1. ساختار ساندویچی
در طراحی هواپیما، این بزرگترین چالش برای طراحان است که اجزای طراحی شده را بخواهند تا حد ممکن سبک باشند بدون از دست دادن قدرت. این امر مستلزم آن است که ساختار دیواره نازک به گونه ای طراحی شود که تحت اثر ترکیبی بارهای کششی، فشاری و برشی پایدار باشد. در گذشته روش های سنتی طراحی سازه هواپیما هنوز در برخی مناطق استفاده می شود. از خرپاها و دنده ها/قاب های بلند برای تشکیل آرماتورهای طولی و جانبی برای بهبود پایداری تخته استفاده می شود. در واقع، برخی از سازه‌های ثانویه را نیز می‌توان با سازه‌های ساندویچی طراحی کرد تا نیازهای مقاومت و سختی را برآورده کند. ساختار ساندویچی معمولا از مواد هسته لانه زنبوری یا فوم استفاده می کند.

برای سازه های ایرفویل با ارتفاع سازه ای زیاد، پانل های پوستی (به ویژه پانل های ایرفویل بالایی) با استفاده از سازه های ساندویچی به جای پانل های لانه زنبوری می توانند وزن را به میزان قابل توجهی کاهش دهند. برای سازه‌های ایرفویل با ارتفاع‌های سازه‌ای کوچک (به‌ویژه سطوح کنترل)، ساختار ساندویچی به جای ساختار دنده تیر نیز می‌تواند اثرات کاهش وزن قابل‌توجهی داشته باشد. بزرگترین مزیت ساختار ساندویچی این است که سفتی خمشی و استحکام بیشتری دارد.

در ساختار ساندویچی کامپوزیت هواپیما معمولا از مواد کامپوزیتی پیشرفته به عنوان پانل استفاده می شود و هسته ساندویچی از مواد سبک وزن ساخته شده است. عملکرد سفتی خمشی سازه ساندویچی عمدتاً به عملکرد پانل و ارتفاع بین دو لایه پانل بستگی دارد. هرچه ارتفاع بیشتر باشد، سفتی خمشی بیشتر است. هسته ساندویچی سازه ساندویچی عمدتاً تنش برشی را تحمل می کند و پانل را بدون از دست دادن پایداری آن پشتیبانی می کند. معمولاً نیروی برشی این نوع سازه کم است. انتخاب مواد سبک وزن به عنوان هسته ساندویچی می تواند وزن قطعات را تا حد زیادی کاهش دهد. علاوه بر این، تجربه استفاده از سازه ساندویچی نیز نشان می دهد که هنگام ارزیابی سازه ساندویچی از جنبه هزینه، نه تنها باید هزینه ساخت را در نظر گرفت، بلکه باید هزینه طول عمر هواپیما را نیز در نظر گرفت.

2. ساختار نواری تقویت شده
استفاده از سفت کننده ها نیز موثرترین راه برای تقویت دیواره های نازک فیبر کربن/پانل های اپوکسی است، مانند پانل های جانبی ورودی موتور یا ناسل، پوست بال ها و بوم دم و غیره. استفاده از دنده ها می تواند به طور موثر استحکام و پایداری سازه را بهبود می بخشد.

3. ساختار دنده A شکل پر از فوم
ناسا آمریکایی و ایرباس اروپایی، بر اساس استفاده از ساختارهای ساندویچی و نوارهای سفت شده برای سال‌ها، اخیراً ساختار نوار سفت شده پر از فوم را برای بهینه‌سازی طراحی ساختاری و فرآیند ساخت تا حد زیادی پیشنهاد کردند، مانند قاب کروی A380 AIRBUS. کابین هوابند و غیره

