1. هيكل ساندويتش
في تصميم الطائرات ، يمثل التحدي الأكبر للمصممين أن يطلبوا من المكونات المصممة أن تكون خفيفة قدر الإمكان دون أن تفقد قوتها. يتطلب ذلك تصميم الهيكل ذي الجدران الرقيقة ليكون مستقرًا تحت تأثير أحمال الشد والضغط وأحمال القص. في الماضي ، لا تزال الأساليب التقليدية لتصميم هيكل الطائرات مستخدمة في بعض المناطق. تستخدم الجملونات الطويلة والأضلاع / الإطارات لتشكيل تعزيزات طولية وجانبية لتحسين ثبات اللوح. في الواقع ، يمكن أيضًا تصميم بعض الهياكل الثانوية بهياكل شطيرة لتلبية متطلبات القوة والصلابة. عادة ما يعتمد هيكل الشطيرة على مادة أساسية على شكل قرص العسل أو الرغوة.

بالنسبة لهياكل الجنيح ذات الارتفاعات الهيكلية الكبيرة ، يمكن أن تقلل الألواح الجلدية (خاصة الألواح الجنيحية العلوية) التي تستخدم هياكل شطيرة بدلاً من ألواح قرص العسل من الوزن بشكل كبير. بالنسبة لهياكل الجنيح ذات الارتفاعات الهيكلية الصغيرة (خاصة أسطح التحكم) ، يمكن أيضًا أن يؤدي هيكل الساندويتش بدلاً من هيكل ضلع الشعاع إلى إحداث تأثيرات كبيرة في تقليل الوزن. أكبر ميزة لهيكل الساندويتش هو أنه يتمتع بصلابة وقوة أكبر للانحناء.

عادةً ما يستخدم الهيكل المركب للطائرة مواد مركبة متطورة مثل الألواح ، كما أن قلب السندويتش مصنوع من مواد خفيفة الوزن. يعتمد أداء صلابة الانحناء لهيكل الساندويتش بشكل أساسي على أداء اللوحة والارتفاع بين طبقتين من الألواح. كلما زاد الارتفاع ، زادت صلابة الانحناء. يتحمل قلب السندويتش الخاص بهيكل السندويتش إجهاد القص بشكل أساسي ويدعم اللوحة دون أن تفقد ثباتها. عادةً ما تكون قوة القص لهذا النوع من الهياكل صغيرة. يمكن أن يؤدي اختيار مواد خفيفة الوزن مثل قلب السندويتش إلى تقليل وزن المكونات بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك ، تُظهر تجربة استخدام هيكل الساندويتش أيضًا أنه عند تقييم هيكل الساندويتش من جانب التكلفة ، لا يجب مراعاة تكلفة التصنيع فحسب ، بل يجب أيضًا مراعاة تكلفة عمر الطائرة.

2. هيكل الشريط المقوى
يعد استخدام أدوات التقوية أيضًا الطريقة الأكثر فاعلية لتقوية ألواح ألياف الكربون / الإيبوكسي ذات الجدران الرقيقة ، مثل الألواح الجانبية لمدخل المحرك أو الهيكل ، وجلد الأجنحة وذراع الذيل ، وما إلى ذلك. أكثر فعالية لتحسين صلابة واستقرار الهيكل.

3. هيكل ضلع على شكل حرف A مملوء بالرغوة
اقترحت وكالة ناسا الأمريكية وإيرباص الأوروبية ، استنادًا إلى استخدام هياكل السندويتش والشرائط المقواة لسنوات عديدة ، مؤخرًا هيكل شريط مقوى مملوء بالرغوة لتحسين التصميم الهيكلي وعملية التصنيع إلى أقصى حد ، مثل AIRBUS A380 الإطار الكروي من المقصورة محكمة الإغلاق ، إلخ.

