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DarkAero對其DarkAero1原型復合材料飛機的中央機翼盒組件中的對接接頭進行了更換，以在高速陣風載荷條件下擴大飛行試驗包線。
為了增加間隙，在上翼板下方安裝了更短的圓周形接頭段，機翼二面角過渡為水平的狗骨形層壓板，橫跨駕駛艙
DarkAero1是一款由DarkAero公司（美國威斯康星州麥迪遜）設計和制造的一款高速、遠程實驗性原型飛機。開發包括大規模載荷測試活動，以驗證全復合材料機體的結構完整性，以備高速飛行測試。飛行試驗、宣傳計劃和地面測試發現，中翼箱對接接頭和襟翼控制系統的剛性需要在飛行前進行修改。需要一個新的解決方案。
DarkAero1的中翼箱現在依賴π型接頭在壓縮時穩定中翼蒙皮。這次結構改造的挑戰使工程操場充滿了從最初構思到全機翼組件內部靜態載荷測試的嚴格設計限制。
來自金格·加德納說明，CW執行主編：本文由DarkAero首席工程師瑞安·斯圖貝撰寫，主要按其投稿內容發表。不過，我也插入了與他最初討論時的短片段，對我來說，這些片段同樣講述了工程故事中人性化的一面，這讓我覺得非常有趣。另外，看看結尾附近的視頻，里面有斯圖貝，這也是我當初聯系DarkAero的原因。
DarkAero是誰？
DarkAero1原型機，開始全面地面測試前的拍攝。
金格·加德納（GG）：這一切始于能在機庫中打造最快、航程最長的復合材料飛機的想法。創始人三兄弟擁有航空航天、機械和電氣工程學位，他們希望從中西部飛往東西海岸，作為周末旅行。這最終演變成了DarkAero1，一架原型并排雙座飛機，目標巡航速度為275英里每小時，航程達1700英里。
斯圖伯解釋說，其中一兄弟正在用圖紙組裝套件制造一架實驗飛機，這需要大量制造知識和數千小時的從原材料開始的工作。更有吸引力的替代方案是快速組裝套件，制造商直接將子組件從工廠組裝起來。因此，DarkAero最初作為實驗套件飛機公司起步，計劃向各個制造商供應復合材料飛機的零件和子組件。
然而，斯圖伯表示，通過開發DarkAero1，公司的技能、能力和團隊得到了提升?！拔覀儸F在教授航空航天復合材料制造和模具制作課程。這促使他與學生們一起參與了各種項目，包括飛機、船只和汽車。我們還提供設計、制造工具甚至整架機身制造的服務。這些合同工作帶來了持續的增長，公司也一直在尋找有動力的人才加入我們的團隊?！?/p>
機翼設計，對接接頭組件
瑞安·斯圖伯（RS）：雖然實驗類別飛機的管理法規并不要求，但DarkAero的內部標準更符合認證飛機項目的特點。DarkAero1的開發通過廣泛的載荷測試活動推進，以確保全復合材料機體在飛行測試前具備足夠的結構完整性。與此同時，飛行試驗活動及相關飛行包線也在正式化中。
GG：DarkAero1對速度和航程的要求使機翼成為一種較新的設計方式，“因為我們同樣注重制造與設計，目標空重為750磅—大約是同尺寸Lancair重量的一半，”斯圖伯說。飛機的高速巡航也對結構施加了大量空氣動力學載荷。（注：Lancair是一款4座渦槳小飛機）
RS：原型機翼展23英尺5英寸，是一套全粘合的碳纖維增強復合材料組件，重量略超100磅。最初的應力皮設計主要依賴于蒙皮本身，其次是空心網格內部結構以防止皮面屈曲。不過，我們沒有使用大量單獨成型的肋骨—這需要大量人工—而是使用內部由4×8英尺板材內部制作的蜂窩芯面板，這些板材通過CNC銑削成我們需要的機翼和機身二維形狀。然后我們用受控的表面處理、環氧樹脂膠粘劑和專有的組裝工藝將這些接頭粘合在一起，形成一個簡單的對接接頭網格。
DarkAero1中央機翼段展示了機翼剖面與機身主體融合的彎曲區域（紅色線條，左上角）。紅色箭頭顯示了負過載條件下下機翼蒙皮的主要平面內載荷及其相應的平面外次級載荷狀態（左下角）。這種次級載荷狀態源于機翼根部附近下機翼蒙皮的偏心彎曲面板幾何結構，該結構使中心剪切腹板接頭處于拉伸狀態。有限元分析（FEA）僅為示意圖，展示了相同載荷下飛行員側機翼根部的后視圖（右圖）。紅色箭頭指示下機翼蒙皮變形遠離其余結構的位置。
中翼箱對接接頭重新設計
