1. Cấu trúc bánh kẹp
Trong thiết kế máy bay, thách thức lớn nhất đối với các nhà thiết kế là yêu cầu các bộ phận được thiết kế phải nhẹ nhất có thể mà không bị giảm sức mạnh. Điều này đòi hỏi kết cấu thành mỏng phải được thiết kế để ổn định dưới tác động tổng hợp của tải trọng kéo, nén và cắt. Trong quá khứ, các phương pháp thiết kế cấu trúc máy bay truyền thống vẫn được sử dụng ở một số khu vực. Các vì kèo dài và sườn/khung được sử dụng để tạo thành các cốt thép dọc và ngang nhằm cải thiện độ ổn định của ván. Trên thực tế, một số cấu trúc thứ cấp cũng có thể được thiết kế với cấu trúc bánh sandwich để đáp ứng các yêu cầu về độ bền và độ cứng. Cấu trúc bánh sandwich thường sử dụng vật liệu lõi xốp hoặc tổ ong.

Đối với các cấu trúc cánh máy bay có chiều cao cấu trúc lớn, các tấm da (đặc biệt là các tấm cánh trên) sử dụng cấu trúc bánh sandwich thay vì tấm tổ ong có thể giảm đáng kể trọng lượng. Đối với kết cấu cánh máy bay có chiều cao kết cấu nhỏ (đặc biệt là bề mặt điều khiển), chiều cao đầy đủ Kết cấu bánh sandwich thay cho kết cấu sườn dầm cũng có thể mang lại hiệu quả giảm trọng lượng đáng kể. Ưu điểm lớn nhất của cấu trúc bánh sandwich là nó có độ cứng và độ bền uốn lớn hơn.

Cấu trúc bánh sandwich composite của máy bay thường sử dụng vật liệu composite tiên tiến làm tấm và lõi bánh sandwich được làm bằng vật liệu nhẹ. Hiệu suất độ cứng uốn của cấu trúc bánh sandwich chủ yếu phụ thuộc vào hiệu suất của tấm và chiều cao giữa hai lớp tấm. Chiều cao càng lớn thì độ cứng uốn càng lớn. Lõi bánh sandwich của cấu trúc bánh sandwich chủ yếu chịu ứng suất cắt và hỗ trợ bảng điều khiển mà không làm mất đi sự ổn định của nó. Thông thường, lực cắt của loại cấu trúc này là nhỏ. Chọn vật liệu nhẹ làm lõi bánh sandwich có thể giảm đáng kể trọng lượng của các bộ phận. Ngoài ra, kinh nghiệm sử dụng cấu trúc bánh sandwich cũng cho thấy rằng khi đánh giá cấu trúc bánh sandwich từ khía cạnh chi phí, không chỉ phải xem xét chi phí sản xuất mà còn phải xem xét chi phí vòng đời của máy bay.

2. Kết cấu dải gia cố
Việc sử dụng các chất làm cứng cũng là cách hiệu quả nhất để tăng cường các tấm sợi carbon/epoxy có thành mỏng, chẳng hạn như các mặt bên của cửa hút hoặc vỏ động cơ, vỏ cánh và cần đuôi, v.v. Việc sử dụng các thanh nẹp có thể cải thiện hiệu quả nhất độ cứng và ổn định của cấu trúc.

3. Cấu trúc sườn hình chữ A chứa đầy bọt
NASA của Mỹ và Airbus của Châu Âu, dựa trên việc sử dụng cấu trúc bánh sandwich và dải cứng trong nhiều năm, gần đây đã đề xuất cấu trúc dải cứng chứa đầy bọt để tối ưu hóa quy trình sản xuất và thiết kế kết cấu ở mức độ lớn nhất, chẳng hạn như AIRBUS A380 Khung hình cầu của cabin kín gió, v.v.

