不但重量不重，反而可能更轻。

国外不少轻型飞机采用了全玻璃钢结构，如奥地利钻石公司DA40和DA42系列四座机，美国西锐公司的SR20/22系列四座机等。DA40飞机带垂尾的机身由左右两半胶接而成，主要材料为玻璃纤维复合材料，局部高应力区用碳纤维增强，双梁机翼采用玻璃纤维复合材料/ PVC泡沫/玻璃纤维蜂窝夹芯蒙皮。

夹层结构是承载效率高的结构型式，人们常采用蜂窝夹层结构。蜂窝壁板制造过程复杂，曲面壁板制造困难。如果密封不好，蜂窝格内容易积水结冰，造成面板脱胶。

泡沫夹芯力学性能虽然没有蜂窝夹芯高，但泡沫夹层壁板制造要简单容易。国内泡沫品种少，主要是聚氨脂泡沫塑料，国外品种较多，除聚氨酯泡沫（PUR）外，尚有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、丙烯氰－苯乙烯（SAN）、聚醚酰亚胺（PEI）及聚甲基丙烯亚胺（PM I）等泡沫。PS泡沫和PUR泡沫通常仅作为浮力材料，国内常把PUR泡沫作为填充材料用于非承力结构。目前PVC泡沫几乎完全替代PUR泡沫而作为结构芯材，只是在一些现场发泡的结构中除外。

德国德固赛公司生产的ROHACEL L○R闭孔泡沫属于PM I类型，其比强度和比刚度最高，有各种规格（厚度、密度）板材供应，可以加热（180℃）后成形，在成形好的泡沫板上直接铺叠面板，而后加温加压固化成形。

用ROHACELL○R作为帽形筋条的芯材，制造加筋板也比较方便。将加工成形好的芯条贴在蒙皮上，在其上铺设织物或单向带，不需要定位工装，即可进行固化工序。泡沫夹芯筋条的稳定性好，承载效率高，对蒙皮的支持也优于实心筋条。实心筋条加筋板制造过程复杂，需要较多模具和定位工装。

农5A飞机后机身下壁结构腐蚀最为严重，在满足结构强度的要求下，可将在役飞机下壁板由金属铆接结构改为玻璃钢结构，以便解决下壁结构腐蚀问题。改装方案为：下壁板采用泡沫夹芯结构，面板为两层玻璃布：树脂为HJ-4，常温固化；夹芯材料为ROHACELL○R闭孔泡沫，高度10mm，密度32kg/m³。两根下大梁仍为铝合金材料,与壁板共固化,没有长桁，只保留了尾部4个加强框。在铆接部位加入铝条增强,部分连接件采用了尼龙材料。如图5-10所示。

这种改装方案已经通过了静力试验，在两种严重设计载荷作用下，壁板无任何变形，后机身的金属薄蒙皮也未出现失稳现象，这说明总体强度、刚度优于全金属铆接结构。机身下部除了尾部4个加强框外，没有其他骨架，内表面平整光滑，不可能滞留腐蚀液体。在加强框的壁板上开有流水孔，连接部位用密封胶密封，避免农药和清洗液滞留，进入结构缝隙。如果在役飞机实施这种方案，后机身下部不会出现腐蚀现象。

农5A飞机后机身作用是传递尾翼载荷，其结构简单，载荷不大，全部采用玻璃纤维复合材料结构，更为合理。图5-11示出了一种设计方案。泡沫夹芯结构的后机身由上下两块组成，在对接处用胶螺连接，传剪主要靠胶接，螺钉作用主要是提供胶接压力，清除贴合不良问题。下壁板向前延至中翼后梁位置，从而使农药附着严重区（A区）都变为玻璃纤维复合材料结构。图5-12示出了后机身与前机身钢构架连接结构。图5-13示出了带接头的平尾前梁框结构。图5-14示出了带接头的平尾后梁框结构。图5-15示出了连接垂尾后梁和方向舵下支臂的组合接头结构。该结构共有6个横向框，后端框为方向舵封严板，亦起扩散垂尾后梁接头和方向舵下支臂集中载荷作用。各框均为泡沫夹芯结构。尾橇仍维持钢管焊接型式，但材料为不锈钢，机械连接在机身上。尾橇载荷在后面，后连接点靠近后端框，前点直接与壁板相连。在连接处，壁板加入实芯玻璃钢，扩散集中载荷，壁板开ф20排水孔，尾橇后部开整流式排水孔。8框前侧下部清洗口盖供维护人员进入机身内部使用，口盖上有整流式排水孔。尾部两个ф150口盖作为冲洗通道。8框按密封结构设计，操纵钢索通过处加密封装置，框板上开维护口盖。这些技术措施将阻止前面药雾进入后机身。如果实施这种设计方案，农5A飞机结构腐蚀将得到全面彻底的解决。

图5-12　后机身与前机身钢构架连接

图5-13　带接头的平尾前梁框

玻璃钢强度低，在受力大的部位，如接头区，机械连接处，可以用碳纤维增强，亦可用金属材料增强。对称增加碳纤维铺层，金属板加在玻璃纤维叠层中间，以防翘曲变形。手糊玻璃钢制造工艺简单，费用低，但含胶量控制不严，容易超厚、超重，劳动条件差，宜采用预浸料铺叠。树脂基复合材料有湿热老化问题，还需要选择合适保护涂层，以延长其使用寿命。

图5-14　带接头的平尾后梁框