1. Sandwichstruktur
Im Flugzeugbau besteht die größte Herausforderung für die Konstrukteure darin, möglichst leichte Bauteile ohne Festigkeitsverlust zu fordern. Dies erfordert, dass die dünnwandige Struktur so ausgelegt ist, dass sie der kombinierten Wirkung von Zug-, Druck- und Scherbelastungen standhält. In der Vergangenheit werden in einigen Bereichen noch traditionelle Methoden zur Flugzeugstrukturkonstruktion eingesetzt. Lange Traversen und Rippen/Rahmen werden zur Bildung von Längs- und Querverstärkungen verwendet, um die Stabilität des Bretts zu verbessern. Tatsächlich können einige Sekundärstrukturen auch mit Sandwichstrukturen konstruiert werden, um den Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen gerecht zu werden. Die Sandwichstruktur besteht normalerweise aus Waben- oder Schaumkernmaterial.
Bei Tragflächenstrukturen mit großen Strukturhöhen können Hautpaneele (insbesondere obere Tragflächenpaneele) mit Sandwichstrukturen anstelle von Wabenpaneelen das Gewicht deutlich reduzieren. Bei Tragflächenstrukturen mit geringen Strukturhöhen (insbesondere Steuerflächen) kann die Sandwichstruktur anstelle der Balkenrippenstruktur ebenfalls erhebliche Gewichtsreduzierungseffekte mit sich bringen. Der größte Vorteil der Sandwichstruktur besteht in der höheren Biegesteifigkeit und Festigkeit.
Die Verbundsandwichstruktur von Flugzeugen verwendet in der Regel fortschrittliche Verbundwerkstoffe als Paneele, und der Sandwichkern besteht aus leichten Materialien. Die Biegesteifigkeitsleistung der Sandwichstruktur hängt hauptsächlich von der Leistung des Paneels und der Höhe zwischen den beiden Paneelschichten ab. Je größer die Höhe, desto größer die Biegesteifigkeit. Der Sandwichkern der Sandwichkonstruktion nimmt hauptsächlich Schubkräfte auf und stützt das Paneel, ohne seine Stabilität zu verlieren. Normalerweise ist die Scherkraft dieser Art von Struktur gering. Durch die Wahl von Leichtbaumaterialien als Sandwichkern kann das Gewicht der Bauteile deutlich reduziert werden. Darüber hinaus zeigen die Erfahrungen mit der Verwendung der Sandwichstruktur auch, dass bei der Kostenbewertung der Sandwichstruktur nicht nur die Herstellungskosten, sondern auch die Lebenszeitkosten des Flugzeugs berücksichtigt werden müssen.
2. Verstärkte Streifenstruktur
Die Verwendung von Versteifungen ist auch die effektivste Möglichkeit, dünnwandige Kohlefaser-/Epoxidplatten zu verstärken, wie z. B. die Seitenwände des Triebwerkseinlasses oder der Gondel, die Haut der Flügel und des Heckauslegers usw. Die Verwendung von Rippen kann dazu beitragen Verbessern Sie am effektivsten die Steifigkeit und Stabilität der Struktur.
3. Mit Schaumstoff gefüllte A-förmige Rippenstruktur
Die amerikanische NASA und der europäische Airbus, die seit vielen Jahren auf der Verwendung von Sandwichstrukturen und versteiften Streifen basieren, haben kürzlich eine schaumgefüllte versteifte Streifenstruktur vorgeschlagen, um das Strukturdesign und den Herstellungsprozess weitestgehend zu optimieren, wie beispielsweise beim AIRBUS A380 Der sphärische Rahmen der luftdichten Kabine usw.
