CN104057648A - 混合夹层结构、加强件及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合夹层结构。所述混合夹层结构包括至少两层蒙皮和位于所述蒙皮之间的芯部，在所述芯部中设置有加强件。所述加强件设置有上部和下部以及延伸通过所述芯部并与所述芯部结合的中间部分，所述上部大体上平行于所述至少两个蒙皮中的上蒙皮并与所述上蒙皮以及芯部结合，所述下部大体上平行于所述至少两个蒙皮中的下蒙皮并与所述下蒙皮以及芯部结合，所述上部、所述下部和所述中间部分形成为单体件。

Description

混合夹层结构、加强件及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种混合夹层机构，更具体地，涉及一种具有加强件的混合夹层机构及其加工方法，本发明还涉及用于该混合夹层结构的加强件，采用该混合夹层结构的板式构件，例如飞行控制部件等。

背景技术

目前，夹层结构不仅广泛应用于航空航天领域，例如飞机的扰流板、减速板、方向舵、升降舵等中，而且越来越多地用于其他工业领域如汽车、船舶、机械平台等行业。夹层结构是由芯部分离的至少两个蒙皮构成的组件。芯部用作在蒙皮之间的间隔件，以提高板厚度和相关的弯曲刚性。在夹层结构中，硬的蒙皮承载平面内载荷，而芯部承载横向剪切载荷。芯部横向剪切强度标准对于夹层的尺寸设计是关键的。在现有技术方案中，狭长的夹层结构的横向剪切强度通常较差。

由于主要由芯部承受外部施加的平面外载荷，因此两个尺寸设计标准构成判断夹层芯部强度的标准。一般来讲，夹层芯部剪切应力由两个分量构成：在经向方向（L或x）上的一个分量τ_xz和在横向方向（W或y）上的另一个分量τ_yz。采用正交相互作用标准，则得到以下RF方程：

${\mathrm{RF}}_{\mathrm{CS}}=\frac{1}{\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_L^{\mathrm{applied}}}{{\mathrm{\τ}}_L^{\mathrm{allowable}}}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_W^{\mathrm{applied}}}{{\mathrm{\τ}}_W^{\mathrm{allowable}}}\right)}^2}}$

在现有技术中，为了改进夹层结构的剪切强度，本领域技术人员曾经尝试对蒙皮和蜂巢的结构进行改进。申请人尝试增大蒙皮的厚度 和芯部的密度，并且对支架装配进行改进，采用蜂巢密度为150kg/m3,上蒙皮厚度从大约2mm增大到大约8mm,下蒙皮厚度从大约2mm增大到大约6mm，在70.9°C下初始设计值具有20％裕度的情况下，芯部剪切安全系数RFcs最大能达到0.94,在根据芯部高度而采用折剪系数KDF=0.65的情况下，RFcs＝0.61。试验结果表明，无论蒙皮的厚度和蜂巢的密度如何增大，均不能使芯部的剪切强度达到安全标准，并且会使夹层结构的重量增加比较多。

发明内容

本发明采用一种混合夹层结构，在夹层结构的芯部中添加加强件，例如Z形构造（Z形梁）的加强件，从而在重量仅有少量增加的情况下用于改进横向强度。通过在芯部中设置加强件，能够改进夹层结构的径向方向的刚性，改进芯部剪切强度，并且夹层结构的重量增加很小。

根据本发明的一个方面，提供一种混合夹层结构，所述混合夹层结构包括至少两层蒙皮和位于所述蒙皮之间的芯部。在所述芯部中设置有加强件。所述加强件设置有上部和下部以及延伸通过所述芯部并与所述芯部结合的中间部分。所述上部大体上平行于所述至少两个蒙皮中的上蒙皮并与所述上蒙皮以及芯部结合。所述下部大体上平行于所述至少两个蒙皮中的下蒙皮并与所述下蒙皮以及芯部结合。所述上部、所述下部和所述中间部分可以形成为单体件。