Bọt PMI: Bọt PMI (Polymethacrylimide, polymethacrylimide) có thể chịu được các yêu cầu của quy trình xử lý vật liệu composite ở nhiệt độ cao sau khi xử lý ở nhiệt độ cao thích hợp, khiến bọt PMI được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không. Bọt PMI mật độ trung bình có đặc tính rão nén tốt và có thể hấp khử trùng ở nhiệt độ 120oC -180oC và áp suất 0,3-0,5MPa. Bọt PMI có thể đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất rão của quy trình đóng rắn chuẩn bị thông thường và có thể nhận ra quá trình đồng đóng rắn của cấu trúc bánh sandwich. Là vật liệu hàng không vũ trụ, bọt PMI là bọt ô kín cứng đồng nhất với kích thước lỗ cơ bản giống nhau. Bọt PMI cũng có thể đáp ứng các yêu cầu của FST. Một tính năng khác của cấu trúc bánh sandwich xốp so với cấu trúc bánh sandwich tổ ong NOMEX® là khả năng chống ẩm của nó tốt hơn nhiều. Vì bọt là ô kín nên hơi ẩm và hơi ẩm khó xâm nhập vào lõi bánh sandwich. Mặc dù cấu trúc bánh sandwich tổ ong NOMEX® cũng có thể được đồng hóa, nhưng nó sẽ làm giảm độ bền của tấm composite. Để tránh sự sụp đổ của vật liệu lõi hoặc dịch chuyển bên trong quá trình đồng đóng rắn, áp suất đóng rắn thường là 0,28-0,35 MPa thay vì 0,69 MPa của laminate thông thường. Điều này sẽ làm cho độ xốp của tấm composite cao hơn. Ngoài ra, do đường kính lỗ rỗng của cấu trúc tổ ong lớn nên da chỉ được nâng đỡ ở thành tổ ong, điều này sẽ khiến các sợi bị uốn cong và làm giảm độ bền của lớp da composite.

Dựa trên sự so sánh giữa vật liệu lõi tổ ong và bọt, vật liệu bọt thường được chọn làm vật liệu lõi làm đầy của cấu trúc sườn hình chữ A. Khi được sử dụng làm khuôn lõi, nó đóng vai trò là vật liệu lõi cấu trúc của sườn hình chữ A. , Cũng là một vật liệu phụ trợ quá trình.

Bọt PMI đã được sử dụng thành công làm vật liệu lõi bọt cấu trúc bánh sandwich trong các cấu trúc máy bay khác nhau. Một trong những ứng dụng nổi bật nhất là bảng điều khiển bên hút gió động cơ ở phía sau máy bay Boeing MD 11. Gia công chính xác CNC và tạo hình nhiệt của bọt giúp giảm đáng kể chi phí lắp đặt. Vật liệu lõi bọt PMI hiệu suất cao có khả năng chống nén và rão tốt trong quá trình đóng rắn, do đó tấm được nén chặt và bề mặt không bằng phẳng. So với lõi tổ ong, cấu trúc lỗ rỗng đẳng hướng của bọt PMI cũng có thể đáp ứng các yêu cầu về độ ổn định kích thước dưới áp suất bên trong quá trình đóng rắn của nồi hấp. Không giống như cấu trúc tổ ong, nó không cần phải đổ đầy bọt. Ngoài ra, bọt có thể truyền đều áp suất của nồi hấp lên lớp bảng dưới bọt, làm cho nó trở nên nhỏ gọn, không có khuyết tật bề mặt như vết lõm. Cấu trúc dải cứng loại A chứa đầy bọt có thể được áp dụng cho các bộ phận như bề mặt phóng radar, tường vỏ bọc, vỏ thân máy bay và bộ ổn định dọc.

4. Ứng dụng mới nhất của bọt làm đầy Một cấu trúc dải cứng
Sườn đệm bọt là ứng dụng mới nhất trong cấu trúc khung áp suất phía sau của Airbus A340 và A340-600. Cho đến nay, gần 1.700 ROHACELL® 71 WF-HT được tạo hình và xử lý bằng CNC đã được chuyển đến nhà máy Airbus Stade gần Hamburg để A340 sử dụng. Trong quá trình xếp lớp và đóng rắn, bọt hình thành hoạt động như một khuôn lõi. Trong quá trình đóng rắn, bọt PMI có khả năng chống rão nén tốt và ổn định kích thước, do đó, trong điều kiện đóng rắn 180oC, 0,35MPa và 2 giờ, quy trình đồng đóng rắn cấu trúc bánh sandwich được áp dụng để giảm chi phí. Bọt PMI có thể đảm bảo rằng phần chuẩn bị xung quanh xương sườn được nén chặt hoàn toàn, đây có thể là một sự thay thế tốt cho dụng cụ túi khí bơm hơi, tránh một loạt vấn đề như việc sử dụng túi khí bơm hơi cần bảo dưỡng nhiều lần. Cho đến nay, hơn 170 khung áp suất phía sau đã được sản xuất thành công và không có phế phẩm. Điều này cũng chứng minh độ tin cậy và tính khả thi của quy trình dải gia cố bọt PMI.

