在飛機設計中要求設計的構件盡可能輕而不損失強度是對設計人員的最大挑戰，這就要求所設計的薄壁結構在承受拉、壓及剪切載荷的綜合作用下不失穩。過去傳統的飛機結構設計方法仍在一些范圍內使用，通過用長桁和肋/框組成縱、橫向加強件來提高板的穩定性。實際上，某些次結構也可以使用夾層結構設計來滿足強度、剛度要求。夾層結構的夾芯通常采用蜂窩或泡沫芯材。

對結構高度大的翼面結構，蒙皮壁板（尤其是上翼面壁板）采用夾層結構代替蜂窩板能明顯減輕重量，對于結構高度小的翼面結構（尤其是操縱面），采用全高度夾層結構代替梁肋式結構也能帶來明顯的減重效果。夾層結構最大的優點是具有較大的彎曲剛度和強度。

飛機的復合材料夾層結構通常采用先進復合材料做面板，其夾芯為輕質材料。夾層結構的彎曲剛度性能主要取決于面板的性能和兩層面板之間的高度，高度越大其彎曲剛度就越大。夾層結構的夾芯主要承受剪應力并支持面板不失去穩定性，通常這類結構的剪力較小。選擇輕質材料作為夾芯，可較大幅度地減輕構件的重量。圖1是 A320飛機全高度泡沫夾層結構擾流板樣件，圖2是Gulfstream G150泡沫夾層結構翼身整流罩。當然，對于面板很薄的夾層結構，還應考慮抗沖擊載荷的能力，所以面板的最小厚度必須滿足一定的條件。此外，夾層結構的使用經驗還表明：在從成本方面評估夾層結構時，不僅要考慮制造成本，還必須考慮飛機使用期的全壽命成本。

圖1：  A 320飛機擾流板樣件


圖2：夾層結構整流罩

二、加筋條結構

       采用加筋條也是一種加強薄壁碳纖維/環氧壁板的最有效途徑，例如發動機進氣口側板或發動機短艙的側板、機翼和尾梁的蒙皮等。使用加筋條可以最有效的提高結構剛度和穩定性[1]。

圖3：常見的各種加筋條剖面

三、泡沫填充A形加筋條結構

美國NASA和歐洲空中客車公司，在多年使用夾層結構和加筋條結構的基礎上，最近提出了一種泡沫填充加筋條的結構方案，最大程度上優化結構設計和制造工藝，例如AIRBUS A380的氣密艙的球面框等。

PMI泡沫：PMI (Polymethacrylimide，聚甲基丙烯酰亞胺)泡沫在進行適當的高溫處理后，能承受高溫的復合材料固化工藝要求，這樣使得PMI泡沫在航空領域得到了廣泛的應用。中等密度的PMI泡沫具有很好的壓縮蠕變性能，可以在120oC -180oC溫度、0.3-0.5MPa的壓力下熱壓罐固化。PMI泡沫能滿足通常的預浸料固化工藝的蠕變性能要求，可以實現夾層結構的共固化。作為航空材料的PMI泡沫是一種均勻的剛性閉孔泡沫，孔隙大小基本一致。PMI泡沫也能滿足FST要求。泡沫夾層結構與NOMEX®蜂窩夾層結構比較的另一個特點是其抗吸濕性好得多，由于泡沫是閉孔的，濕氣和水分很難進入到夾芯里面去。雖然NOMEX®蜂窩夾層結構也能實現共固化，但是會降低復合材料面板的強度。為了避免在共固化過程中，蜂窩發生芯材壓潰或側移，通常固化壓力為0.28-0.35 MPa，而不是通常層壓板的0.69MPa。這樣會導致復合材料面板的孔隙率偏高。另外，因為蜂窩結構的孔隙直徑較大，只在蜂窩壁位置才對蒙皮有所支撐，這樣會導致纖維產生彎曲，導致復合材料蒙皮層板的強度降低。如圖4所示。

圖4：復合材料蜂窩夾層結構共固化后，纖維的彎曲示意圖

綜合上面對蜂窩和泡沫芯材的對比，通常選擇泡沫材料作為A形加筋條結構的填充芯材，在用作芯模的同時，充當A 型加筋條的結構芯材，既是結構材料，也是工藝輔助材料，如圖5所示。

