“大学通”在竞赛制作模块的理论落实

陈冠旭 王飞 雷雯 杨银 张中正

摘要：本文隶属于创新创业项目大学通项目中比赛制作部分实际执行部分，基于大学通指导理念，完成对于大学本科生及研究生阶段对于制作类比赛的探索，将大学本科生在竞赛方面的理论进行实践，完成对于创新创业项目在在整个项目中在竞赛实操方面的理论实践，总结出相应经验并完成对于整个项目理念的完善。以下内容即为制作部分的项目专利大致内容以及对应对应参赛实际作品理念详情。基于大学通理念的竞赛参赛作品与传统工艺相比，创新点在于通过实验测试了手糊成型与液体成型拉伸和压缩性能差异，计算离散系数。同时利用PAM-VARI软件来模拟树脂的成型，从而降低成本，减少成型工艺对环境的污染，更加经济和高效地进行工业生产。采用整体化成型，舵面内部由传统的泡沫夹层改为波形，在实现一体成型方面既减少零件的数量，又增加结构的刚度，同时简化生产步骤。在工艺方面，我们利用单向透气膜替代传统真空袋，不仅简化工业生产中的步骤，同时优化了产品的质量。

关键词：手糊成型;液体成型;VARI;一体成型;单向通气膜

1.项目背景及国内外研究现状

项目背景：

航空工业的发展，要求飞行器具有轻量化、高可靠性、长寿命、低成本化等特点。树脂基复合材料结构本身拥有高的比强度、比刚度、比模量，高综合效费比和结构效率以及复杂构件材料性能的可设计性强等特点，具有其它材料不可比拟 的优势。同时，复合材料优良的抗疲劳性和耐腐蚀性，可以大大提高飞机结构件的使用寿命，降低维护费用;增加机舱内的压力和空气湿度，提高乘坐的舒适度。复合材料是轻质高强结构设计的理想材料，在高端制造业被广泛重视的背景下，复合材料以其优良的综合特性，在世界上得到了大力提倡和发展，正广泛应用于工业技术领域。尤其在航空领域，复合材料整体化液体成型技术通过减少零件及紧固件的数目，大大减轻了制件质量，减少了连接及装配工作量，降低了研制成本。因此，采用低成本的非热压罐固化工艺，是降低复合材料制件成本的有效途径，从而使第 2 种大面积整体成型技术— 低成本的复合材料液体成型技术成为目前世界上复合材料研究领域的一个热点。

2.项目研究内容

本课题的主要研究内容主要分为四个部分：

第一，进一步比较手糊工艺与液体成型工艺力学基本性能。从基本性能测试可以看出液体成型优于手糊成型。提出并采用新型波形板。类似波浪形状的梁架结构，不同于以往的工字梁结构，波形梁更适合用液体成型加工，波形有更好的抗弯性能，提升舵面的刚度。波形梁结构具有更好的力学性能，可以应用于飞机舵面的发展研究。

第二，降低复合材料构件的制造成本由于整体化成型技术将诸多零件通过共胶接、共固化、二次胶接等方式整合成一个或几个零件，减少了结构的分段和对接从而大幅度地减少结构质量。由于復合材料的成本最后是以单位质量进行计量，因此减轻质量一定会带来成本降低的直接效应。

第三，我们尝试在生产中，以单项透气膜代替真空袋，寻求最大程度简化工艺流程。

第四，我们探究如何通过PRM-RTM软件模拟树脂成型来找出一种更加经济且快速地生产超轻型飞机舵面的方法，并比较液体成型与手糊成型的性能差异，探究液体成型的优势。

液体成型与传统的手糊成型相比，所得出的产品质量更加集中，而手糊成型时由于出现贫胶和富胶的情况，对各个产品的性能会产生巨大的影响。实验数据如下图所示。

针对本项目，我们创造性地采用PRM-RTM软件来模拟树脂成型，进而探究如何更加经济且快速地生产超轻型飞机舵面。

3.项目研究结果

1.我们团队采用波纹形内梁，是目前国内还没有在轻型飞机实施使用生产的新型梁架结构。不同于以往的工字梁结构，波形梁更适合用液体成型加工，波形有更好的抗弯性能，提升舵面的刚度。通过大量实验，得到拉伸、压缩的数据，进行分析得出：波形梁结构具有更好的力学性能，可以应用于飞机舵面的发展研究。

2.液体成型的制品与传统手糊的制品相比，下表为实验数据，由数学分析得到数据的离散系数更小，离散系数大概在4%左右，而传统手糊工艺则有10%之多，说明液体成型的材料抗拉抗压的性能更好，稳定性更高。

4.项目市场性分析

我们采用的液体成型整体化技术，是将来的趋势。新型液体成型技术简化了成型工艺流程和成型设备需求。显著降低了树脂和清洗溶剂以及树脂管道的材料成本，具有更高效、更低成本的特点。

（1）相比传统VARI成型工艺，新型液体成型技术所制备的复合材料制件具有更佳的厚度均匀性，可以满足航空材料结构大规模生产的需求。

（2）采用新型液体成型技术研制的飞机舵面，其外表光滑无缺陷，内部质量稳定，且厚度均匀性良好，满足航空复合材料构件的应用要求;验证了新型液体成型工艺的可靠性和可行性，为 VARI技术在我国飞机上的应用奠定了坚实的基础。

5.项目总结

优势：实现了一种低成本，制作较简便的液体成型飞机舵面。我们首次采用了整体融合成型方法，试验表明整体成型可降低成本，提高制件性能。结果表明这些技术可实现复合材料舵面的低成本化。因此，目前对复合材料舵面的整体成型技术研究也仅停留在针对个别部件的整体成型，然后采用共胶接或共固化技术将其组装成整个舵面。有关全复合材料舵面的整体成型技术、力学考核及其破坏机理分析的研究还很少。整体成型能保证纤维的连续性，可充分发挥纤维的承载能力，避免采用薄弱的层间来传递载荷。为此，本工作采用整体成型技术，以泡沫作为芯材，设计并制备了不同结构形式的复合材料模型舵面，同时对其进行了力学试验验证，分析其破坏机理，探索整体成型技术在复合材料舵面上的可行性。通过实际结论完成对于整个技术的革新以及比较了以往技术与结合了“互联网+”后完成的技术改革，真正意义上践行了，大学通中对于竞赛模块的创新应用，身体力行的将创新创业理念融入到了具体的大学通竞赛中，使得大学通的整体理念更加完备，为大学生项目在学生竞赛方面积累了宝贵的经验。

作者简介：

陈冠旭，男，汉族，沈阳航空航天大学2017级航空宇航专业本科生

王飞，男，汉族，创新创业项目指导教师

雷雯、杨银、张中正，沈阳航空航天大学2015级本科生

本文用于沈阳航空航天大学省级创新创业项目：201810143181大学通

（作者单位：沈阳航空航天大学）