所述加强件可以是呈Z形的梁或者呈与Z形扭向相反的形状的梁。所述上部和所述下部相对于所述中间部分可以沿相反方向延伸，所述中间部分与所述上部和下部可以成角度设置。

所述中间部分与所述上部和下部可以设置成大体上相垂直。

所述加强件可以是一种聚合物基复合材料制件。所述加强件可以由碳纤维编织布、玻璃纤维编织布或者混杂纤维编织布制成。

所述混杂纤维编织布可以由碳纤维和玻璃纤维共同编制而成。

根据本发明的另一方面，提供一种用于上述混合夹层结构的加强 件。

根据本发明的另一方面，提供一种板式构件，该板式构件可以包括以上所述的混合夹层结构。

根据本发明的另一方面，提供一种飞机飞行控制部件，该飞机飞行控制部件可以包括以上所述的混合夹层结构。

所述飞行控制部件可以为扰流板、减速板、方向舵以及升降舵。

根据本发明的又一方面，提供一种制造上述混合夹层结构的方法，其中，所述方法包括以下步骤：通过真空袋成型工艺或者树脂传递模塑工艺使所述加强件单独固化成型，铺设构成混合夹层结构中的上蒙皮的碳纤维预浸料，将构成芯部的芯材以及所述加强件结合在铺好的上蒙皮上，在所述芯材和所述加强件上继续铺设构成所述下蒙皮的碳纤维预浸料，把铺设好的构成上蒙皮的碳纤维预浸料、所述芯材、所述加强件和构成所述下蒙皮的碳纤维预浸料放入热压罐中，通过真空袋固化成型。

可以理解，关于本发明的一个方面描述的特征可以并入到本发明的其它方面。例如，本发明的方法可以并入关于本发明的装置描述的特征中的任何一个特征。

附图说明

以下通过附图所示的实施方式更详细地说明本发明的实施例。

图1示出了采用根据本发明的混合夹层结构的板式构件的示意透视图；

图2示出了沿图1中的线A-A截取的根据本发明的一个实施例的混合夹层结构的剖视图；

图3示出了沿图1中的线A-A截取的根据本发明的另一实施例的混合夹层结构的剖视图。

具体实施方式

图1示出了采用根据本发明的混合夹层结构1的板式构件的示意 透视图。图2示出了沿图1中的线A-A截取的根据本发明的一个实施例的混合夹层结构的剖视图。参考图1和图2，本发明的混合夹层结构1是由芯部4分离的至少两个蒙皮2、3构成的组件，芯部4用作在蒙皮2、3之间的间隔件，以提高板厚度和相关的弯曲刚性。该混合夹层结构1还包括设置在混合夹层结构1的芯部4中的加强件5，例如Z形梁（参见图2和3）、I形梁或X形梁。所述Z形梁也可以呈与Z形梁扭向相反的形状（参见图3）。该加强件可以设置在需要与其它部件存在连接关系的芯部处。可以利用例如粘合或者压制成型等其他方法使该加强件5与芯部4以及所述至少两个蒙皮中的上蒙皮2和下蒙皮3结合。

所述加强件5设置有上部6和下部7以及延伸通过所述芯部4并与所述芯部4结合的中间部分8。所述上部6大体上平行于所述至少两个蒙皮中的上蒙皮2并与所述上蒙皮2以及芯部4结合，所述下部7大体上平行于所述至少两个蒙皮中的下蒙皮3并与所述下蒙皮3以及芯部4结合。所述上部6、所述下部7和所述中间部分8可以形成为单体件。所述加强件例如采用真空袋成型工艺或者树脂传递模塑工艺单独固化成型，这些制造工艺均为本领域技术人员熟知的现有技术，在本文中不再进行阐述。所述加强件是一种聚合物基复合材料制件。所述加强件优选由碳纤维编织布、玻璃纤维编织布或者混杂纤维编织布（由碳纤维和玻璃纤维共同编制而成）制成。

在本发明的第一实施例和第二实施例中，参考图2和3，所述上部6和下部7优选设置为相对于所述中间部分8沿相反方向延伸，所述中间部分8与所述上部6和下部7可以成角度（例如大体上为直角）设置。

本发明的混合夹层结构可以采用真空袋共同固化成型，该方法包括以下步骤：通过真空袋成型工艺或者树脂传递模塑工艺使所述加强件单独固化成型，铺设混合夹层结构中的上蒙皮的碳纤维预浸料，将构成芯部的芯材和所述加强件结合在铺好的上蒙皮上，在所述芯材和所述加强件上继续铺设所述下蒙皮的碳纤维预浸料，把铺设好的上蒙 皮的碳纤维预浸料、所述芯材、所述加强件和所述下蒙皮的碳纤维预浸料放入热压罐中，通过真空袋固化成型。

发明人对采用现有技术方案的板式构件和采用Z形梁加强件的板式构件分别进行了仿真实验。采用现有技术方案的板式构件的安全系数RFmin大约为0.61，而采用本发明的Z形梁的板式构件的安全系数RFmin大约为1.01。

