1. Sendvičová štruktúra
Pri konštrukcii lietadiel je pre konštruktérov najväčšou výzvou požadovať, aby navrhnuté komponenty boli čo najľahšie bez straty pevnosti. To si vyžaduje, aby tenkostenná konštrukcia bola navrhnutá tak, aby bola stabilná pri kombinovanom pôsobení ťahového, tlakového a šmykového zaťaženia. V minulosti sa v niektorých oblastiach stále používajú tradičné metódy navrhovania konštrukcie lietadiel. Dlhé nosníky a rebrá/rámy sa používajú na vytvorenie pozdĺžnych a bočných výstuh na zlepšenie stability dosky. V skutočnosti môžu byť niektoré sekundárne konštrukcie navrhnuté aj so sendvičovými štruktúrami, aby splnili požiadavky na pevnosť a tuhosť. Sendvičová štruktúra zvyčajne využíva voštinový alebo penový materiál jadra.

Pre nosné konštrukcie s veľkými konštrukčnými výškami môžu opláštené panely (najmä horné nosné panely) využívajúce sendvičové štruktúry namiesto voštinových panelov výrazne znížiť hmotnosť. Pre nosné konštrukcie s malými konštrukčnými výškami (predovšetkým riadiace plochy), plná výška Sendvičová štruktúra namiesto rebrovej konštrukcie nosníka môže tiež priniesť výrazné zníženie hmotnosti. Najväčšou výhodou sendvičovej štruktúry je, že má väčšiu ohybovú tuhosť a pevnosť.

Kompozitná sendvičová štruktúra lietadla zvyčajne používa pokročilé kompozitné materiály ako panely a sendvičové jadro je vyrobené z ľahkých materiálov. Výkonnosť tuhosti v ohybe sendvičovej konštrukcie závisí hlavne od výkonu panelu a výšky medzi dvoma vrstvami panelov. Čím väčšia je výška, tým väčšia je tuhosť v ohybe. Sendvičové jadro sendvičovej konštrukcie znáša hlavne šmykové napätie a podopiera panel bez straty stability. Zvyčajne je šmyková sila tohto typu konštrukcie malá. Výber ľahkých materiálov ako sendvičového jadra môže výrazne znížiť hmotnosť komponentov. Okrem toho skúsenosti s používaním sendvičovej konštrukcie tiež ukazujú, že pri hodnotení sendvičovej konštrukcie z hľadiska nákladov je potrebné brať do úvahy nielen výrobné náklady, ale aj náklady na životnosť lietadla.

2. Zosilnená pásová štruktúra
Použitie výstuh je tiež najefektívnejší spôsob spevnenia tenkostenných uhlíkových/epoxidových panelov, ako sú bočné panely nasávania motora alebo gondoly, plášť krídel a výložníka chvosta atď. Použitie rebier môže najúčinnejšie zlepšiť tuhosť a stabilitu konštrukcie.

3. Rebrová štruktúra tvaru A vyplnená penou
Americká NASA a európsky Airbus, založené na používaní sendvičových štruktúr a vystužených pásov po mnoho rokov, nedávno navrhli penovú vystuženú pásovú štruktúru na optimalizáciu konštrukčného návrhu a výrobného procesu v čo najväčšej miere, ako napríklad AIRBUS A380 Sférický rám vzduchotesnej kabíny atď.

