1. Estrutura de sanduíche
No projeto de aeronaves, o maior desafio para os projetistas é exigir que os componentes projetados sejam o mais leves possível sem perder a resistência. Isso requer que a estrutura de paredes finas seja projetada para ser estável sob a ação combinada de cargas de tração, compressão e cisalhamento. No passado, os métodos tradicionais de projeto de estruturas de aeronaves ainda eram usados ​​em algumas áreas. Treliças longas e nervuras/armações são usadas para formar reforços longitudinais e laterais para melhorar a estabilidade da prancha. De fato, algumas estruturas secundárias também podem ser projetadas com estruturas sanduíche para atender aos requisitos de resistência e rigidez. A estrutura de sanduíche geralmente adota material de núcleo de favo de mel ou espuma.

Para estruturas de aerofólio com grandes alturas estruturais, painéis de revestimento (especialmente painéis de aerofólio superior) usando estruturas de sanduíche em vez de painéis de favo de mel podem reduzir significativamente o peso. Para estruturas de aerofólio com pequenas alturas estruturais (especialmente superfícies de controle), altura total A estrutura sanduíche em vez da estrutura de nervura de viga também pode trazer efeitos significativos de redução de peso. A maior vantagem da estrutura sanduíche é que ela possui maior rigidez e resistência à flexão.

A estrutura sanduíche composta de aeronaves geralmente usa materiais compostos avançados como painéis, e o núcleo sanduíche é feito de materiais leves. O desempenho da rigidez à flexão da estrutura sanduíche depende principalmente do desempenho do painel e da altura entre as duas camadas de painéis. Quanto maior a altura, maior a rigidez à flexão. O núcleo sanduíche da estrutura sanduíche suporta principalmente tensão de cisalhamento e suporta o painel sem perder sua estabilidade. Normalmente, a força de cisalhamento desse tipo de estrutura é pequena. A escolha de materiais leves como núcleo sanduíche pode reduzir bastante o peso dos componentes. Além disso, a experiência do uso da estrutura sanduíche também mostra que ao avaliar a estrutura sanduíche sob o aspecto de custo, não apenas o custo de fabricação deve ser considerado, mas também o custo de vida útil da aeronave.

2. Estrutura de tira reforçada
O uso de reforços também é a maneira mais eficaz de fortalecer painéis de fibra de carbono/epóxi de paredes finas, como os painéis laterais da admissão do motor ou nacela, o revestimento das asas e da cauda, ​​etc. O uso de nervuras pode melhoram de forma mais eficaz a rigidez e a estabilidade da estrutura.

3. Estrutura de costela em forma de A preenchida com espuma
A NASA americana e a Airbus européia, com base no uso de estruturas de sanduíche e tiras rígidas por muitos anos, propuseram recentemente uma estrutura de tira reforçada preenchida com espuma para otimizar ao máximo o projeto estrutural e o processo de fabricação, como o AIRBUS A380 A estrutura esférica da cabine hermética, etc.

Espuma PMI: A espuma PMI (polimetacrilimida, polimetacrilimida) pode suportar os requisitos do processo de cura de materiais compósitos de alta temperatura após o tratamento adequado de alta temperatura, o que torna a espuma PMI amplamente utilizada no campo da aviação. A espuma PMI de média densidade tem boas propriedades de fluência compressiva e pode ser autoclavada a uma temperatura de 120oC -180oC e uma pressão de 0,3-0,5MPa. A espuma PMI pode atender aos requisitos de desempenho de fluência do processo de cura prepreg usual e pode realizar a co-cura da estrutura do sanduíche. Como material aeroespacial, a espuma PMI é uma espuma de célula fechada rígida uniforme com basicamente o mesmo tamanho de poro. A espuma PMI também pode atender aos requisitos FST. Outra característica da estrutura sanduíche de espuma em comparação com a estrutura sanduíche favo de mel NOMEX® é que sua resistência à umidade é muito melhor. Como a espuma é de célula fechada, é difícil que a umidade e a umidade entrem no núcleo do sanduíche. Embora a estrutura de sanduíche alveolar NOMEX® também possa ser co-curada, ela reduzirá a resistência do painel composto. A fim de evitar o colapso do material do núcleo ou deslocamento lateral durante o processo de co-cura, a pressão de cura é geralmente 0,28-0,35 MPa em vez de 0,69 MPa do laminado usual. Isso fará com que a porosidade do painel composto seja maior. Além disso, como o diâmetro dos poros da estrutura alveolar é grande, a película é suportada apenas na parede alveolar, o que fará com que as fibras se dobrem e reduzam a resistência do laminado de película compósita.

Com base na comparação entre favo de mel e material de núcleo de espuma, o material de espuma é geralmente selecionado como o material de núcleo de enchimento da estrutura de nervura em forma de A. Quando usado como molde de núcleo, serve como material de núcleo estrutural da nervura em forma de A. , Também é um material auxiliar de processo.

