摘要
航空次承力框结构因结构复杂、精度要求高，目前仍然大多使用铝合金材料通过数控机加方式进行制造。为探索该类框结构的复合材料整体化成型的可行性，本文针对含纵横加筋及局部翻边结构特征的机身次承力框结构，对一薄壁复合材料隔框的整体化RTM成型工艺方法进行了研究。隔框结构的铺层变形仿真结果表明，采用全（0°/90°）铺层组合能够最大程度地减少结构的翘曲变形，且得到实际验证；流动仿真结果表明，较点注胶及线注胶方案，采用面注胶方式能够显著减少充填时间及充填压力；将优化的方案结合铺层自动下料、填充材料拉挤成型等自动化工艺相结合，成功制备了无损检测内部质量合格、取样力学性能与传统热压罐成型工艺相近的复合材料整体隔框。
框梁及框架结构是经典的理想支撑结构，为加强筋、肋、杆、管等组成的静定或超静定结构，具有大跨度、拓展性强、节省材料、结构灵活等特点，在飞行器结构设计中得到了大量的应
随着复合材料制造技术的提高，先进复合材料在飞机上的应用已经从雷达罩、蒙皮、方向舵等非承力或次承力构件逐步向波纹
树脂传递模塑成型（RTM
本文选取一具有纵横加筋及翻边结构的典型隔框结构作为研究对象，从树脂及预制体的典型基础性能入手，通过优化模具设计及注胶方案设计，以期制备得到尺寸精度、纤维含量及内部质量满足要求的复材隔框制件。
国产T700碳纤维平纹织物ZT7H3198P，面密度200 g/
采用黏度计对树脂的升温及恒温黏度特性进行测试；采用万能力学试验机测试复合织物在不同层数及铺层角度组合下的压缩-位移曲线；采用自制矩形单向渗透率测试模具，在实际注胶温度条件下对复合织物的流动前沿随时间的变化情况进行测试，结合Darcy定律所推导出的流动距离L平方与时间t的关系（
| （1） |
式中，Δp为压力差，η为树脂黏度，φ为预制体孔隙率。
为评估不同注胶方式对制件充模行为的影响，借助PAM-RTM工艺仿真软件，考虑填充材料区域的影响，对隔框进行分区域建模，并进一步针对预制体的渗透性能及压缩性能测试数据进行材料边界条件设定，注胶压力、流量及温度等工艺边界条件根据树脂流变测试结果及实际生产经验进行设置。
本文选择的纵横加筋框尺寸为700 mm×400 mm，壁厚1.5 mm， 具体结构如
图1 典型纵横加筋翻边隔框模型示意
Fig.1 Model of a typical frame with horizontal and vertical stringer-stiffened feature
隔框成型模具（
图2 隔框成型模具示意图
Fig.2 Schematic diagram of forming mold of the frame
根据制件外形设计了7个芯块，分别对应零件筋条区域内型面的成型，芯块与底座间通过凸台进行定位，以控制制件壁厚。芯块四周分别采用3个挡块将其封闭，起到外轮廓定位及翻边区成型的作用，其中一个挡块可以与两个芯块连接保证芯块整体铺叠和组装时不出现预制体错位变形的问题。多孔板和盖板设计提供面注胶工艺选择并确保制件腹板面在注胶过程中的稳定均匀渗透。
根据隔框制件数模，对各个芯块铺层进行展开仿真及剪口和料片外形设计，保证转角区域剪口位置错
图3 隔框预成型体制备过程
Fig.3 Process of the preform shaping
在铺叠好的预制体周边安装好挡块，并在密封槽中放置密封条，然后将多孔板和盖板预先连接后构成的阴模部分吊装与底座合模，确保合模间隙低于0.3 mm。随后将模具与注胶机通过氟塑料注胶管相连接，待模具在烘箱中预热至110 ℃时启动注胶程序，注胶过程中保持模具内腔真空度不低于-0.85 MPa，注胶温度控制在90 ~100 ℃，树脂注射速率控制在20~50 mL/min，注射压力控制在0.2~1.0 MPa。当树脂从溢胶口溢出时，关闭溢胶口阀门，当所有溢胶口阀门关闭后，再逐一打开溢胶口进行排气，直至所有溢胶口均无不明显气泡产生时，关闭将溢胶口阀门，之后树脂在1 MPa下保压5 min后停止注胶。复合材料按照树脂固化程序在烘箱中固化成型。
待制品完成固化，模具自然冷却至60℃以下时，取下所有螺栓，取下盖板，利用顶出螺杆将底板和芯模慢慢取出，随后取下底板，逐一取出芯模，为便于脱模，芯模可设计为组合式模具，脱模并切割后的实物见
图4 成型后的隔框实物图
Fig. 4 Image of the finished composite frame
相较于实际的试错试验，进行流动工艺仿真分析能够大幅缩短工艺方案的验证时间，降低试错成本。在本研究中，我们分别选择了3种不同的注胶流道设计方式通过PAM-RTM软件进行仿真，以考察不同注胶方式对树脂充填过程的影响。如
图5 3种不同的隔框流道设计方案示意
Fig. 5 Schemic diagram of 3 different runner design of the frame
根据
（a） 黏-温曲线
（b） 单向渗透率的
图6 树脂黏-温曲线及预制体在
Fig.6 Viscosity-temperature curves of the resin and the fitting curves between
图7 3种方案下隔框流动仿真结果
Fig.7 Flling simulation results of the 3 runner design
制件纤维体积含量通过下式进行计算：
| （2） |
式中，ρC为复合材料密度，ρR为纯树脂密度，测试值为1.204 g/c
从成型隔框的表面质量来看，制件内外表面结构光滑，整个腹板面及R区无明显的富树脂或贫胶缺陷。自然状态下，
图8 隔框变形仿真及实际零件翘曲照片对比
Fig.8 Deformation simulation results and
the real warping picture of the frame
为了进一步考察成型隔框的内部质量，我们对隔框的纵横加筋位置进行了相控阵无损检测，从
图9 纵横加筋位置处无损检测结果
Fig.9 NDT result of area with vertical and horizontal stiffeners
对隔框进行局部取样并测试其弯曲及短梁剪切性能，结果如
通过对典型纵横加筋及翻边结构的复合材料隔框的整体化RTM成型，在铺层设计、铺叠模具设计、流动仿真及注胶流道设计等方面开展研究，积累了一些经验，归纳总结如下。
（1）纵横加筋隔框采用大小框嵌套铺放工艺能够保证承力筋条上部分纤维的连续性，具体的铺层连续设计应当视具体框结构进行优化设计。
（2）在本文的隔框制造实例中，全 （0/90）8织物铺层对应的复合材料变形量最低，变形仿真结果与实际制造的趋势和变形量基本相符。从RTM成型制件的取样力学性能结果表明其与预浸料-热压罐工艺成型试样的弯曲及短梁剪切性能接近。
（3）在本论文涉及的典型隔框制造过程中，通过腹板面面注胶能够有效缩短充模时间，并降低充模压力，是优选的注胶方式，通过流动仿真模拟筛选出的面注胶方案所需的注胶时间及胶液出胶顺序与实际注胶过程基本相符。
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