Pena PMI: Pena PMI (polymetakrylimid, polymetakrylimid) vydrží požiadavky na proces vytvrdzovania kompozitného materiálu pri vysokej teplote po vhodnom spracovaní pri vysokej teplote, vďaka čomu je pena PMI široko používaná v oblasti letectva. Pena PMI strednej hustoty má dobré kompresné creepové vlastnosti a možno ju autoklávovať pri teplote 120oC -180oC a tlaku 0,3-0,5MPa. Pena PMI môže spĺňať požiadavky na tečenie bežného procesu vytvrdzovania predimpregnovaných laminátov a môže realizovať spoločné vytvrdzovanie sendvičovej štruktúry. Ako letecký materiál je pena PMI jednotná tuhá pena s uzavretými bunkami s v podstate rovnakou veľkosťou pórov. Pena PMI môže spĺňať aj požiadavky FST. Ďalšou vlastnosťou penovej sendvičovej štruktúry v porovnaní so sendvičovou štruktúrou NOMEX® je, že jej odolnosť voči vlhkosti je oveľa lepšia. Pretože pena má uzavreté bunky, je ťažké pre vlhkosť a vlhkosť vstúpiť do sendvičového jadra. Hoci voštinová sendvičová štruktúra NOMEX® môže byť tiež spoluvytvrdzovaná, zníži sa tým pevnosť kompozitného panelu. Aby sa zabránilo zrúteniu materiálu jadra alebo bočnému posunu počas procesu spoluvytvrdzovania, tlak vytvrdzovania je zvyčajne 0,28 až 0,35 MPa namiesto 0,69 MPa bežného laminátu. To spôsobí, že pórovitosť kompozitného panelu bude vyššia. Okrem toho, pretože priemer pórov voštinovej štruktúry je veľký, koža je podopretá len na voštinovej stene, čo spôsobí ohýbanie vlákien a zníženie pevnosti kompozitného poťahového laminátu.

Na základe porovnania medzi voštinovým a penovým materiálom jadra sa ako výplňový materiál jadra rebrovej štruktúry v tvare A zvyčajne vyberá penový materiál. Keď sa používa ako jadrová forma, slúži ako štrukturálny materiál jadra rebra v tvare A. , Je tiež procesným pomocným materiálom.

Pena PMI bola úspešne použitá ako materiál jadra so sendvičovou štruktúrou v rôznych leteckých konštrukciách. Jednou z najvýznamnejších aplikácií je bočný panel nasávania vzduchu do motora v zadnej časti lietadla Boeing MD 11. Presné CNC obrábanie a tepelné tvarovanie peny výrazne znižuje náklady na pokládku. Vysokovýkonný penový materiál PMI má dobrú odolnosť proti stlačeniu a tečeniu počas procesu vytvrdzovania, takže panel je zhutnený a povrch je nerovný. V porovnaní s voštinovým jadrom môže izotropná štruktúra pórov PMI peny spĺňať aj požiadavky na rozmerovú stabilitu pri laterálnom tlaku počas procesu vytvrdzovania autoklávu. Na rozdiel od plástovej štruktúry ju netreba plniť penou. Okrem toho môže pena rovnomerne prenášať tlak autoklávu na vrstvu panelu pod penou, čím sa stáva kompaktným, bez povrchových defektov, ako je vrúbkovanie. Penou naplnená vystužená pásová štruktúra typu A môže byť aplikovaná na komponenty, ako sú radarové štartovacie plochy, steny gondoly, plášte trupu a vertikálne stabilizátory.

4. Najnovšia aplikácia penovej výplne Vystužená pásová štruktúra
Rebrá vyplnené penou sú najnovšie aplikácie v konštrukcii zadného tlakového rámu Airbus A340 a A340-600. Doteraz bolo do závodu Airbus Stade neďaleko Hamburgu dodaných takmer 1 700 ROHACELL® 71 WF-HT tepelne tvarovaných a spracovaných CNC na použitie pre A340. Počas procesu ukladania a vytvrdzovania pôsobí vytvorená pena ako jadrová forma. Počas vytvrdzovania má pena PMI dobrú odolnosť proti tečeniu v tlaku a rozmerovú stabilitu, takže pri podmienkach vytvrdzovania 180 °C, 0,35 MPa a 2 hodinách sa na zníženie nákladov používa proces spoluvytvrdzovania sendvičovej štruktúry. Pena PMI môže zabezpečiť, že predimpregnovaný laminát okolo rebier je úplne zhutnený, čo môže byť dobrou náhradou za nástroje nafukovacích airbagov, čím sa predíde sérii problémov, ako je použitie nafukovacích airbagov, ktoré si vyžadujú viacnásobné vytvrdzovanie. Doteraz bolo úspešne vyrobených viac ako 170 zadných prítlačných rámov a nevzniká žiadny odpad. To tiež dokazuje spoľahlivosť a realizovateľnosť procesu výstužných pásov z peny PMI.

