Airbus успешно заменил оригинальную кольцевую раму из алюминиевого сплава вертолета H135 на армированный углеродным волокном полимер (CFRP) в качестве сырья с использованием многокомпонентной комбинированной преформы и одноразового процесса заливки.
Как вертолет скорой медицинской помощи / санитарной авиации, легкий двухдвигательный вертолет Airbus H135 стал вертолетом с самыми низкими затратами на эксплуатацию и техническое обслуживание среди аналогичных продуктов Airbus из-за его высокой надежности, многофункциональных и экономических преимуществ. В настоящее время более 1350 H135 находятся в эксплуатации в более чем 60 странах или регионах, предоставляя услуги более чем 300 операторам. Однако с увеличением времени полета H135 соответствующие данные о регулярной эксплуатации и техническом обслуживании показывают, что кольцевая рама из алюминиевого сплава, соединяющая хвостовую балку из углепластика и щит хвостового ротора из углепластика, подвержена усталости и коррозии, что непосредственно приводит к увеличению затрат на обнаружение эксплуатации и технического обслуживания. С целью снижения стоимости и обеспечения безопасности кузова Airbus приступил к изучению новой схемы проектирования процесса коррозионной и усталостной стойкости кольцевой рамы.
Airbus сначала рассматривал схему на основе титанового сплава, но процесс обработки и сырье из титанового сплава схемы стоят дороже, чем алюминиевая схема. Поэтому многопрофильная команда R & D разработала новую схему проектирования, основанную на углепластике, используя процессы препрега, вакуумной перфузии (VAP) и формования переноса смолы (RTM). После расчета вес новой схемы снижается на 25% по сравнению с алюминиевой схемой, а стоимость снижается на 50% по сравнению со схемой из титанового сплава, что значительно снижает затраты на обнаружение и обслуживание.
Инженеры не могут изменить существующую конструкцию хвостовой балки и щита рулевого винта, а кольцевая рама является основной конструкцией, соединяющей хвостовую балку и щит хвостового винта. Поэтому кольцевая рама из углепластика должна иметь ту же поверхность соединения и геометрические размеры, что и оригинальная алюминиевая рама, что сильно ограничивает свободу конструктивной схемы. Благодаря коммуникации и оценке инженерная команда и инженеры по проектированию, стрессу и производству, наконец, определяют использование стандартных спецификаций материалов, которые широко использовались в фактическом производстве, чтобы минимизировать затраты на НИОКР и последующие затраты на серийное производство. Среди них углеродное волокно g0986 twill американской компании Hexcel, используемое в новой схеме, получило широкое применение при разливочном формовании других вертолетных проектов Airbus; Смола для заливки является одним из компонентов эпоксидной смолы rtm6 компании Hatch, которая уже прошла розлив смолы и сертификацию RTM вертолетной компании Airbus.
Из-за крайней неразвертываемости геометрии кольцевой рамы инженеры разработали дополнительные разрезы и насечки в преформе, чтобы избежать морщин во время формования. Впоследствии инженеры проверили прочность на сжатие внутреннего фланца, проверили способность к развертыванию кольцевой рамы из углепластика и интерфейс между кольцевой рамой из углепластика и неармированной полимерной пластиной с помощью статических и динамических испытаний на растяжение. Результаты испытаний показывают, что новая конструкция кольцевой рамы из углепластика очень прочна и может безопасно справляться с ожидаемой нагрузкой.
Для розлива смолы инженерная группа разработала четыре преформы, как показано на рисунке ниже. Среди них преформа No 3 включает в себя две части А и В; Преформа No4 представляет собой неармированную полимерную гуссетную пластину, обеспечивающую соединение т-образной области.
Для четырех преформ инженерная группа разработала соответствующую специальную оснастку, а затем собрала все преформы и кольцевые пластины вместе в окончательный инструмент отверждения. Окончательные комплектные инструменты для отверждения изготовлены из алюминиевого сплава, включая синюю оснастку, закрепленную на серой опорной плите, зеленую кольцевую оснастку, сращенную несколькими частями, и оранжевую и желтую верхнюю кольцевую оснастку. Целью конструкции многокомпонентной сварочной оснастки является предотвращение силы усадки, вызванной охлаждением инструмента во время отверждения и охлаждения.
После завершения сборки ламината и оснастки команда инженеров использует наиболее типичную и экономичную схему процесса VAP для заливки смолы. После этапов отверждения, охлаждения и демоульдирования команда осуществляет финишную обработку краев деталей, а затем осуществляет высокоточное сверление для последующих клепальных работ. Для обеспечения точности соединения между кольцевой рамой и хвостовой балкой и щитом рулевого винта конструктивный допуск соединения должен контролироваться в пределах±0,4 мм. Результаты анализа методом конечных элементов показывают, что результаты проектирования матрицы новой схемы являются «одноразовыми» и могут соответствовать требованиям допусков.
Новый дизайн Airbus для кольцевой рамы из углепластика был завершен около года назад, но потребовалось много времени, чтобы перейти от алюминиевого сплава к композитному материалу. Компания должна учитывать множество проблем, таких как рациональность проектирования, проверка и подтверждение технологических этапов, стабильность серийного производства и так далее. Кроме того, очень важна подготовка персонала к новому процессу. Необходимо убедиться, что инженерный персонал в каждом звене готов адаптироваться к новой схеме проектирования. Airbus считает, что перевод производства кольцевой рамы с процесса из алюминиевого сплава в процесс углепластика является не только простой модификацией существующих деталей, но и технологическим изменением в вертолетном отделе Airbus; Среди них наиболее сложной работой является не соответствие геометрическим требованиям допусков, а успешная разработка преформ.
В настоящее время все вновь выпускаемые вертолеты H135 оснащаются новыми кольцевыми рамами из углепластика. Благодаря отличной коррозионной стойкости и усталостной стойкости новой кольцевой рамы из углепластика, Airbus уменьшил вес продукта примерно на 0,5 кг, значительно улучшил показатели безопасности и сократил время обнаружения и стоимость.
