［12 ］ 皮屈曲模态与试验结果一致。 Klein 和 Kosmatka
采用共固化和二次胶接技术制备了无人机复合材料 机翼。随着航空复合材料低成本化制造的迫切要 求， 整体成型技术 化设计
［14 ］
和考虑制造与成本的多学科优 成为未来复合材料机翼的发展方向。 整
［13 ］
体成型可一次成型大型复杂的复合材料结构 ， 如机 身舱段、 翼盒、 整体油箱、 大梁和加强框等， 大量减少 连接件， 提高制件性能， 降低装配成本， 是目前世界 ［15 ～ 17 ］ 。 Musicman 上复合材料领域发展的关键技术 首次提出了翼身融合整体成型概念 ， 试 ， 。 Jeg验表明整体成型可降低成本 提高制件性能 和 Reinert ley［19］， Scott［20］， Teufel［21］ 和 Takahira［22］ 等也分别研 树脂传递模塑 （ RTM ） 、 共固 究了树脂膜渗透（ RFI） 、 Curing） 和共胶接（ Cobonding） 等成型技术在 化（ Co［18 ］
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第4 期
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Vol. 31 ，No. 4 August 2011
2011 年 8 月
JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS
整体成型复合材料模型机翼设计 、 制造与验证
1， 2 2 2 2 2 罗楚养 ， 益小苏 ， 李伟东 ， 周玉敬 ， 朱亦钢 ， 刘
图4 不同温度下的黏温曲线
Fig． 4 Viscosity as a function of time under different temperature
芯材采用 EVONIK 公司提供的 ROHACELL 51 IG / IGF 泡沫， 材料体系采用中复神鹰碳纤维有限 责任公司提供的 USN125B 碳纤维预浸料， 其材料性 能参数如表 2 所示。预浸料基体树脂在加热加压条
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数关系加速进行， 到 140℃ 左右黏度迅速上升。 树 脂黏度在 40 ～ 135℃ 之间可以在小于 1000mPa · s 的范围内保持相当长的一段时间 。结合工艺 22 ］
提高了复合材料机翼的颤振速率， 并实现了减重。 ［8 ］ Ahopelto 采用低温固化预浸料 在成型工艺方面， 和真空袋法成型了复合材料机翼 ， 研究发现， 对于机 翼蒙皮和前缘采用此方法可实现低成本， 但对于翼
［9 ］ 梁和翼肋等承力结构则不适用。 Madan 和 Sutton
1
结构与铺层设计
模型机翼的结构外形如图 1 a 所示 ， 整个机翼
右翼 、 中央翼和 翼 梢 小 翼 组 成 ， 其外形尺 由左翼 、 寸如图 1 b 所示 ， 图 1c 为模型机翼的最大和最小
图1 Fig． 1
模型机翼的外形与尺寸 （ a） 机翼外形； （ b） 外形尺寸； （ c） 最大截面尺寸 Configuration and dimension of wing model （ a） 3D configuration of wing model； （ b） contour dimension； （ c） maximum cross sections
第4 期
整体成型复合材料模型机翼设计 、 制造与验证
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复合材料机翼上的应用， 结果表明这些技术可实现 复合材料机翼的低成本化。 尽管整体成型可获得优异的力学性能， 但要对 诸如机翼这类大型复杂结构采用一次性的整体成型 技术， 在工艺和设计上仍存在很多难题 。因此， 目前 对复合材料机翼的整体成型技术研究也仅停留在针 对个别部件的整体成型， 然后采用共胶接或共固化 技术将其组装成整个机翼。有关全复合材料机翼的 整体成型技术、 力学考核及其破坏机理分析的研究 还很少。为此， 本工作采用整体成型技术， 以泡沫作 为芯材， 设计并制备了四种不同结构形式的复合材 料模型机翼， 同时对其进行了力学试验验证， 分析其 破坏机理， 探索整体成型技术在复合材料机翼上的 可行性。
1227 ； 修订日期： 20110408 收稿日期： 2010基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ E050603 ） ， 航空科 学基金资助项目（ 20095251024 ） 作者简介： 罗楚养（ 1984 —） ， 男， 博士， 主要从事复合材料结 （ Email） cyluo@ ase． buaa． edu． cn。 构设计的研究，