Dựa trên sự thành công của khung áp suất phía sau mới của A340 sử dụng cấu trúc sườn chứa đầy bọt PMI, khung áp suất phía sau của A380 cũng sử dụng công nghệ này. Trong cấu trúc A380, các sườn xốp dài 2,5m và hình học tương đối phức tạp hơn. Quá trình xử lý bọt PMI và tạo hình nhiệt dễ dàng hơn, đây cũng là chìa khóa để hiện thực hóa thiết kế sườn làm đầy bọt. Hiện tại, 200 miếng sườn xốp đã qua xử lý đã được chuyển đến nhà máy Airbus Stade để sử dụng cho AIRBUS A 380.

5. Phân tích kết cấu của kết cấu dải gia cường bằng bọt
Ví dụ sau đây thảo luận về tính khả thi của vật liệu lõi xốp PMI để đạt được tối ưu hóa chi phí và trọng lượng, đồng thời đáp ứng các yêu cầu kép trong ứng dụng của các sườn hình chữ A. Ở đây sẽ thảo luận rằng vật liệu lõi bọt không chỉ có thể được sử dụng làm khuôn lõi trong quá trình đặt và đóng rắn, mà còn có thể đóng một vai trò cấu trúc nhất định trong xương sườn. Do cường độ nén cao của bọt, nó có thể cải thiện tính ổn định của cấu trúc, giảm lớp chuẩn bị trong cấu trúc bánh sandwich và đạt được mục đích giảm trọng lượng.

Dưới tác động của uốn cong và áp lực dọc trục, cấu trúc composite thành mỏng thường bị hỏng ổn định. Sự phá hủy mất ổn định luôn xảy ra ở bộ phận chịu nén trước khi vật liệu đạt đến cường độ phá hủy do nén. Một cách rất thuần thục và hiệu quả là liên kết các gân tăng cường với kết cấu vỏ để cải thiện khả năng chống mất ổn định của kết cấu vỏ. Các thành bên và các cạnh lồi của cấu trúc gân hình chữ A rỗng dễ bị mất ổn định, dẫn đến cấu trúc bị hỏng sớm.

So với sườn chữ A rỗng, ở sườn xốp PMI, vật liệu lõi xốp không chỉ đóng vai trò là khuôn lõi trong quá trình sản xuất mà còn đóng vai trò là vật liệu kết cấu để nâng cao tính năng chống mất ổn định; Trước, duy trì hình dạng và sức mạnh của cấu trúc. Cường độ nén trong mặt phẳng của dải gia cố bằng bọt A được so sánh với cường độ của dải gia cố rỗng. Khi kết cấu chịu mất ổn định ban đầu, tải trọng mất ổn định tăng khoảng 100%. Vật liệu cốt lõi chủ yếu chịu ứng suất kéo và nén vuông góc với bề mặt bên của các đường gân để tránh hư hỏng sớm cấu trúc trước khi tấm composite sợi carbon/epoxy đạt đến cường độ chảy.

6. Kết luận
Việc sử dụng lõi xốp PMI có thể được sử dụng làm khuôn lõi để sản xuất các sườn hình chữ A, điều này có thể giúp giảm đáng kể chi phí lắp đặt và bảo dưỡng các bộ phận. Prereg có thể dễ dàng đặt trên khuôn lõi xốp. Cấu trúc khoảng trống đẳng hướng của bọt PMI và khả năng chống nén và rão tốt trong chu trình đóng rắn bằng nồi hấp cho phép thực hiện quy trình đồng đóng rắn một bước. Chúng tôi cũng có thể kết luận rằng việc sử dụng bọt PMI chứa đầy các gân gia cố hình chữ A có thể cải thiện đáng kể hiệu suất chống mất ổn định của các cấu trúc sợi carbon/epoxy thành mỏng. Việc sử dụng các chất làm cứng có thể làm tăng khoảng 30% cường độ hư hỏng năng suất và khoảng 100% cường độ hư hỏng không ổn định.