RS：然而，如上所述，在正式確定飛行試驗包絡時，我們發現需要增加機翼的極限升力載荷，以抵抗垂直陣風，這導致正負方向升力突然增加的可能性相等。提高證明載荷值意味著機翼中心區域由于下翼表面固有曲率，承受更高的次級彎曲應力。這些應力在負重力升力條件下，下翼層壓時會引發翼外載荷。機翼與機身之間保持空氣動力學上干凈的過渡有助于減少阻力，但在使用全粘結、受力的蒙皮設計并采用局部彎曲載荷路徑時，這會帶來復雜的結構問題。
GG：該下翼蒙皮面板存在曲率且本身不具備穩定性。斯圖伯指出：“這基本上是一個無支撐面板。因此，我們的問題變成了需要為這個承受偏心載荷的面板提供多少支撐？它呈彎曲狀，這一問題始終難以分析和界定，因為盡管材料本身能夠承受飛行中將遇到的拉伸和壓縮載荷，但它承受的是偏心載荷，存在屈曲傾向。”因此，仍需內部結構抵抗平面外載荷，以防止屈曲發生。
RS：通過之前靜態翼載測試中觀察到的結構變形模式，我們認識到機翼在高載荷下的第一個失效機制是中心剪切網與機身曲率與翼型融合處的對接接頭的外面拉伸強度。在該中心區域外側，上下翼蒙皮幾乎平行，且不存在固有的屈曲傾向或不穩定性。因此，為了通過額外的證明載荷測試，改進重點放在機翼中心區域以及下翼蒙皮與中心剪力網之間的新型接合方法。
π型接頭作為解決方案
GG：斯圖伯表示，最初選擇對接接頭是因為在已知具有適當安全余量的情況下，這是一種更簡便的制造技術。但他們也深知存在比簡單對接接頭更強的接頭形式。
在通用測試機拉動測試前，對接接頭（頂部）和π接頭（底部）元件的截面進行測試。蜂窩面板和基底層壓板復制了原DarkAero1原型機翼結構中現有的材料。
RS：π接頭能更均勻地將平面外載荷傳遞至雙搭接剪切接頭。這一特性具有理想意義，因為裝配用糊狀膠粘劑在剪切載荷下的強度遠高于剝離或拉伸載荷。為維持蜂窩結構的剪切腹板架構以保留現有結構分析成果，在針對蜂窩面板尺寸定制的Pi接頭中展現出解決該問題的潛在可行方案。
由于制造接頭幾何結構所需的工序更為繁重，DarkAero1此前并未在機體中任何地方使用π型接頭。該飛機主要依賴真空輔助樹脂傳遞成型和完整復合材料組件的無支撐后固化。由于原始原型機制造時資源有限，復雜的復合材料零件被大幅減少，飛機設計時注重低成本、高質量的制造。室溫儲存、非熱壓罐（OOA-out-of-autoclave）環氧預預預處理劑的發展，使得在保持相對較低成本的同時，能夠實現更復雜的復合材料原型制造。
在DarkAero1機翼中實施π型接頭的第一步之一，就是進行簡短的可行性研究，為整個結構改造奠定基礎。在認真推進π接頭結構加固前，均進行了π接頭制造技術、接頭強度表征、細致試樣層壓變更、現有機翼結構拆解、新結構安裝及固化后組裝等工作。在規劃一個大致但可行的路徑后，初步結構表征測試從通用測試機中的元件級接頭拉動測試開始。
制造狀態下元件層壓件用于負載測試
GG：雖然DarkAero沒有專門為這一用途制造π接頭，但他們將預期材料和制造工藝用于其他應用。“歸根結底，我們不僅要確保能制造出適合這次重新設計的組件，然后還要測試這個組件，”斯圖伯說?！斑@就是為什么我們采取了'建造然后破壞'的機體方法。然后，我們就按照基本的構建模塊金字塔，在標本檢測中逐步提升?！?/p>
RS：盡管DarkAero具備有限元分析（FEA）和計算機仿真能力，但由于機翼重新設計仍需制造和測試物理試樣，更高效地依賴有限物理測試程序中的真實數據。初步測試樣品采用了針對DarkAero1機翼的特定變量制造。π接頭基層板將通過裝配膠粘劑二次粘結在現有的原型下翼板上—一種樹脂注入、后固化的平織展開牽引層壓板。為了準確模擬基底未來在最終安裝π接頭時的表面能特性，復合材料層壓板用于元素級測試，使用與實際下翼蒙皮相同的織物、注入環氧樹脂和固化后處理。
對于復合材料來說，最終裝配強度不僅取決于所用材料，還取決于具體的制造和接合工藝。初步計劃依賴真空袋施加夾緊壓力，同時在圓周線接頭安裝過程中將組裝膠固化到現有的中翼截面幾何結構中。拆除原有的中翼箱結構后，下翼蒙皮模具被用作支撐夾具，以維持左右翼的二面角和迎角。
雖然可以制造復雜的夾緊夾具與模具結構接口，但利用真空袋的壓差在組裝過程中施加均勻夾緊壓力更高效且可靠。盡管元素級測試樣品通常體積較小，且本可通過簡單的手夾結合，但仍采用了預期的真空袋法來制備樣品。這意味著初步數據庫測試將更準確地模擬機翼結構因真空固化而可能產生的均勻鍵合線厚度和環境相關強度特性。初步元件級測試顯示，面外強度相較于預估的新接頭強度需求有所提升，這為進一步推進π型接頭提供了充分信心。
