CN105035359B - 一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构及加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构及加工方法,本发明采用了碳纤维复合材料一体化成型舵面结构设计方案,除了舵轴及其附属件,其余结构均为碳纤维增强复合材料,并采用先进的优化设计技术,经过多次迭代计算,使结构尺寸设计最优,舵面结构重量达到最轻,优化后的舵面结构刚度沿轴向递减,即内部骨架腹板厚度尺寸向翼尖及两侧递减,同时蒙皮厚度也非等厚度,而是向翼尖递减,这样能够进一步减轻结构重量,提高舵面模态频率,改善了舵面颤振特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料一体成型舵面结构及加工方法,特别是一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构及加工方法,适用于飞行器复合材料结构设计及成型技术领域,尤其适用于小型舵面、翼面的一体成型设计技术。
背景技术
传统的航天飞行器舵面结构一般采用密度较高的耐高温金属材料,结构质量过大;传统的航天飞行器舵面结构一般采用全金属材料机加成型,受机加工艺影响,结构壁厚尺寸较大,结构强度和刚度裕度过大,结构具有较大的减重优化空间。
新型跨大气飞行航天器对结构轻量化及强度、刚度提出了更高的要求。先进碳纤维增强树脂基复合材料具有高强度、高刚度、密度小、可设计等优点,其密度仅为铝合金的60%。若采用碳纤维复合材料作为主要结构材料,采用一体成型的复合材料铺层设计方法,能够减少甚至不用紧固件,比采用机械连接的铝合金结构减重40-50%。
对于现有的复合材料舵面,传统结构设计方法采用等刚度设计方法,即舵面内部骨架结构厚度尺寸和蒙皮厚度尺寸连续一致,结构设计优化程度不够高。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供了一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构及加工方法,本发明创新性地采用了碳纤维复合材料一体化成型舵面结构设计方案,除了舵轴及其附属件,其余结构均为碳纤维增强复合材料。并采用先进的优化设计技术,经过多次迭代计算,使结构尺寸设计最优,舵面结构重量达到最轻。优化后的舵面结构刚度沿轴向递减,即内部骨架腹板厚度尺寸向翼尖及两侧递减,同时蒙皮厚度也非等厚度,而是向翼尖递减,这样能够进一步减轻结构重量,提高舵面模态频率,改善了舵面颤振特性。
本发明的技术解决方案是:一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构,包括:内部骨架、上蒙皮、下蒙皮、前缘、舵轴和法兰;
所述前缘固定安装在内部骨架的前端面上,所述内部骨架包括五条纵向梁和五条横向肋结构,由内部骨架的前端面由前向后依次为第一纵向梁、第二纵向梁、第三纵向梁、第四纵向梁和第五纵向梁,两条横向肋结构分别形成内部骨架的两个侧端面,剩余的三条横向肋结构将每条纵向梁肋分为四个部分;所述舵轴通过法兰固定安装在内部骨架的一个侧端面上;
所述上蒙皮和下蒙皮覆盖在内部骨架与前缘组成的结构体的上表面和下表面上。
所述内部骨架的五条纵向梁中每条梁的梁腹板厚度沿安装有舵轴的侧端面向另一个侧端面的方向递减,五条横向肋结构的肋腹板厚度保持一致。
所述内部骨架第一纵向梁的腹板厚度由安装有舵轴的侧端面向另一个侧端面依次为2.0mm、1.8mm、1.8mm和1.8mm;第二纵向梁腹板厚度由安装有舵轴的侧端面向另一个侧端面依次为3.0mm、2.6mm、2.0mm和1.8mm;第三纵向梁腹板厚度安装有舵轴的侧端面向另一个侧端面依次为3.2mm、2.6mm、2.0mm和1.8mm;第四纵向梁腹板厚度安装有舵轴的侧端面向另一个侧端面依次为2.4mm、2.2mm、2.0mm和1.8mm;第五纵向梁腹板厚度由安装有舵轴的侧端面向另一个侧端面依次为2.0mm、1.8mm、1.8mm和1.8mm。