下表是采用普通夹层结构的板式构件和采用本发明的混合夹层结构的板式构件的重量对比分析。

型号ID 总重量（kg） 差（kg） 重量损失

采用普通夹层结构的板式构件 26.2485 0 0

采用混合夹层结构的板式构件 26.6229 0.3744 1.42%

与采用普通夹层结构的板式构件相比，采用本发明的混合夹层结构，板式构件的总重量增加大约0.3744kg，重量损失为大约1.42%。从以上实验结果可以看出，本发明的混合夹层结构满足板式构件的横向剪切强度要求并且重量损失很小。

本发明的加强件除了可以为Z形外，还可以呈I形或X形，只要加强件的形状能满足夹层构件的横向剪切强度要求，均包含在本发明的范围内。

本发明的混合夹层结构不仅可应用于飞机飞行控制部件，例如飞机的扰流板、减速板、方向舵、升降舵等，而且也可应用在例如飞机、汽车、船舶、机械平台、家俱内饰、展示展览等行业中的受力较大需要局部加强的构件中。

总体来讲，这种混合夹层结构是新颖的并且通过与现有技术相比具有多个优点。采用本发明的混合夹层结构，改进了芯部的横向剪切强度，与现有技术相比，板式构件的同一部位的芯部剪切强度的安全系数RFcs从大约0.61增大到大约1.01，满足了芯部剪切强度要求，并且增加该加强件对混合夹层结构的重量影响较小。另外，该混合夹 层结构可以采用现有的制造设备和工艺制造，成本较低且容易实现。

尽管通过示例并参照特定实施例对本发明进行了描述，但可以理解，本发明不限于说明书中所列举的实施方式，在不背离所附权利要求的范围的情况下可对上述实施方式进行修改和/或改进。

如果在以上描述中引用的整体或元件具有已知等价物，则这种等价物在此也并入本文。

附图标记列表

1 混合夹层结构

2 上蒙皮

3 下蒙皮

4 芯部

5 加强件

6 上部

7 下部

8 中间部分。

Claims (11)

1.一种混合夹层结构，所述混合夹层结构包括至少两层蒙皮和位于所述蒙皮之间的芯部，在所述芯部中设置有加强件，其特征在于，所述加强件设置有上部和下部以及延伸通过所述芯部并与所述芯部结合的中间部分，所述上部大体上平行于所述至少两个蒙皮中的上蒙皮并与所述上蒙皮以及芯部结合，所述下部大体上平行于所述至少两个蒙皮中的下蒙皮并与所述下蒙皮以及芯部结合，所述上部、所述下部和所述中间部分形成为单体件。

2.根据权利要求1所述的混合夹层结构，其中，所述加强件为Z形梁或者呈与Z形梁扭向相反的形状，所述上部和所述下部相对于所述中间部分沿相反方向延伸，所述中间部分与所述上部和下部成角度设置。

3.根据权利要求2所述的混合夹层结构，其中，所述中间部分与所述上部和下部大体上相垂直。

4.根据权利要求1－3中任一项所述的混合夹层结构，其中，所述加强件是一种聚合物基复合材料制件。

5.根据权利要求4所述的混合夹层结构，其中，所述加强件由碳纤维编织布、玻璃纤维编织布或者混杂纤维编织布制成。

6.根据权利要求5所述的混合夹层结构，其中，所述混杂纤维编织布由碳纤维和玻璃纤维共同编制而成。

7.一种用于权利要求1-6中任一项所述的混合夹层结构的加强件。

8.一种板式构件，该板式构件包括如权利要求1－6中任一项所述的混合夹层结构。

9.一种飞机飞行控制部件，该飞机飞行控制部件包括如权利要求1-6中任一项所述的混合夹层结构。

10.根据权利要求9所述的飞行控制部件，所述飞行控制部件为扰流板、减速板、方向舵以及升降舵。

11.一种制造如权利要求1-6中任一项所述的混合夹层结构的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

通过真空袋成型工艺或者树脂传递模塑工艺使所述加强件单独固化成型，

铺设构成混合夹层结构中的上蒙皮的碳纤维预浸料，

将构成芯部的芯材以及所述加强件结合在铺好的上蒙皮上，

在所述芯材和所述加强件上继续铺设构成所述下蒙皮的碳纤维预浸料，

把铺设好的构成上蒙皮的碳纤维预浸料、所述芯材、所述加强件和构成所述下蒙皮的碳纤维预浸料放入热压罐中，通过真空袋固化成型。