1. Estructura tipo sándwich
En el diseño de aeronaves, el mayor desafío para los diseñadores es exigir que los componentes diseñados sean lo más livianos posible sin perder resistencia. Esto requiere que la estructura de paredes delgadas esté diseñada para ser estable bajo la acción combinada de cargas de tracción, compresión y corte. En el pasado, los métodos tradicionales de diseño de estructuras de aeronaves todavía se utilizan en algunas áreas. Se utilizan cerchas largas y nervaduras/marcos para formar refuerzos longitudinales y laterales para mejorar la estabilidad del tablero. De hecho, algunas estructuras secundarias también se pueden diseñar con estructuras sándwich para cumplir con los requisitos de resistencia y rigidez. La estructura de sándwich generalmente adopta un material de núcleo de panal o espuma.

Para estructuras aerodinámicas con grandes alturas estructurales, los paneles de revestimiento (especialmente los paneles aerodinámicos superiores) que utilizan estructuras tipo sándwich en lugar de paneles de nido de abeja pueden reducir significativamente el peso. Para estructuras aerodinámicas con alturas estructurales pequeñas (especialmente superficies de control), la estructura de sándwich de altura completa en lugar de la estructura de costilla de viga también puede generar efectos significativos de reducción de peso. La mayor ventaja de la estructura sándwich es que tiene una mayor rigidez y resistencia a la flexión.

La estructura tipo sándwich compuesta de las aeronaves generalmente usa materiales compuestos avanzados como paneles, y el núcleo tipo sándwich está hecho de materiales livianos. El rendimiento de la rigidez a la flexión de la estructura tipo sándwich depende principalmente del rendimiento del panel y de la altura entre las dos capas de paneles. Cuanto mayor es la altura, mayor es la rigidez a la flexión. El núcleo tipo sándwich de la estructura tipo sándwich soporta principalmente el esfuerzo cortante y soporta el panel sin perder su estabilidad. Por lo general, la fuerza cortante de este tipo de estructura es pequeña. La elección de materiales ligeros como núcleo sándwich puede reducir en gran medida el peso de los componentes. Además, la experiencia del uso de la estructura tipo sándwich también muestra que cuando se evalúa la estructura tipo sándwich desde el punto de vista del costo, no solo se debe considerar el costo de fabricación, sino también el costo de vida útil de la aeronave.

2. Estructura de tiras reforzadas
El uso de refuerzos también es la forma más eficaz de reforzar los paneles de fibra de carbono/epoxi de paredes delgadas, como los paneles laterales de la entrada del motor o la góndola, el revestimiento de las alas y el botalón de cola, etc. El uso de nervaduras puede mejorar más eficazmente la rigidez y la estabilidad de la estructura.

3. Estructura de costillas en forma de A rellena de espuma
La NASA americana y la europea Airbus, basándose en el uso de estructuras sándwich y tiras rigidizadas durante muchos años, propusieron recientemente una estructura de tiras rigidizadas rellenas de espuma para optimizar al máximo el diseño estructural y el proceso de fabricación, como el AIRBUS A380 El marco esférico de la cabina hermética, etc.

Espuma PMI: la espuma PMI (polimetacrilimida, polimetacrilimida) puede resistir los requisitos del proceso de curado de materiales compuestos a alta temperatura después de un tratamiento adecuado a alta temperatura, lo que hace que la espuma PMI se use ampliamente en el campo de la aviación. La espuma PMI de densidad media tiene buenas propiedades de fluencia a la compresión y se puede esterilizar en autoclave a una temperatura de 120 °C -180 °C y una presión de 0,3-0,5 MPa. La espuma PMI puede cumplir con los requisitos de rendimiento de fluencia del proceso habitual de curado de preimpregnados y puede realizar el curado conjunto de la estructura tipo sándwich. Como material aeroespacial, la espuma PMI es una espuma rígida uniforme de celda cerrada con básicamente el mismo tamaño de poro. La espuma PMI también puede cumplir con los requisitos de FST. Otra característica de la estructura de sándwich de espuma en comparación con la estructura de sándwich de panal de NOMEX® es que su resistencia a la humedad es mucho mejor. Debido a que la espuma es de celda cerrada, es difícil que la humedad y la humedad entren en el núcleo del sándwich. Aunque la estructura de sándwich de panal de abeja de NOMEX® también se puede cocurar, reducirá la resistencia del panel compuesto. Para evitar el colapso del material del núcleo o el desplazamiento lateral durante el proceso de curado conjunto, la presión de curado suele ser de 0,28-0,35 MPa en lugar de los 0,69 MPa del laminado habitual. Esto hará que la porosidad del panel compuesto sea mayor. Además, debido a que el diámetro de los poros de la estructura alveolar es grande, la piel solo se apoya en la pared alveolar, lo que hará que las fibras se doblen y reduzcan la resistencia del laminado de piel compuesto.

En base a la comparación entre el material de nido de abeja y el núcleo de espuma, el material de espuma generalmente se selecciona como el material del núcleo de relleno de la estructura de costillas en forma de A. Cuando se usa como molde de núcleo, sirve como material de núcleo estructural de la nervadura en forma de A. , es también un material auxiliar de proceso.