所述上蒙皮和下蒙皮为非等厚度设计,上蒙皮和下蒙皮沿舵面结构的纵向分为四个区域,且厚度沿安装有舵轴的侧端面向另一个侧端面的方向递减。
所述上蒙皮和下蒙皮四个区域的三条分割线与将每条纵向梁肋分为四个部分的三条横向肋结构的中心线对应。
所述上蒙皮和下蒙皮沿安装有舵轴的侧端面向另一个侧端面的方向四个区域的厚度依次为:3.2mm、2.6mm、1.8mm和1.2mm。
所述内部骨架、上蒙皮和下蒙皮材料均为T800碳纤维增强环氧基复合材料。
所述前缘包括外面板、内面板和内夹芯;
所述外面板为横截面为抛物线的板状结构,前缘通过外面板的边缘与内部骨架固定连接,所述内面板与外面板固定连接,且与内部骨架的前端面接触,内夹芯位于内面板与外面板形成的密闭空间内。
所述舵轴和法兰的材料均为钛合金材料。
一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构加工方法,工艺步骤如下:
(1)根据预先给定的尺寸,分别加工上蒙皮成型模具、下蒙皮成型模具、内部骨架成型模具、前缘成型模具和舵面装配工装;
(2)利用步骤(1)中的上蒙皮成型模具和下蒙皮成型模具分别进行上蒙皮和下蒙皮的固化成型;
(3)进行外面板的固化成型,同时将泡沫材料机械加工成预定的形状,在外面板与内夹芯之间铺胶层,将加工好的内夹芯放入外面板中,铺设内面板后进行二次固化成型;
(4)依据上蒙皮和下蒙皮内型面制作内部骨架的外形模具;依据纵向梁和横向肋结构围成的每个格的空腔形状制作骨架结构的内型模具;在内型模具上铺设复合材料预浸料,铺设时保证纤维的连续性,每一层只允许有一个接缝,每一层的接缝位置均匀错开,铺好后对每个内部模具分别进行预压实,将预压实后的内部模具按顺序排列于外型模具中,排列时,每四个内型模具之间的缝隙用短碳纤维复合材料填充,排列完成后,在上层表面铺设加强缘条预浸料,最后进热压罐固化;
(5)内部骨架结构出罐后,在内部骨架的侧端面上安装舵轴,采用螺栓紧固件连接;
(6)安装完舵轴后,将上蒙皮和下蒙皮胶接在内部骨架的缘条上,进罐进行二次固化;
(7)将前缘机械连接于内部骨架上,完成一体成型舵面结构的加工。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
(1)本发明提供了一种除舵轴和法兰以外均为碳纤维复合材料制造的舵面结构设计方案及工艺方法,显著减轻了结构重量,提高了舵面模态频率,改善了舵面颤振特性;
(2)本发明提供了一种经过迭代优化的,沿轴向向外及向两侧刚度递减的舵面骨架结构设计方案,优化过程以结构重量为目标函数,以结构强度、刚度及稳定性要求为约束条件,经过迭代计算使结构质量最轻,改善了舵面结构的质量特性;
(3)本发明提供了一种针对舵面内部骨架结构的复合材料铺层及工艺方法,能够实现内部骨架共固化一体成型,无需连接件;
(4)本发明涉及的舵面蒙皮厚度尺寸沿轴向向外递减,为了兼顾工艺可实现性,分为四个不同厚度区域,厚度依次为3.2mm、2.6mm、2.0mm、1.2mm,进一步减轻了舵面结构重量。
附图说明
图1航天器舵面结构外形及剖视图示意图,其中(a)为航天器舵面结构外形示意图,(b)为航天器舵面结构剖视图;
图2舵面结构组成示意图;
图3前缘结构横截面示意图;
图4舵面内部骨架结构外形尺寸示意图及轴测图,其中(a)为舵面内部骨架结构外形尺寸示意图,(b)为舵面内部骨架结构轴测图;
图5舵面内部骨架和蒙皮结构尺寸设计示意图,其中(a)为舵面内部骨架尺寸设计示意图;(b)为蒙皮结构尺寸设计示意图;
图6内部骨架腹板结构复合材料铺层方法示意图;
图7内部骨架横截面复合材料铺层方法示意图;
图8复合材料舵面一体成型工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示为航天器舵面结构外形及剖视图示意图,其中(a)为航天器舵面结构外形示意图,(b)为航天器舵面结构剖视图;图2为舵面结构组成示意图;图4舵面内部骨架结构外形尺寸示意图及轴测图,其中(a)为舵面内部骨架结构外形尺寸示意图,(b)为舵面内部骨架结构轴测图;从图1、图2和图4可知,本发明提出的一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构,包括:内部骨架1、上蒙皮2、下蒙皮3、前缘4、舵轴5和法兰6;