A espuma PMI tem sido usada com sucesso como material de núcleo de espuma de estrutura sanduíche em várias estruturas de aeronaves. Uma das aplicações mais proeminentes é o painel lateral de entrada de ar do motor na parte traseira da aeronave Boeing MD 11. A usinagem de precisão CNC e a termoformação da espuma reduzem muito o custo de assentamento. O material do núcleo de espuma PMI de alto desempenho tem boa resistência à compressão e à fluência durante o processo de cura, de modo que o painel é compactado e a superfície é irregular. Em comparação com o núcleo alveolar, a estrutura de poros isotrópicos da espuma PMI também pode atender aos requisitos de estabilidade dimensional sob pressão lateral durante o processo de cura da autoclave. Ao contrário da estrutura de favo de mel, ela não precisa ser preenchida com espuma. Além disso, a espuma pode transferir uniformemente a pressão da autoclave para a camada do painel sob a espuma, tornando-a compacta, sem defeitos na superfície, como reentrâncias. A estrutura de tira reforçada do tipo A preenchida com espuma pode ser aplicada a componentes como superfícies de lançamento de radar, paredes da nacele, peles da fuselagem e estabilizadores verticais.

4. A mais recente aplicação de enchimento de espuma Uma estrutura de tira reforçada
As nervuras preenchidas com espuma são as aplicações mais recentes na estrutura de pressão traseira do Airbus A340 e A340-600. Até agora, cerca de 1.700 ROHACELL® 71 WF-HT termoformados e processados ​​por CNC foram entregues na fábrica da Airbus Stade perto de Hamburgo para uso pelo A340. Durante o processo de colocação e cura, a espuma formada atua como um molde de núcleo. Durante a cura, a espuma PMI tem boa resistência à fluência compressiva e estabilidade dimensional, de modo que sob condições de cura de 180oC, 0,35MPa e 2 horas, o processo de co-cura da estrutura sanduíche é adotado para reduzir custos. A espuma PMI pode garantir que o pré-impregnado ao redor das nervuras seja totalmente compactado, o que pode ser um bom substituto para o ferramental de airbag inflável, evitando uma série de problemas, como o uso de airbags infláveis ​​que requerem cura múltipla. Até agora, mais de 170 estruturas de pressão traseira foram fabricadas com sucesso e não há desperdício de produto. Isso também comprova a confiabilidade e a viabilidade do processo de tiras de reforço de espuma PMI.

Com base no sucesso do novo quadro de pressão traseiro A340 usando a estrutura de nervuras preenchida com espuma PMI, o quadro de pressão traseiro A380 também usa essa tecnologia. Na estrutura do A380, as nervuras de espuma têm 2,5 m de comprimento e a geometria é relativamente mais complicada. O processamento de espuma PMI e a termoformagem são mais fáceis, o que também é a chave para a realização do design de nervuras de enchimento de espuma. Atualmente, 200 peças de nervuras de espuma processadas foram entregues à fábrica da Airbus Stade para uso do AIRBUS A 380.

5. Análise estrutural de uma estrutura de tira enrijecida preenchida com espuma
O exemplo a seguir discute a viabilidade do material de núcleo de espuma PMI para obter otimização de custo e peso e atender a requisitos duplos na aplicação de nervuras em forma de A. Será discutido aqui que o material do núcleo de espuma pode não apenas ser usado como molde do núcleo no processo de assentamento e cura, mas também pode desempenhar um certo papel estrutural nas nervuras. Devido à alta resistência à compressão da espuma, ela pode melhorar a estabilidade da estrutura, reduzir a camada de pré-impregnados na estrutura do sanduíche e atingir o objetivo de redução de peso.

Sob a ação de flexão e pressão axial, a estrutura composta de paredes finas frequentemente sofre falha estável. A falha por instabilidade sempre ocorre na parte compressiva antes que o material atinja a resistência à falha compressiva. Uma maneira muito madura e eficaz é unir as nervuras de reforço à estrutura da casca para melhorar a capacidade anti-instabilidade da estrutura da casca. As paredes laterais e as bordas convexas da estrutura oca com nervuras em forma de A são propensas à instabilidade, levando à falha prematura da estrutura.

Em comparação com as nervuras ocas em forma de A, nas nervuras preenchidas com espuma PMI, o material do núcleo de espuma não serve apenas como molde do núcleo durante o processo de fabricação, mas também serve como material estrutural para melhorar o desempenho anti-instabilidade; Antes, mantenha a forma e a resistência da estrutura. A resistência à compressão no plano da tira reforçada com enchimento de espuma A é comparada com a da tira reforçada com oco. Quando a estrutura sofre instabilidade inicial, a carga de instabilidade aumenta em cerca de 100%. O material do núcleo suporta principalmente as tensões de tração e compressão perpendiculares à superfície lateral das nervuras para evitar a falha prematura da estrutura antes que o painel composto de fibra de carbono/epóxi atinja sua resistência ao escoamento.

6. Conclusão
O uso do núcleo de espuma PMI pode ser usado como um molde de núcleo para fabricar nervuras em forma de A, o que pode reduzir bastante o custo de colocação e cura de componentes. O prepreg pode ser facilmente colocado no molde de núcleo de espuma. A estrutura vazia isotrópica da espuma PMI e a boa resistência à compressão e à fluência durante o ciclo de cura em autoclave permitem que o processo de co-cura em uma etapa seja realizado. Também podemos concluir que o uso de espuma PMI preenchida com nervuras de reforço em forma de A pode melhorar significativamente o desempenho anti-instabilidade de estruturas de fibra de carbono/epóxi de paredes finas. O uso de reforços pode aumentar a resistência à falha de escoamento em cerca de 30% e a resistência à falha de instabilidade em cerca de 100%.