圖5：泡沫填充復合材料A筋條結構

 PMI泡沫作為夾層結構泡沫芯材已經在各種飛機結構中成功地應用，其中一個最突出的應用是在波音 MD 11飛機尾部的發動機進氣口側板（圖6）。泡沫的CNC 精確加工和熱成型大大降低了鋪層成本。高性能PMI泡沫芯材在固化過程中具有很好的耐壓縮蠕變性能，使面板壓實，消除表面凹凸不平。和蜂窩芯相比，在熱壓罐固化過程中，PMI泡沫各向同性的孔隙結構還能滿足側壓下的尺寸穩定性的要求，不同于蜂窩結構，無需用泡沫膠填充。另外，泡沫還能將熱壓罐的壓力均勻的傳遞給泡沫下方面板的鋪層，使其壓實，沒有壓痕等表面缺陷。泡沫填充A 型加筋條結構形式可以應用在例如雷達發射面，發動機短艙的壁板、機身蒙皮、垂直安定面等部件。

圖6 波音 MD11

四、泡沫填充A加筋條結構的最新應用

泡沫填充加筋條最新應用在空中客車A340和A340-600（圖7）的后壓力框結構中。到目前為止，已經近1700個經過CNC加工，熱成型的ROHACELL® 71 WF-HT 已經運抵臨近漢堡的空中客車Stade工廠，供A340使用（圖8）。在鋪層和固化過程中，成型好的泡沫起到芯模作用。固化時，PMI泡沫具有很好的耐壓縮蠕變性能和尺寸穩定性能，使得在溫度180oC，壓力0.35MPa，2小時的固化條件下，采用夾層結構共固化工藝，降低成本。PMI泡沫能夠保證加強筋的周邊的預浸料完全壓實，可以很好的替代可充氣氣囊工裝，避免了使用可充氣氣囊需要多次固化等一系列的問題。現今已經成功的制造了近170多個后壓力框，還沒有出現一個廢品。這也證明了PMI泡沫加筋條工藝的可靠性和可行性。

圖7、 A340的后壓力框


圖8、 已成型、 待用的泡沫加強筋

在新型A340后壓力框采用了PMI泡沫填充筋條結構形式成功的基礎上，A380后壓力框也采用了這一技術（圖9）。在A380結構中，泡沫筋條長達2.5m，幾何形狀相對更加復雜。PMI泡沫加工和熱成型比較容易，這也是泡沫填充筋條設計能夠實現的關鍵。目前，已有200件加工成型完的泡沫筋條運抵空中客車Stade工廠供AIRBUS A 380使用。

圖 9、 A380的后壓力框

五、泡沫填充A加筋條結構的結構分析

       下面的實例討論了在A形加筋條應用中，PMI泡沫芯材實現成本、重量的優化，滿足雙重要求的可行性。這里將討論泡沫芯材不僅可以在鋪層、固化過程中，用做芯模，還能在加筋條中起到一定的結構作用[2]。因為泡沫的壓縮強度很高，它可以提高結構的穩定性，減少夾層結構中預浸料鋪層，達到減重的目的。

在彎曲和軸向壓力作用下，薄壁復合材料結構常常會發生穩定破壞。失穩破壞總是在材料到達壓縮破壞強度以前，在受壓部位出現。一個非常成熟、有效的途徑是將加強筋粘接在殼結構上，提高殼結構的抗失穩能力。空心的A形加筋條結構的側壁和凸邊容易產生失穩，導致結構過早破壞。

圖 10 空心A筋條和PMI泡沫填充A筋條軸壓載荷/應變曲線[2]

和空心A形加筋條相比，在PMI泡沫填充的加強筋中，泡沫芯材除了在制造過程中起到芯模的作用以外，還作為結構材料，提高抗失穩性能；在材料發生屈服前，保持結構的形狀和強度。泡沫填充A加筋條的面內壓縮強度和空心加筋條相比，在結構出現初始失穩時，失穩載荷提高約100%（圖 10)。芯材主要承受和加強筋側表面垂直方向的拉應力和壓應力，避免在碳纖維/環氧復合材料面板達到屈服強度前，結構過早地發生失穩破壞。

六、結論

使用PMI泡沫芯可以用作芯模制造A形加筋條，可以大大降低構件的鋪層和固化成本。預浸料可以方便地鋪設在泡沫芯模上。PMI泡沫各向同性的空隙結構和在熱壓罐固化周期，良好的耐壓縮蠕變性能使得一步共固化工藝得以實現。我們還可以得出結論：使用PMI泡沫填充A形加強筋條可以顯著提高薄壁碳纖維/環氧結構的抗失穩性能。采用加筋條可將屈服破壞強度提高約30%，失穩破壞強度提高約100%。

考慮PMI泡沫作為一個結構組分，面層預浸料鋪層厚度可以減少一到兩層。和空心加筋條相比，PMI泡沫夾心加筋條是一個重量相對適中的方案。總之，PMI泡沫的雙重功用，作為芯模的同時，也是夾層結構的結構單元，可以降低成本，減輕結構重量。