前缘4固定安装在内部骨架1的前端面上,内部骨架1包括五条纵向梁和五条横向肋结构,该部件将采用巧妙的铺层方法,不采用任何连接件,一次固化成型,由内部骨架1的前端面由前向后依次为第一纵向梁、第二纵向梁、第三纵向梁、第四纵向梁和第五纵向梁,两条横向肋结构分别形成内部骨架1的两个侧端面,剩余的三条横向肋结构将每条纵向梁肋分为四个部分;舵轴5通过法兰6固定安装在内部骨架1的一个侧端面上;舵轴5和法兰6的材料均为钛合金材料;
内部骨架1的五条纵向梁中每条梁的梁腹板厚度沿安装有舵轴5的侧端面向另一个侧端面的方向递减,五条横向肋结构的肋腹板厚度保持一致。内部骨架1第一纵向梁的腹板厚度由安装有舵轴5的侧端面向另一个侧端面依次为2.0mm、1.8mm、1.8mm和1.8mm;第二纵向梁腹板厚度由安装有舵轴5的侧端面向另一个侧端面依次为3.0mm、2.6mm、2.0mm和1.8mm;第三纵向梁腹板厚度安装有舵轴5的侧端面向另一个侧端面依次为3.2mm、2.6mm、2.0mm和1.8mm;第四纵向梁腹板厚度安装有舵轴5的侧端面向另一个侧端面依次为2.4mm、2.2mm、2.0mm和1.8mm;第五纵向梁腹板厚度由安装有舵轴5的侧端面向另一个侧端面依次为2.0mm、1.8mm、1.8mm和1.8mm。
上蒙皮2和下蒙皮3覆盖在内部骨架1与前缘4组成的结构体的上表面和下表面上。上蒙皮2和下蒙皮3为非等厚度设计,上蒙皮2和下蒙皮3沿舵面结构的纵向分为四个区域,且厚度沿安装有舵轴5的侧端面向另一个侧端面的方向递减,上蒙皮2和下蒙皮3沿安装有舵轴5的侧端面向另一个侧端面的方向四个区域的厚度依次为:3.2mm、2.6mm、1.8mm和1.2mm。上蒙皮2和下蒙皮3四个区域的三条分割线与将每条纵向梁肋分为四个部分的三条横向肋结构的中心线对应,即上蒙皮2和下蒙皮3四个区域的三条分割线垂直于内部骨架表面在内部骨架表面的投影分别与将每条纵向梁肋分为四个部分的三条横向肋结构的中心线重合。
内部骨架1、上蒙皮2和下蒙皮3材料均为T800碳纤维增强环氧基复合材料。
前缘4的结构如图3所示,从图3可知,前缘4包括外面板7、内面板8和内夹芯9;
所述外面板7为横截面为抛物线的板状结构,前缘4通过外面板7的边缘与内部骨架1固定连接,所述内面板8与外面板7固定连接,且与内部骨架1的前端面接触,内夹芯9位于内面板8与外面板7形成的密闭空间内。结构的外面板7和内面板8的材料为T800碳纤维增强环氧基复合材料,前缘4结构内夹芯9的材料为PMI泡沫材料。
内部骨架结构1优化过程以结构重量为目标函数,以结构强度、刚度及稳定性要求为约束条件,经过迭代计算使结构质量最轻,经过反复迭代优化后的舵面结构尺寸设计方案如图5所示,其中(a)为舵面内部骨架尺寸设计示意图;(b)为蒙皮结构尺寸设计示意图。
舵面制造工艺步骤如图8所示,具体步骤为:
(1)根据预先给定的尺寸,分别加工上蒙皮成型模具、下蒙皮成型模具、内部骨架成型模具、前缘成型模具和舵面装配工装;
(2)利用步骤(1)中的上蒙皮成型模具和下蒙皮成型模具分别进行上蒙皮和下蒙皮的固化成型;蒙皮为非等厚度设计,沿纵向分为四个区域,厚度递减。需严格控制蒙皮内外型面成型精度;
(3)进行外面板7的固化成型,同时将泡沫材料机加成预定的形状,在外面板7与内夹芯9之间铺胶层,将加工好的内夹芯9放入外面板7中,铺设内面板8后进行二次固化成型;
(4)依据上蒙皮2和下蒙皮3内型面制作内部骨架1的外形模具;依据纵向梁和横向肋结构围成的每个格的空腔形状制作骨架结构的内型模具(第一纵向梁、第五纵向梁、最外侧两个横向肋结构需要严格控制位置,相关模具采用硬模,其余采用软模);如图6和图7所示,在内型模具10上铺设复合材料预浸料11,沿模具周向为0°方向,铺设尽量保证纤维的连续性,每一层只允许有一个接缝,每一层的接缝位置要均匀错开。铺好后对每个模具分别进行预压实,将预压实后的模具按顺序排列于外型模具中。排列前在外形模具里铺设加强缘条预浸料13。排列时,每四个内型模具10之间的缝隙用短碳纤维复合材料13填充。排列完成后,在上层表面铺设加强缘条预浸料13。最后进热压罐固化;