La espuma PMI se ha utilizado con éxito como material de núcleo de espuma de estructura sándwich en varias estructuras de aeronaves. Una de las aplicaciones más destacadas es el panel lateral de entrada de aire del motor en la parte trasera del avión Boeing MD 11. El mecanizado de precisión CNC y el termoformado de la espuma reducen considerablemente el coste de colocación. El material del núcleo de espuma PMI de alto rendimiento tiene buena resistencia a la compresión y a la fluencia durante el proceso de curado, por lo que el panel se compacta y la superficie es irregular. En comparación con el núcleo de nido de abeja, la estructura de poros isotrópicos de la espuma PMI también puede cumplir con los requisitos de estabilidad dimensional bajo presión lateral durante el proceso de curado del autoclave. A diferencia de la estructura de nido de abeja, no necesita rellenarse con espuma. Además, la espuma puede transferir uniformemente la presión del autoclave a la capa del panel debajo de la espuma, haciéndolo compacto, sin defectos en la superficie, como hendiduras. La estructura de tira rígida tipo A rellena de espuma se puede aplicar a componentes como superficies de lanzamiento de radar, paredes de góndolas, revestimientos de fuselaje y estabilizadores verticales.

4. La última aplicación de relleno de espuma Una estructura de tira rígida
Las costillas rellenas de espuma son las aplicaciones más recientes en la estructura del marco de presión trasera de los Airbus A340 y A340-600. Hasta el momento, casi 1.700 ROHACELL® 71 WF-HT termoformados y procesados ​​por CNC se han entregado a la planta de Airbus Stade cerca de Hamburgo para que los utilice el A340. Durante el proceso de colocación y curado, la espuma formada actúa como un molde central. Durante el curado, la espuma PMI tiene buena resistencia a la fluencia por compresión y estabilidad dimensional, por lo que bajo condiciones de curado de 180oC, 0.35MPa y 2 horas, se adopta el proceso de curado conjunto de estructura sándwich para reducir costos. La espuma PMI puede asegurar que el preimpregnado alrededor de las costillas esté completamente compactado, lo que puede ser un buen reemplazo para las herramientas de las bolsas de aire inflables, evitando una serie de problemas como el uso de bolsas de aire inflables que requieren curado múltiple. Hasta el momento, se han fabricado con éxito más de 170 cuadros de presión trasera y no hay residuos. Esto también demuestra la confiabilidad y viabilidad del proceso de tiras de refuerzo de espuma de PMI.

Basado en el éxito del nuevo bastidor de presión trasero del A340 que utiliza la estructura de costillas rellenas de espuma de PMI, el bastidor de presión trasero del A380 también utiliza esta tecnología. En la estructura del A380, las nervaduras de espuma tienen 2,5 m de largo y la geometría es relativamente más complicada. El procesamiento de espuma y el termoformado de PMI son más fáciles, lo que también es la clave para la realización del diseño de costillas de relleno de espuma. En la actualidad, se han entregado 200 piezas de costillas de espuma procesada a la planta de Airbus Stade para uso de AIRBUS A 380.

5. Análisis estructural de una estructura de tira rígida rellena de espuma
El siguiente ejemplo analiza la viabilidad del material de núcleo de espuma de PMI para lograr la optimización de costos y peso y cumplir con los requisitos duales en la aplicación de nervaduras en forma de A. Se discutirá aquí que el material del núcleo de espuma no solo se puede usar como un molde de núcleo en el proceso de colocación y curado, sino que también puede desempeñar un cierto papel estructural en las nervaduras. Debido a la alta resistencia a la compresión de la espuma, puede mejorar la estabilidad de la estructura, reducir la capa de preimpregnado en la estructura del sándwich y lograr el objetivo de reducción de peso.

Bajo la acción de la flexión y la presión axial, la estructura compuesta de paredes delgadas a menudo sufre fallas estables. La falla por inestabilidad siempre ocurre en la parte comprimida antes de que el material alcance la resistencia a la falla por compresión. Una forma muy madura y efectiva es unir las nervaduras de refuerzo a la estructura de la cubierta para mejorar la capacidad antiinestabilidad de la estructura de la cubierta. Las paredes laterales y los bordes convexos de la estructura nervada hueca en forma de A son propensos a la inestabilidad, lo que conduce a una falla prematura de la estructura.

En comparación con las nervaduras huecas en forma de A, en las nervaduras rellenas de espuma de PMI, el material del núcleo de espuma no solo sirve como molde central durante el proceso de fabricación, sino que también sirve como material estructural para mejorar el rendimiento contra la inestabilidad; Antes, mantener la forma y resistencia de la estructura. La resistencia a la compresión en el plano de la tira reforzada con A rellena con espuma se compara con la de la tira reforzada con huecos. Cuando la estructura experimenta inestabilidad inicial, la carga de inestabilidad aumenta en aproximadamente un 100%. El material del núcleo soporta principalmente los esfuerzos de tracción y compresión perpendiculares a la superficie lateral de las nervaduras para evitar fallas prematuras de la estructura antes de que el panel compuesto de fibra de carbono/epoxi alcance su límite elástico.

6. Conclusión
El núcleo de espuma PMI se puede utilizar como molde de núcleo para fabricar nervaduras en forma de A, lo que puede reducir en gran medida el costo de colocación y curado de los componentes. El preimpregnado se puede colocar fácilmente sobre el molde de núcleo de espuma. La estructura de vacíos isotrópicos de la espuma PMI y la buena resistencia a la compresión y a la fluencia durante el ciclo de curado en autoclave permiten realizar el proceso de curado conjunto en un solo paso. También podemos concluir que el uso de espuma PMI rellena con nervaduras de refuerzo en forma de A puede mejorar significativamente el rendimiento contra la inestabilidad de las estructuras de fibra de carbono/epoxi de paredes delgadas. El uso de refuerzos puede aumentar la resistencia a la rotura por cedencia en aproximadamente un 30 % y la resistencia a la rotura por inestabilidad en aproximadamente un 100 %.