PMI-Schaum: PMI-Schaum (Polymethacrylimid, Polymethacrylimid) kann nach entsprechender Hochtemperaturbehandlung den Anforderungen des Aushärtungsprozesses von Verbundwerkstoffen bei hohen Temperaturen standhalten, wodurch PMI-Schaum in der Luftfahrt weit verbreitet ist. PMI-Schaum mittlerer Dichte hat gute Druckkriecheigenschaften und kann bei einer Temperatur von 120 °C bis 180 °C und einem Druck von 0,3 bis 0,5 MPa autoklaviert werden. PMI-Schaum kann die Kriechleistungsanforderungen des üblichen Prepreg-Härtungsprozesses erfüllen und die Mithärtung der Sandwichstruktur realisieren. Als Material für die Luft- und Raumfahrt ist PMI-Schaum ein einheitlicher, fester, geschlossenzelliger Schaum mit grundsätzlich gleicher Porengröße. PMI-Schaum kann auch die FST-Anforderungen erfüllen. Ein weiteres Merkmal der Schaumsandwichstruktur im Vergleich zur NOMEX®-Wabensandwichstruktur ist die deutlich bessere Feuchtigkeitsbeständigkeit. Da der Schaum geschlossenzellig ist, können Feuchtigkeit und Nässe nur schwer in den Sandwichkern eindringen. Obwohl die NOMEX®-Wabensandwichstruktur auch mitgehärtet werden kann, verringert sich dadurch die Festigkeit der Verbundplatte. Um ein Zusammenfallen des Kernmaterials oder eine Seitenverschiebung während des Co-Härtungsprozesses zu vermeiden, beträgt der Härtungsdruck normalerweise 0,28–0,35 MPa statt 0,69 MPa beim üblichen Laminat. Dadurch wird die Porosität der Verbundplatte erhöht. Da der Porendurchmesser der Wabenstruktur außerdem groß ist, wird die Haut nur an der Wabenwand abgestützt, was dazu führt, dass sich die Fasern verbiegen und die Festigkeit des Verbundhautlaminats verringert.
Basierend auf dem Vergleich zwischen Waben- und Schaumkernmaterial wird üblicherweise Schaummaterial als Füllkernmaterial der A-förmigen Rippenstruktur ausgewählt. Bei Verwendung als Kernform dient es als strukturelles Kernmaterial der A-förmigen Rippe. , Ist auch ein Prozesshilfsstoff.
PMI-Schaum wird erfolgreich als Schaumkernmaterial mit Sandwichstruktur in verschiedenen Flugzeugstrukturen eingesetzt. Eine der bekanntesten Anwendungen ist die Seitenwand des Triebwerkslufteinlasses am Heck des Boeing MD 11-Flugzeugs. Die CNC-Präzisionsbearbeitung und Thermoformung des Schaumstoffs reduziert die Verlegekosten erheblich. Das Hochleistungs-PMI-Schaumkernmaterial weist während des Aushärtungsprozesses eine gute Druck- und Kriechfestigkeit auf, sodass die Platte verdichtet wird und die Oberfläche uneben ist. Im Vergleich zum Wabenkern kann die isotrope Porenstruktur von PMI-Schaum auch die Anforderungen an die Dimensionsstabilität unter seitlichem Druck während des Aushärtungsprozesses des Autoklaven erfüllen. Im Gegensatz zur Wabenstruktur muss sie nicht mit Schaumstoff gefüllt werden. Darüber hinaus kann der Schaum den Druck des Autoklaven gleichmäßig auf die Lage der Platte unter dem Schaum übertragen, wodurch diese kompakt wird und keine Oberflächenfehler wie Einkerbungen auftreten. Die schaumgefüllte versteifte Streifenstruktur vom Typ A kann auf Komponenten wie Radarstartflächen, Gondelwände, Rumpfhäute und vertikale Stabilisatoren angewendet werden.
4.Die neueste Anwendung der Schaumfüllung Eine versteifte Streifenstruktur
Schaumgefüllte Rippen sind die neuesten Anwendungen in der hinteren Druckrahmenstruktur des Airbus A340 und A340-600. Bisher wurden knapp 1.700 thermogeformte und CNC-verarbeitete ROHACELL® 71 WF-HT für den Einsatz im A340 an das Airbus-Werk Stade bei Hamburg geliefert. Während des Auflege- und Aushärtungsprozesses fungiert der geformte Schaum als Kernform. Während der Aushärtung weist PMI-Schaum eine gute Druckkriechfestigkeit und Dimensionsstabilität auf, sodass bei Aushärtungsbedingungen von 180 °C, 0,35 MPa und 2 Stunden das Sandwich-Struktur-Co-Härtungsverfahren zur Kostensenkung eingesetzt wird. PMI-Schaum kann dafür sorgen, dass das Prepreg rund um die Rippen vollständig verdichtet wird. Dies kann ein guter Ersatz für die aufblasbaren Airbag-Werkzeuge sein und eine Reihe von Problemen vermeiden, wie z. B. die Verwendung aufblasbarer Airbags, die mehrfach aushärten müssen. Bisher wurden mehr als 170 hintere Druckrahmen erfolgreich hergestellt, und es gibt kein Abfallprodukt. Dies beweist auch die Zuverlässigkeit und Machbarkeit des PMI-Schaumverstärkungsstreifenverfahrens.
