1. 샌드위치 구조
항공기 설계에서 설계자가 강도를 잃지 않고 가능한 한 가볍게 설계된 구성 요소를 요구하는 것이 가장 큰 과제입니다. 이를 위해서는 얇은 벽 구조가 인장, 압축 및 전단 하중의 조합된 작용 하에서 안정적으로 설계되어야 합니다. 과거에는 전통적인 항공기 구조 설계 방법이 일부 영역에서 여전히 사용되었습니다. 긴 트러스와 리브/프레임은 보드의 안정성을 향상시키기 위해 종방향 및 측면 보강재를 형성하는 데 사용됩니다. 실제로 일부 2차 구조는 강도 및 강성 요구 사항을 충족하기 위해 샌드위치 구조로 설계할 수도 있습니다. 샌드위치 구조는 일반적으로 벌집 또는 폼 코어 재료를 채택합니다.
구조적 높이가 큰 에어포일 구조물의 경우 허니컴 패널 대신 샌드위치 구조를 사용하는 스킨 패널(특히 상부 에어포일 패널)은 중량을 크게 줄일 수 있습니다. 구조적 높이가 작은 에어포일 구조(특히 조종면)의 경우 전체 높이를 빔 리브 구조 대신 샌드위치 구조로 하여도 상당한 중량 감소 효과를 가져올 수 있습니다. 샌드위치 구조의 가장 큰 장점은 굽힘 강성과 강도가 더 크다는 것입니다.
항공기의 복합 샌드위치 구조는 일반적으로 고급 복합 재료를 패널로 사용하고 샌드위치 코어는 경량 재료로 만들어집니다. 샌드위치 구조의 굽힘 강성 성능은 주로 패널의 성능과 패널의 두 레이어 사이의 높이에 따라 달라집니다. 높이가 높을수록 굽힘 강성이 커집니다. 샌드위치 구조의 샌드위치 코어는 주로 전단 응력을 견디며 안정성을 잃지 않고 패널을 지지합니다. 일반적으로 이러한 유형의 구조의 전단력은 작습니다. 경량 재료를 샌드위치 코어로 선택하면 구성 요소의 무게를 크게 줄일 수 있습니다. 또한, 샌드위치 구조의 사용 경험도 비용 측면에서 샌드위치 구조를 평가할 때 제조 비용뿐만 아니라 항공기의 수명 비용도 고려해야 함을 보여줍니다.
2. 강화 스트립 구조
보강재의 사용은 또한 엔진 흡입구 또는 나셀의 측면 패널, 날개의 스킨 및 테일 붐 등과 같은 얇은 벽의 탄소 섬유/에폭시 패널을 강화하는 가장 효과적인 방법입니다. 구조의 강성과 안정성을 가장 효과적으로 향상시킵니다.
3. 폼 충전 A형 리브 구조
미국 NASA와 유럽 에어버스는 수년 동안 샌드위치 구조와 보강 스트립의 사용을 기반으로 최근 AIRBUS A380과 같은 구조 설계 및 제조 공정을 최대한 최적화하기 위해 발포 충전 보강 스트립 구조를 제안했습니다. 구형 프레임 밀폐 캐빈 등
PMI 폼: PMI(폴리메타크릴이미드, 폴리메타크릴이미드) 폼은 적절한 고온 처리 후 고온 복합 재료 경화 공정 요구 사항을 견딜 수 있으므로 항공 분야에서 PMI 폼이 널리 사용됩니다. 중밀도 PMI 폼은 압축 크리프 특성이 우수하며 120oC -180oC의 온도와 0.3-0.5MPa의 압력에서 오토클레이브할 수 있습니다. PMI 폼은 일반적인 프리프레그 경화 공정의 크리프 성능 요구 사항을 충족할 수 있으며 샌드위치 구조의 동시 경화를 실현할 수 있습니다. 항공우주 소재인 PMI 폼은 기본적으로 동일한 기공 크기를 가진 균일한 경질 폐쇄 셀 폼입니다. PMI 폼은 FST 요구 사항도 충족할 수 있습니다. NOMEX® 허니컴 샌드위치 구조와 비교하여 폼 샌드위치 구조의 또 다른 특징은 내습성이 훨씬 우수하다는 것입니다. 폼이 폐쇄 셀이기 때문에 습기와 습기가 샌드위치 코어에 들어가기 어렵습니다. NOMEX® 허니컴 샌드위치 구조도 공동 경화될 수 있지만 복합 패널의 강도를 감소시킵니다. 공동 경화 공정 중 코어 재료 붕괴 또는 측면 이동을 방지하기 위해 경화 압력은 일반적인 라미네이트의 0.69MPa 대신 일반적으로 0.28-0.35MPa입니다. 이로 인해 복합 패널의 다공성이 높아집니다. 또한 허니컴 구조의 기공 직경이 크기 때문에 스킨은 허니컴 벽에서만 지지되어 섬유가 구부러지고 복합 스킨 라미네이트의 강도가 감소합니다.
허니컴과 폼 코어 재료의 비교를 기반으로 폼 재료는 일반적으로 A형 리브 구조의 충전 코어 재료로 선택됩니다. 코어 몰드로 사용하면 A형 리브의 구조용 코어 재료 역할을 합니다. , 또한 공정 보조 재료입니다.