رغوة PMI: يمكن أن تتحمل رغوة PMI (Polymethacrylimide ، polymethacrylimide) متطلبات عملية معالجة المواد المركبة ذات درجة الحرارة العالية بعد المعالجة المناسبة لدرجة الحرارة العالية ، مما يجعل رغوة PMI مستخدمة على نطاق واسع في مجال الطيران. تتميز رغوة PMI متوسطة الكثافة بخصائص زحف انضغاطية جيدة ويمكن تعقيمها في درجة حرارة 120 درجة مئوية -180 درجة مئوية وضغط 0.3-0.5 ميجا باسكال. يمكن أن تلبي رغوة PMI متطلبات أداء الزحف لعملية المعالجة المسبقة المعتادة ، ويمكن أن تحقق المعالجة المشتركة لهيكل السندويتش. كمواد فضائية ، فإن رغوة PMI عبارة عن رغوة صلبة ذات خلية مغلقة صلبة بنفس حجم المسام بشكل أساسي. يمكن أن تلبي رغوة PMI أيضًا متطلبات FST. ميزة أخرى لهيكل شطيرة الرغوة مقارنة بهيكل شطيرة NOMEX® على شكل قرص العسل هي أن مقاومته للرطوبة أفضل بكثير. نظرًا لأن الرغوة عبارة عن خلية مغلقة ، فمن الصعب على الرطوبة والرطوبة الدخول إلى قلب السندويتش. على الرغم من أنه يمكن أيضًا معالجة هيكل شطيرة NOMEX® على شكل قرص العسل ، إلا أنه سيقلل من قوة اللوحة المركبة. من أجل تجنب انهيار المادة الأساسية أو الانزياح الجانبي أثناء عملية المعالجة المشتركة ، يكون ضغط المعالجة عادة 0.28-0.35 ميجا باسكال بدلاً من 0.69 ميجا باسكال من الرقائق المعتادة. سيؤدي هذا إلى زيادة مسامية اللوحة المركبة. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن قطر مسام بنية قرص العسل كبير ، يتم دعم الجلد فقط في جدار قرص العسل ، مما يؤدي إلى ثني الألياف وتقليل قوة طبقة الجلد المركبة.

بناءً على المقارنة بين قرص العسل والمواد الرغوية ، عادةً ما يتم اختيار مادة الرغوة كمواد أساسية للحشو لهيكل الضلع على شكل A. عند استخدامه كقالب أساسي ، فإنه يعمل كمواد أساسية هيكلية للضلع على شكل A. ، هي أيضًا مادة مساعدة للعملية.

تم استخدام رغوة PMI بنجاح كمواد أساسية من رغوة هيكل شطيرة في هياكل الطائرات المختلفة. أحد أبرز التطبيقات هو اللوحة الجانبية لسحب هواء المحرك في الجزء الخلفي من طائرة Boeing MD 11. إن التصنيع الدقيق CNC والتشكيل الحراري للرغوة يقلل بشكل كبير من تكلفة التمديد. تتميز المادة الأساسية لرغوة PMI عالية الأداء بضغط جيد ومقاومة زحف أثناء عملية المعالجة ، بحيث يتم ضغط اللوحة ويكون السطح غير مستوٍ. بالمقارنة مع نواة قرص العسل ، فإن هيكل المسام الخواص لرغوة PMI يمكن أن يلبي أيضًا متطلبات ثبات الأبعاد تحت الضغط الجانبي أثناء عملية المعالجة في الأوتوكلاف. على عكس هيكل قرص العسل ، لا يحتاج إلى حشو بالرغوة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للرغوة نقل ضغط الأوتوكلاف بالتساوي إلى طبقة اللوحة الموجودة أسفل الرغوة ، مما يجعلها مضغوطة ، دون عيوب سطحية مثل المسافة البادئة. يمكن تطبيق هيكل الشريط المقوى من النوع A المملوء بالرغوة على مكونات مثل أسطح إطلاق الرادار ، وجدران الهيكل ، وجلود جسم الطائرة ، والمثبتات الرأسية.

4. أحدث تطبيق لملء الرغوة هيكل شريط مقوى
أضلاع مملوءة بالرغوة هي أحدث التطبيقات في هيكل إطار الضغط الخلفي لطائرات إيرباص A340 و A340-600. حتى الآن ، تم تسليم ما يقرب من 1700 ROHACELL® 71 WF-HT بالحرارة ومعالجتها بواسطة CNC إلى مصنع Airbus Stade بالقرب من هامبورغ لاستخدامها بواسطة A340. أثناء عملية المعالجة والمعالجة ، تعمل الرغوة المشكلة كقالب أساسي. أثناء المعالجة ، تتمتع رغوة PMI بمقاومة زحف انضغاطية جيدة وثبات أبعاد ، بحيث تحت ظروف المعالجة بـ 180 درجة مئوية ، 0.35 ميجا باسكال وساعتين ، يتم اعتماد عملية المعالجة المشتركة لهيكل الساندويتش لتقليل التكاليف. يمكن أن تضمن رغوة PMI أن الوسادة المسبقة حول الأضلاع مضغوطة تمامًا ، والتي يمكن أن تكون بديلاً جيدًا لأدوات الوسادة الهوائية القابلة للنفخ ، وتجنب سلسلة من المشكلات مثل استخدام الوسائد الهوائية القابلة للنفخ التي تتطلب معالجة متعددة. حتى الآن ، تم تصنيع أكثر من 170 إطار ضغط خلفي بنجاح ، ولا يوجد أي نفايات. وهذا يثبت أيضًا موثوقية وجدوى عملية شريط تقوية رغوة PMI.