推進π接頭設計，多項性能提升
RS：為避免過度依賴新計算機模擬來指導關節構建參數，原機翼設計模型與新的近似計算被用于大致引導關節設計以滿足新的強度要求。額外的元件測試包括表征π型關節構型對可預見潛在制造缺陷的敏感性以及層壓板設計優化。蜂窩面板剪切腹板粘合線厚度、夾持壓力或關節尺寸公差與配合等變量得到快速測試，以制定原型機翼組件的近似驗收標準。層壓板設計參數（包括單向（UD）纖維橫截面積和鋪層取向序列）被調整，以簡要優化關節性能。
在元件級測試結束時，蜂窩面板與機翼蒙皮之間π接頭的翼外首次失效強度相比原對接接頭的極限強度提高了300%以上。不過，這并不是唯一的性能提升。
對接接頭試件的失效模式是失效的微妙初始跡象，其強度和剛度下降極為有限，在約85%的極限失效前發生，失效方式為下基體的內聚失效或下層壓板的失效。相比之下，π接頭試件的首次失效通過單向纖維束附近或貫穿單向纖維束的分層實現。這種首次失效由于由此產生的彈性增加而表現出反應載荷的短暫下降，隨后在額外失效發生的同時繼續承受較低水平的面外載荷。π接頭的極限失效比其首次失效具有更高的變異系數，但仍比對接接頭的極限強度高出250%以上。幾乎所有pi接頭的極限失效均發生在立柱與π接頭基板層壓板之間的分層，而非模擬下機翼蒙皮的粘結線或表面的脫粘失效。
安裝在中央機翼的多π接頭結構。這些主要結構元件采用非熱壓罐的室溫儲存預浸料制造。由于中央機翼區域存在物理空間限制，必須將其制成三個獨立部分以便正確安裝。
隨著接頭強度、材料和組裝方法的特性確定，開發工作轉向多π接頭的簡短細節級測試。這些是一系列間距很近(中心間距2英寸)的平行π接頭，組成DarkAero1機翼的五個中心剪切網。在進一步了解了更為深入的中央翼箱組件特定載荷特性后，團隊在中翼制造、檢查并安裝了更大段的多π接頭。
維度和制造工藝的限制最初似乎降低了將現有機翼強度提升至接近零的概率，但經過計算的開發工作和構建模塊方法使得設計更新得以在新設計過程中獲得足夠的信心。重建后的DarkAero1機翼的全組件靜態防護載荷測試最終驗證了重新設計的結構，能夠在正負升力條件下實現更大的高速陣風遭遇工作包線。整個機翼組件剛度的增加—即翼尖在施加載荷下的偏轉程度—實時記錄非常令人興奮。雖然此前沒有這個問題，每g的翼尖偏轉量減少了超過25%。
GG：據斯圖伯介紹，最終確定的π形接頭組件確實為機翼結構增加了一些重量，但其在陣風載荷結構余量方面取得的提升是完全值得的。整個團隊對π形接頭的重新設計取得成功感到非常興奮?！斑@似乎是一個可能沒有明確答案的工程問題；存在眾多相互沖突的要求和嚴格的約束條件。我們從對接接頭轉變為π型接頭組件，并在此過程中驗證了制造工藝，包括膠粘劑涂覆、粘結線厚度與孔隙率、固化過程以及安裝可及性。我們解決了所有這些問題，并且第一次嘗試就成功了。”然而，該團隊已經開始為DarkAero1實際投入生產時開發下一代迭代版本。
修改后的DarkAero1中央翼盒結構干裝配可在機翼結構外部進行。下翼蒙皮的曲率在下翼π接頭末端處可見。
RS：原型機翼所采用的多π接頭設計并不直接反映未來生產配置，因為改裝導致了為高效制造做出不理想的設計權衡。在生產過程中，結構可以從一開始就考慮所有組裝步驟，精確的制造工藝和接頭幾何形狀可以更好地優化，以保證高產量的可靠性。例如，π接頭幾何形狀可以直接與下翼層壓板一起成型并共固化?；旌夕薪宇^和剪切網狀結構也可以結合，以消除次級鍵合步驟，中心機翼箱結構可以進一步融入鄰近的幾何結構中。盡管初始損傷發生后，π型接頭確實表現出更高的殘余強度，但通過層壓縫合或簇織、Z軸釘扎甚至π型接頭形狀的三維編織結構，可進一步提高接頭的損傷容限。
無論工程或制造應用如何，DarkAero團隊都盡量避免過度依賴任何特定工藝或材料，持續參考項目需求以推動設計和制造解決方案。有時，制造實體硬件以獲取實際測試數據比計算分析更快更準確，這種中心梁改造是一個有趣的工程難題。
GG：DarkAero正試圖以更實惠的方式提供創新的復合材料解決方案?！按蠖鄶倒静捎昧烁嘿F的方法制造π接頭，且需要漫長的內部審批程，”斯圖伯說。“我們只需加快進度，預算更緊迫。”
原文《Usingpijointstoexpandacompositewing’sflightenvelope》
楊超凡