Na základe úspechu nového zadného prítlačného rámu A340 využívajúceho rebrovú štruktúru vyplnenú penou PMI využíva túto technológiu aj zadný prítlačný rám A380. V konštrukcii A380 sú penové rebrá dlhé 2,5 m a geometria je relatívne komplikovanejšia. Spracovanie peny PMI a tvarovanie za tepla je jednoduchšie, čo je tiež kľúčom k realizácii dizajnu rebier penovej výplne. V súčasnosti bolo do závodu Airbus Stade dodaných 200 kusov spracovaných penových rebier pre použitie AIRBUS A 380.

5. Štrukturálna analýza penou vystuženej pásovej štruktúry
Nasledujúci príklad pojednáva o realizovateľnosti materiálu jadra z peny PMI na dosiahnutie optimalizácie nákladov a hmotnosti a splnenie dvojitých požiadaviek pri aplikácii rebier v tvare A. Tu bude diskutované, že materiál penového jadra môže byť použitý nielen ako jadrová forma v procese kladenia a vytvrdzovania, ale môže tiež hrať určitú štrukturálnu úlohu v rebrách. Kvôli vysokej pevnosti peny v tlaku môže zlepšiť stabilitu konštrukcie, znížiť vrstvu predimpregnovaného laminátu v sendvičovej štruktúre a dosiahnuť účel zníženia hmotnosti.

Pri pôsobení ohybu a axiálneho tlaku tenkostenná kompozitná štruktúra často podlieha stabilnému porušeniu. Porušenie z dôvodu nestability nastane v tlakovej časti vždy predtým, ako materiál dosiahne pevnosť pri porušení tlaku. Veľmi vyspelým a efektívnym spôsobom je prilepenie výstužných rebier ku konštrukcii škrupiny, aby sa zlepšila odolnosť konštrukcie škrupiny proti nestabilite. Bočné steny a konvexné okraje dutej rebrovanej konštrukcie v tvare A sú náchylné na nestabilitu, čo vedie k predčasnému zlyhaniu konštrukcie.

V porovnaní s dutými rebrami v tvare A, pri rebrách vyplnených penou PMI materiál penového jadra slúži nielen ako jadrová forma počas výrobného procesu, ale tiež slúži ako konštrukčný materiál na zlepšenie výkonu proti nestabilite; Predtým udržujte tvar a pevnosť konštrukcie. Pevnosť v tlaku v rovine A-vystuženého pásu vyplneného penou sa porovnáva s pevnosťou dutého vystuženého pásu. Keď konštrukcia prejde počiatočnou nestabilitou, zaťaženie nestability sa zvýši približne o 100 %. Materiál jadra nesie hlavne ťahové a tlakové namáhanie kolmé na bočný povrch rebier, aby sa predišlo predčasnému zlyhaniu konštrukcie predtým, ako panel z uhlíkových vlákien/epoxidového kompozitu dosiahne svoju medzu klzu.

6. Záver
Použitie penového jadra PMI sa môže použiť ako jadrová forma na výrobu rebier v tvare A, čo môže výrazne znížiť náklady na kladenie a vytvrdzovanie komponentov. Predimpregnovaný laminát sa dá jednoducho položiť na formu s penovým jadrom. Izotropná dutá štruktúra peny PMI a dobrá odolnosť proti stlačeniu a tečeniu počas cyklu vytvrdzovania v autokláve umožňujú realizáciu jednokrokového procesu spoluvytvrdzovania. Môžeme tiež dospieť k záveru, že použitie peny PMI vyplnenej výstužnými rebrami v tvare písmena A môže výrazne zlepšiť účinnosť proti nestabilite tenkostenných uhlíkových vlákien / epoxidových štruktúr. Použitie výstuh môže zvýšiť medzu klzu o približne 30 % a pevnosť pri porušení pri nestabilite približne o 100 %.