استنادًا إلى نجاح إطار الضغط الخلفي الجديد A340 باستخدام هيكل أضلاع PMI المملوء بالرغوة ، يستخدم إطار الضغط الخلفي A380 هذه التقنية أيضًا. في هيكل A380 ، يبلغ طول أضلاع الرغوة 2.5 متر والهندسة أكثر تعقيدًا نسبيًا. تعد معالجة رغوة PMI والتشكيل الحراري أسهل ، وهو أيضًا مفتاح تحقيق تصميم ضلع تعبئة الرغوة. في الوقت الحاضر ، تم تسليم 200 قطعة من أضلاع الفوم المعالجة إلى مصنع Airbus Stade لاستخدامها AIRBUS A 380.

5. التحليل الإنشائي للهيكل المملوء بالرغوة
يناقش المثال التالي جدوى المواد الأساسية لرغوة PMI لتحقيق تحسين التكلفة والوزن وتلبية المتطلبات المزدوجة في تطبيق الأضلاع على شكل A. سوف نناقش هنا أن المادة الأساسية الرغوية لا يمكن استخدامها فقط كقالب أساسي في عملية التمديد والمعالجة ، ولكن يمكن أيضًا أن تلعب دورًا هيكليًا معينًا في الأضلاع. نظرًا لقوة الضغط العالية للرغوة ، يمكنها تحسين استقرار الهيكل وتقليل طبقة التقوية التمهيدية في هيكل الشطيرة وتحقيق الغرض من تقليل الوزن.

تحت تأثير الانحناء والضغط المحوري ، غالبًا ما يخضع الهيكل المركب الرقيق الجدران لفشل مستقر. يحدث فشل عدم الاستقرار دائمًا في الجزء المضغوط قبل أن تصل المادة إلى قوة فشل الانضغاط. من الطرق الناضجة والفعالة للغاية ربط أضلاع التسليح بهيكل الصدفة لتحسين القدرة على مقاومة عدم الاستقرار لهيكل الغلاف. الجدران الجانبية والحواف المحدبة للهيكل المضلع المجوف على شكل حرف A عرضة لعدم الاستقرار ، مما يؤدي إلى فشل سابق لأوانه في الهيكل.

بالمقارنة مع الأضلاع المجوفة على شكل A ، في أضلاع PMI المملوءة بالرغوة ، لا تعمل مادة الرغوة الأساسية فقط كقالب أساسي أثناء عملية التصنيع ، ولكنها تعمل أيضًا كمواد هيكلية لتحسين الأداء المضاد لعدم الاستقرار ؛ قبل ذلك ، حافظ على شكل وقوة الهيكل. تتم مقارنة قوة الانضغاط في الطائرة للشريط المقوى A المملوء بالرغوة مع تلك الموجودة في الشريط المقوى المجوف. عندما يتعرض الهيكل لعدم الاستقرار الأولي ، يزداد حمل عدم الاستقرار بحوالي 100٪. تتحمل المادة الأساسية بشكل أساسي ضغوط الشد والضغط عموديًا على السطح الجانبي للأضلاع لتجنب الفشل المبكر للهيكل قبل أن تصل اللوحة المركبة المصنوعة من ألياف الكربون / الإيبوكسي إلى قوة الخضوع.

6. الخلاصة
يمكن استخدام قلب الرغوة PMI كقالب أساسي لتصنيع أضلاع على شكل حرف A ، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من تكلفة وضع المكونات ومعالجتها. يمكن وضع التقوية المسبقة بسهولة على قالب قلب الرغوة. هيكل الفراغ الخواص لرغوة PMI والضغط الجيد ومقاومة الزحف أثناء دورة المعالجة بالأوتوكلاف تمكن من تحقيق عملية المعالجة المشتركة من خطوة واحدة. يمكننا أيضًا أن نستنتج أن استخدام رغوة PMI المملوءة بأضلاع تقوية على شكل A يمكن أن يحسن بشكل كبير الأداء المضاد لعدم الاستقرار لهياكل ألياف الكربون / الإيبوكسي ذات الجدران الرقيقة. يمكن أن يؤدي استخدام المقويات إلى زيادة مقاومة فشل الخضوع بحوالي 30٪ وقوة فشل عدم الاستقرار بحوالي 100٪ .