فوم PMI: فوم PMI (پلی متاکریلیمید، پلی متاکریلیمید) می تواند پس از عملیات حرارتی مناسب، در برابر نیازهای فرآیند پخت مواد کامپوزیت با دمای بالا مقاومت کند، که باعث می شود فوم PMI به طور گسترده در زمینه هوانوردی استفاده شود. فوم PMI با چگالی متوسط ​​خواص خزشی فشاری خوبی دارد و در دمای 180-120 درجه سانتی گراد و فشار 0.3-0.5 مگاپاسکال اتوکلاو می شود. فوم PMI می‌تواند الزامات عملکرد خزشی فرآیند معمول پخت پیش‌آب‌سازی را برآورده کند و می‌تواند هم‌کیورینگ ساختار ساندویچی را درک کند. به عنوان ماده هوافضا، فوم PMI یک فوم سلول بسته سفت و یکنواخت با اندازه منافذ یکسان است. فوم PMI همچنین می تواند الزامات FST را برآورده کند. یکی دیگر از ویژگی های ساختار ساندویچی فوم در مقایسه با ساختار ساندویچی لانه زنبوری NOMEX® این است که مقاومت آن در برابر رطوبت بسیار بهتر است. از آنجایی که فوم سلول بسته است، ورود رطوبت و رطوبت به هسته ساندویچ دشوار است. اگرچه ساختار ساندویچی لانه زنبوری NOMEX® را می توان به صورت همزمان پخت کرد، اما استحکام پانل کامپوزیت را کاهش می دهد. به منظور جلوگیری از فروپاشی مواد هسته یا جابجایی جانبی در طول فرآیند هم کیورینگ، فشار پخت معمولاً 0.28-0.35 MPa به جای 0.69 مگاپاسکال لمینت معمولی است. این امر باعث می شود که تخلخل پانل کامپوزیت بیشتر شود. علاوه بر این، به دلیل اینکه قطر منافذ ساختار لانه زنبوری بزرگ است، پوست فقط در دیواره لانه زنبوری نگه داشته می شود که باعث خم شدن الیاف و کاهش استحکام لمینت پوست کامپوزیت می شود.

بر اساس مقایسه بین مواد هسته لانه زنبوری و فوم، مواد فوم معمولاً به عنوان مواد هسته پرکننده ساختار دنده A شکل انتخاب می شود. هنگامی که به عنوان یک قالب هسته استفاده می شود، به عنوان ماده هسته ساختاری دنده A شکل عمل می کند. ، همچنین یک ماده کمکی فرآیند است.

فوم PMI با موفقیت به عنوان یک ماده فوم ساختار ساندویچی در ساختارهای مختلف هواپیما استفاده شده است. یکی از برجسته ترین کاربردها، پنل جانبی ورودی هوای موتور در عقب هواپیمای Boeing MD 11 است. ماشینکاری دقیق CNC و شکل دهی حرارتی فوم به میزان زیادی هزینه تخمگذار را کاهش می دهد. مواد هسته فوم PMI با کارایی بالا دارای مقاومت فشرده سازی و خزش خوبی در طول فرآیند پخت هستند، به طوری که پانل فشرده شده و سطح ناهموار است. در مقایسه با هسته لانه زنبوری، ساختار منافذ ایزوتروپیک فوم PMI همچنین می‌تواند الزامات ثبات ابعادی تحت فشار جانبی را در طول فرآیند پخت اتوکلاو برآورده کند. برخلاف ساختار لانه زنبوری، نیازی به پر شدن با فوم نیست. علاوه بر این، فوم می تواند به طور مساوی فشار اتوکلاو را به لایه پانل زیر فوم منتقل کند و آن را فشرده و بدون نقص سطحی مانند فرورفتگی کند. ساختار نوار سفت شده پر شده با فوم نوع A را می توان برای اجزایی مانند سطوح پرتاب رادار، دیواره های ناسل، پوسته بدنه و تثبیت کننده های عمودی اعمال کرد.

4. آخرین کاربرد فوم پر کردن ساختار نواری سفت شده
دنده های پر شده با فوم جدیدترین کاربردها در ساختار قاب فشار عقب ایرباس A340 و A340-600 هستند. تا کنون، نزدیک به 1700 ROHACELL® 71 WF-HT ترموفرم شده و پردازش شده توسط CNC به کارخانه Airbus Stade در نزدیکی هامبورگ برای استفاده توسط A340 تحویل داده شده است. در طول فرآیند چیدمان و پخت، فوم تشکیل شده به عنوان یک قالب هسته عمل می کند. در طول عمل آوری، فوم PMI مقاومت خزشی و پایداری ابعادی خوبی دارد، به طوری که در شرایط پخت 180 درجه سانتی گراد، 0.35 مگاپاسکال و 2 ساعت، فرآیند هم کیورینگ ساختار ساندویچی برای کاهش هزینه ها اتخاذ می شود. فوم PMI می تواند اطمینان حاصل کند که پیش آغشته سازی اطراف دنده ها کاملاً فشرده شده است، که می تواند جایگزین خوبی برای ابزار کیسه هوا بادی باشد و از یک سری مشکلات مانند استفاده از کیسه های هوای بادی که نیاز به پخت چندگانه دارند جلوگیری کند. تاکنون بیش از 170 قاب فشار عقب با موفقیت ساخته شده است و هیچ محصول زائدی وجود ندارد. این همچنین قابلیت اطمینان و امکان سنجی فرآیند نوار تقویت کننده فوم PMI را ثابت می کند.