PMI 폼은 다양한 항공기 구조에서 샌드위치 구조의 폼 코어 소재로 성공적으로 사용되었습니다. 가장 눈에 띄는 응용 분야 중 하나는 Boeing MD 11 항공기 후면의 엔진 공기 흡입구 측면 패널입니다. 발포체의 CNC 정밀 가공 및 열성형은 부설 비용을 크게 줄입니다. 고성능 PMI 폼 코어 소재는 경화 과정에서 압축 및 크리프 저항이 우수하여 패널이 압축되고 표면이 고르지 않습니다. 허니컴 코어와 비교하여 PMI 폼의 등방성 기공 구조는 오토클레이브의 경화 과정에서 측면 압력 하에서 치수 안정성 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 허니컴 구조와 달리 거품을 채울 필요가 없습니다. 또한 폼은 오토클레이브의 압력을 폼 아래 패널의 플라이에 고르게 전달할 수 있어 압흔과 같은 표면 결함 없이 콤팩트하게 만들 수 있습니다. 폼으로 채워진 A형 보강 스트립 구조는 레이더 발사 표면, 나셀 벽, 동체 스킨 및 수직 안정판과 같은 구성 요소에 적용될 수 있습니다.
4. 거품 충진의 최신 응용 강화 스트립 구조
발포 충진 리브는 Airbus A340 및 A340-600의 후방 압력 프레임 구조에서 최신 응용 분야입니다. 지금까지 거의 1,700대의 ROHACELL® 71 WF-HT가 CNC로 열성형 및 가공되어 A340에서 사용할 수 있도록 함부르크 근처의 Airbus Stade 공장으로 배송되었습니다. 레이업 및 경화 공정 중에 형성된 폼은 코어 몰드 역할을 합니다. 경화 중에 PMI 폼은 우수한 압축 크리프 저항성과 치수 안정성을 가지므로 180oC, 0.35MPa 및 2시간의 경화 조건에서 샌드위치 구조 동시 경화 공정을 채택하여 비용을 절감합니다. PMI 폼은 리브 주변의 프리프레그가 완전히 압축되도록 보장할 수 있으며, 이는 다중 경화가 필요한 팽창식 에어백 사용과 같은 일련의 문제를 피하면서 팽창식 에어백 툴링을 대체할 수 있습니다. 지금까지 170개 이상의 후방 압력 프레임이 성공적으로 제조되었으며 폐기물이 없습니다. 이것은 또한 PMI 폼 강화 스트립 프로세스의 신뢰성과 실행 가능성을 입증합니다.
PMI 폼 충전 리브 구조를 사용한 새로운 A340 후방 압력 프레임의 성공을 기반으로 A380 후방 압력 프레임도 이 기술을 사용합니다. A380 구조에서 폼 리브의 길이는 2.5m이며 형상은 상대적으로 더 복잡합니다. PMI 폼 가공 및 열성형이 더 쉬워졌으며 이는 폼 충전 리브 설계 실현의 핵심이기도 합니다. 현재 AIRBUS A 380 사용을 위해 200개의 가공된 폼 리브가 Airbus Stade 공장에 납품되었습니다.
5. 폼 충전 A 보강 스트립 구조의 구조 해석
다음 예는 비용 및 중량 최적화를 달성하고 A형 리브 적용 시 이중 요구 사항을 충족하기 위한 PMI 폼 코어 재료의 실행 가능성에 대해 설명합니다. 여기에서 폼 코어 재료는 배치 및 경화 과정에서 코어 몰드로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 리브에서 특정 구조적 역할을 할 수 있다는 점에 대해 논의할 것입니다. 폼의 압축 강도가 높기 때문에 구조의 안정성을 향상시키고 샌드위치 구조의 프리프레그 층을 줄이며 중량 감소의 목적을 달성할 수 있습니다.
굽힘 및 축 방향 압력의 작용 하에서 얇은 벽 복합재 구조는 종종 안정적인 파손을 겪습니다. 재료가 압축 파괴 강도에 도달하기 전에 압축 부분에서 항상 불안정 파괴가 발생합니다. 매우 성숙하고 효과적인 방법은 보강 리브를 쉘 구조에 결합하여 쉘 구조의 불안정성 방지 능력을 향상시키는 것입니다. 속이 빈 A자형 리브 구조의 측벽과 볼록한 가장자리는 불안정하기 쉬워 구조의 조기 파손을 초래합니다.
속이 빈 A형 리브와 비교하여 PMI 폼 충전 리브에서 폼 코어 재료는 제조 공정에서 코어 몰드 역할을 할 뿐만 아니라 불안정성 성능을 향상시키는 구조 재료 역할도 합니다. 전에 구조의 모양과 강도를 유지하십시오. 발포 충전된 A 강화 스트립의 면내 압축 강도는 중공 강화 스트립의 것과 비교됩니다. 구조가 초기 불안정성을 겪을 때 불안정성 하중은 약 100% 증가합니다. 코어 재료는 주로 탄소 섬유/에폭시 복합 패널이 항복 강도에 도달하기 전에 구조의 조기 파손을 방지하기 위해 리브의 측면 표면에 수직인 인장 및 압축 응력을 지탱합니다.
6. 결론
PMI 폼 코어를 사용하면 A형 리브를 제조하기 위한 코어 몰드로 사용할 수 있어 구성 요소 배치 및 경화 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 프리프레그는 폼 코어 몰드에 쉽게 놓일 수 있습니다. PMI 폼의 등방성 공극 구조와 오토클레이브 경화 주기 동안의 우수한 압축 및 내크리프성 덕분에 1단계 동시 경화 공정을 실현할 수 있습니다. 또한 A형 보강 리브로 채워진 PMI 폼을 사용하면 벽이 얇은 탄소 섬유/에폭시 구조물의 불안정성 방지 성능을 크게 향상시킬 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다. 보강재를 사용하면 항복 파괴 강도를 약 30%, 불안정 파괴 강도를 약 100% 높일 수 있습니다.