截面尺 寸 。 模 型 机 翼 的 性 能 通 过 三 点 弯 曲 试 验 来考核 ， 以载荷重量 比 为 标 准 对 其 力 学 性 能 进 行 评价 。 根据机 翼 的 外 形 设 计 了 如 图 2 所 示 的 4 种机翼内部结 构 。 图 2 a 为 蒙 皮 夹 芯 结 构， 采用 泡沫芯进行填充来 保 持 机 翼 外 形 ， 表面铺覆碳纤 维蒙皮 。 图 2 b 在第 一 种 结 构 基 础 上 对 蒙 皮 进 行 即在机 翼 靠 近 前 缘 处 沿 翼 展 方 向 增 了局部加厚 ， 加了两根矩形筋 ， 并在加载点的前缘增加翼肋来 传 递 加 载 点 的 集 中 载 荷， 矩形筋的位置如图 2e 所示 。 图 2 c 和 d 为 梁 式 结 构 机 翼 ， 分别采用 C 型梁和工字梁结构 ， 并在支点和加载点进行局部 加强 ， 工字梁结构同 时 在 加 载 点 和 支 点 处 增 加 翼 肋， 翼梁 位 置 与 矩 形 筋 相 同 （ 如 图 2 e 所 示 ） 。 在 由 于 机 翼 带 后 掠 角， 故受 进 行 三 点 弯 曲 试 验 时， 力时不仅有剪力 和 弯 矩 ， 还 存 在 扭 转。对 于 纤 维 增强树脂 基 复 合 材 料 ， 通 常 采 用 ± 45 ° 铺 层 来 承 0 ° 铺 层 来 承 受 弯 曲 正 应 力。 据 此， 受面内 剪 流 ， 对四种结构的机翼进行的铺层设计如表 1 所示 。
2
Note： 1 Section between left and right support points； between support points and winglet．
Section
100℃ ， 125℃ 条件下的黏度树脂在 75℃ ， 时间 曲线如图 4 所示。 由图 4 中可以看出， 随着反应时 间的延长， 树脂黏度逐渐升高， 只是黏度上升的趋势 有所区别。75℃ 下， 树脂黏度随时间几乎不变， 而 125℃ 下的树脂黏度急剧增加， 因此， 这两个温度皆 不适合树脂凝胶； 在 100℃ 下， 前 30min 树脂黏度几 ， ， 45min 乎不变 之后黏度迅速提高 时达到峰 值 黏 度， 故该树脂适合在 100℃ 附近进行固化。 图 5 为 该树脂的 DSC 曲线， 由图 5 中可以看出， 该树脂的 起始反应温度为 109℃ ， 反应峰值温度为 130℃ 。 依 据流变分析和热分析的结果， 最终确定该树脂的最
03 /45 /03 / － 45 /03 /45 /02 / － 45 /0］ Upper flange ［ s Beam / stringer 0 3 /45 /0 2 / － 45 /0］ Lower flange ［ s Web Local reinforcement ［± 45］ 3s ［ 45 / － 45 /45 / － 45］
设计并测试了胶接成型复合材料蒙皮加筋壁板的损 结果表明， 加强筋的弯曲刚度与蒙皮刚度的 伤容限， 匹配是这种结构设计的重点。 Anderson 和 Holzwarth［10］研究胶接技术在机翼上的应用， 结果表明该技 术可以实现机翼低成本成型。 Kong 等
［11 ］
采用共固
化和二次胶接技术制备了一个复合材料翼盒的缩比 模型， 并测试了其弯曲力学性能， 有限元预测的上蒙
刚
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（ 1． 北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 100191 ； 2． 北京航空材料研究院 先进复合材料重点实验室，北京 100095 ） 摘要： 根据给定的外形设计了四种不同结构形式的复合材料模型机翼， 通过对所采用树脂基体的化学流变特性的 研究， 确定其最佳固化工艺条件 。采用整体成型技术制备了四种全复合材料模型机翼， 并进行了三点弯曲试验 。 结果表明， 工字梁结构形式的模型机翼具有最高的载荷重量比， 其次为 C 型梁机翼， 而蒙皮夹芯机翼的载荷重量 比最小。其中， 蒙皮夹芯模型机翼在测试中表现为加载点上蒙皮压缩破坏； 蒙皮加筋机翼则表现为支点处的剪切 破坏； 梁式结构机翼均表现为支点与加载点中间的前缘剪切破坏 。 采用有限元分析模型机翼的强度与破坏过程， 其结果与试验结果吻合良好 。 关键词： 复合材料机翼； 整体成型； 三点弯曲； 有限元分析； 泡沫夹芯 DOI： 10. 3969 / j. issn. 10055053. 2011. 4. 011 中图分类号： TB332 文献标识码： A 5053 （ 2011 ） 04005608 文章编号： 1005-
表1 Table 1 Location Main wing1 Skin Winglet2
四种机翼的铺层设计 Layup design of four wings Layup ［ 45 / － 45 /45 / － 45 /45 / － 45 /02］ ［ 45 / － 45 /0 2］
125℃ 保温 1h（ 如图 佳固化制度为 90℃ 保温 45min， 6 所示） 。
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2． 1
机翼制备
原材料
件下的流变性能、 物理化学特性决定了采用真空袋 工艺时的固化条件及树脂对碳纤维的渗透效果 ， 从 而影响复合材料制件的综合性能。 为此， 需对基体 树脂的流变性能、 热性能进行分析， 以确定该树脂的 最佳固化工艺条件。图 3 为该树脂体系的动态黏度 曲线， 由图 3 可以看出 2℃ / min 等速升温过程中的 黏度变化情况， 在 40 ～ 135℃ 范围内树脂能保持较 低的黏度， 随着温度的升高， 树脂化学交联反应以指