بر اساس موفقیت قاب فشار عقب جدید A340 با استفاده از ساختار دنده ای پر شده با فوم PMI، قاب فشار عقب A380 نیز از این فناوری استفاده می کند. در ساختار A380، دنده های فوم 2.5 متر طول دارند و هندسه آن نسبتاً پیچیده تر است. پردازش فوم PMI و شکل دهی حرارتی آسان تر است، که همچنین کلید تحقق طراحی دنده پرکننده فوم است. در حال حاضر 200 قطعه دنده فوم فرآوری شده برای استفاده AIRBUS A 380 به کارخانه Airbus Stade تحویل داده شده است.

5. تجزیه و تحلیل ساختاری ساختار نواری سفت شده پر شده با فوم
مثال زیر امکان‌سنجی مواد هسته فوم PMI برای دستیابی به بهینه‌سازی هزینه و وزن و برآورده کردن الزامات دوگانه در کاربرد دنده‌های A شکل را مورد بحث قرار می‌دهد. در اینجا بحث خواهد شد که مواد هسته فوم نه تنها می تواند به عنوان یک قالب هسته در فرآیند تخمگذار و پخت استفاده شود، بلکه می تواند نقش ساختاری خاصی را در دنده ها ایفا کند. به دلیل مقاومت فشاری بالا فوم، می تواند پایداری ساختار را بهبود بخشد، لایه پیش آغشته را در ساختار ساندویچی کاهش دهد و به هدف کاهش وزن دست یابد.

تحت تأثیر فشار خمشی و محوری، ساختار کامپوزیتی جدار نازک اغلب دچار شکست پایدار می شود. شکست ناپایداری همیشه قبل از اینکه ماده به مقاومت شکست فشاری برسد در قسمت فشاری رخ می دهد. یک راه بسیار بالغ و مؤثر این است که دنده های تقویت کننده را به ساختار پوسته پیوند دهید تا توانایی ضد ناپایداری ساختار پوسته بهبود یابد. دیواره های جانبی و لبه های محدب ساختار آجدار توخالی A شکل مستعد ناپایداری است که منجر به شکست زودرس سازه می شود.

در مقایسه با دنده های توخالی A شکل، در دنده های پر شده با فوم PMI، مواد هسته فوم نه تنها به عنوان قالب هسته در طول فرآیند تولید عمل می کند، بلکه به عنوان یک ماده ساختاری برای بهبود عملکرد ضد ناپایداری عمل می کند. قبل از آن، شکل و استحکام سازه را حفظ کنید. مقاومت فشاری درون صفحه نوار تقویت‌شده با فوم A با نوار تقویت‌شده توخالی مقایسه می‌شود. هنگامی که سازه دچار ناپایداری اولیه می شود، بار ناپایداری حدود 100% افزایش می یابد. ماده هسته عمدتاً تنش‌های کششی و فشاری عمود بر سطح جانبی دنده‌ها را تحمل می‌کند تا از شکست زودرس سازه قبل از رسیدن پانل کامپوزیت فیبر کربن/اپوکسی به استحکام تسلیم خود جلوگیری کند.

6. نتیجه گیری
استفاده از هسته فوم PMI می تواند به عنوان یک قالب هسته برای ساخت دنده های A شکل استفاده شود که می تواند هزینه تخمگذار و پخت قطعات را تا حد زیادی کاهش دهد. پیش آغشته را می توان به راحتی روی قالب فوم هسته قرار داد. ساختار خالی همسانگرد فوم PMI و فشرده سازی خوب و مقاومت در برابر خزش در طول چرخه پخت اتوکلاو، فرآیند هم کیورینگ یک مرحله ای را امکان پذیر می کند. همچنین می‌توان نتیجه گرفت که استفاده از فوم PMI پر شده با دنده‌های تقویت‌کننده A شکل می‌تواند به طور قابل‌توجهی عملکرد ضد ناپایداری ساختارهای فیبر کربن/اپوکسی دیواره نازک را بهبود بخشد. استفاده از سفت کننده ها می تواند استحکام شکست تسلیم را تا حدود 30% و مقاومت شکست ناپایداری را تا حدود 100% افزایش دهد.3