Basierend auf dem Erfolg des neuen A340-Heckdruckrahmens mit der mit PMI-Schaum gefüllten Rippenstruktur nutzt auch der A380-Heckdruckrahmen diese Technologie. In der A380-Struktur sind die Schaumstoffrippen 2,5 m lang und die Geometrie ist vergleichsweise komplizierter. Die Verarbeitung und Thermoformung von PMI-Schaum ist einfacher, was auch der Schlüssel zur Realisierung des Schaumfüllrippendesigns ist. Derzeit wurden 200 Stück verarbeitete Schaumstoffrippen für den Einsatz im Airbus A 380 an das Airbus-Werk Stade geliefert.
5. Strukturanalyse einer mit Schaum gefüllten, versteiften Streifenstruktur
Im folgenden Beispiel wird die Machbarkeit des PMI-Schaumkernmaterials zur Kosten- und Gewichtsoptimierung sowie zur Erfüllung doppelter Anforderungen bei der Anwendung von A-förmigen Rippen erörtert. Es wird hier diskutiert, dass das Schaumkernmaterial nicht nur als Kernform beim Verlegen und Aushärten verwendet werden kann, sondern auch eine gewisse strukturelle Rolle in den Rippen spielen kann. Aufgrund der hohen Druckfestigkeit von Schaumstoff kann die Stabilität der Struktur verbessert, die Prepreg-Schicht in der Sandwichstruktur reduziert und der Zweck der Gewichtsreduzierung erreicht werden.
Unter der Einwirkung von Biegung und axialem Druck kommt es häufig zu einem stabilen Versagen der dünnwandigen Verbundstruktur. Instabilitätsversagen tritt immer am Druckteil auf, bevor das Material die Druckversagensfestigkeit erreicht. Eine sehr ausgereifte und wirksame Methode besteht darin, die Verstärkungsrippen mit der Schalenstruktur zu verbinden, um die Instabilitätsfähigkeit der Schalenstruktur zu verbessern. Die Seitenwände und konvexen Kanten der hohlen A-förmigen Rippenstruktur neigen zur Instabilität, was zu einem vorzeitigen Versagen der Struktur führt.
Im Vergleich zu hohlen A-förmigen Rippen dient das Schaumkernmaterial bei mit PMI-Schaum gefüllten Rippen nicht nur als Kernform während des Herstellungsprozesses, sondern auch als Strukturmaterial zur Verbesserung der Anti-Instabilitätsleistung; Behalten Sie vorher die Form und Festigkeit der Struktur bei. Die Druckfestigkeit in der Ebene des schaumgefüllten A-verstärkten Streifens wird mit der des hohlverstärkten Streifens verglichen. Wenn die Struktur eine anfängliche Instabilität erfährt, erhöht sich die Instabilitätslast um etwa 100 %. Das Kernmaterial trägt hauptsächlich die Zug- und Druckspannungen senkrecht zur Seitenfläche der Rippen, um ein vorzeitiges Versagen der Struktur zu vermeiden, bevor die Kohlefaser-/Epoxidharz-Verbundplatte ihre Streckgrenze erreicht.
6. Fazit
Der Einsatz eines PMI-Schaumkerns kann als Kernform zur Herstellung von A-förmigen Rippen verwendet werden, wodurch die Kosten für das Verlegen und Aushärten von Komponenten erheblich gesenkt werden können. Das Prepreg lässt sich einfach auf die Schaumstoffkernform auflegen. Die isotrope Hohlraumstruktur des PMI-Schaums und die gute Druck- und Kriechfestigkeit während des Autoklaven-Härtungszyklus ermöglichen die Realisierung des einstufigen Co-Härtungsprozesses. Wir können auch den Schluss ziehen, dass die Verwendung von PMI-Schaum, der mit A-förmigen Verstärkungsrippen gefüllt ist, die Anti-Instabilitätsleistung von dünnwandigen Kohlefaser-/Epoxidharzstrukturen deutlich verbessern kann. Durch den Einsatz von Versteifungen kann die Streckgrenze um etwa 30 % und die Instabilitätsbruchfestigkeit um etwa 100 % erhöht werden.