(5)内部骨架1结构出罐后,在内部骨架1的侧端面上安装舵轴5,采用螺栓紧固件连接;
(6)安装完舵轴5后,将上蒙皮2和下蒙皮3胶接在内部骨架1的缘条上,进罐进行二次固化;
(7)将前缘4机械连接于内部骨架1上,完成一体成型舵面结构的加工。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构,其特征在于包括:内部骨架(1)、上蒙皮(2)、下蒙皮(3)、前缘(4)、舵轴(5)和法兰(6);
所述前缘(4)固定安装在内部骨架(1)的前端面上,所述内部骨架(1)包括五条纵向梁和五条横向肋结构,由内部骨架(1)的前端面由前向后依次为第一纵向梁、第二纵向梁、第三纵向梁、第四纵向梁和第五纵向梁,两条横向肋结构分别形成内部骨架(1)的两个侧端面,剩余的三条横向肋结构将每条纵向梁肋分为四个部分;所述舵轴(5)通过法兰(6)固定安装在内部骨架(1)的一个侧端面上;
所述上蒙皮(2)和下蒙皮(3)覆盖在内部骨架(1)与前缘(4)组成的结构体的上表面和下表面上。
2.根据权利要求1所述的一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构,其特征在于:所述内部骨架(1)的五条纵向梁中每条梁的梁腹板厚度沿安装有舵轴(5)的侧端面向另一个侧端面的方向递减,五条横向肋结构的肋腹板厚度保持一致。
3.根据权利要求2所述的一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构,其特征在于:所述内部骨架(1)第一纵向梁的腹板厚度由安装有舵轴(5)的侧端面向另一个侧端面依次为2.0mm、1.8mm、1.8mm和1.8mm;第二纵向梁腹板厚度由安装有舵轴(5)的侧端面向另一个侧端面依次为3.0mm、2.6mm、2.0mm和1.8mm;第三纵向梁腹板厚度安装有舵轴(5)的侧端面向另一个侧端面依次为3.2mm、2.6mm、2.0mm和1.8mm;第四纵向梁腹板厚度安装有舵轴(5)的侧端面向另一个侧端面依次为2.4mm、2.2mm、2.0mm和1.8mm;第五纵向梁腹板厚度由安装有舵轴(5)的侧端面向另一个侧端面依次为2.0mm、1.8mm、1.8mm和1.8mm。
4.根据权利要求1所述的一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构,其特征在于:所述上蒙皮(2)和下蒙皮(3)为非等厚度设计,上蒙皮(2)和下蒙皮(3)沿舵面结构的纵向分为四个区域,且厚度沿安装有舵轴(5)的侧端面向另一个侧端面的方向递减。
5.根据权利要求4所述的一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构,其特征在于:所述上蒙皮(2)和下蒙皮(3)四个区域的三条分割线与将每条纵向梁分为四个部分的三条横向肋结构的中心线对应。
6.根据权利要求4所述的一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构,其特征在于:所述上蒙皮(2)和下蒙皮(3)沿安装有舵轴(5)的侧端面向另一个侧端面的方向四个区域的厚度依次为:3.2mm、2.6mm、1.8mm和1.2mm。
7.根据权利要求1所述的一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构,其特征在于:所述内部骨架(1)、上蒙皮(2)和下蒙皮(3)材料均为T800碳纤维增强环氧基复合材料。
8.根据权利要求1所述的一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构,其特征在于:所述前缘(4)包括外面板(7)、内面板(8)和内夹芯(9);
所述外面板(7)为横截面为抛物线的板状结构,前缘(4)通过外面板(7)的边缘与内部骨架(1)固定连接,所述内面板(8)与外面板(7)固定连接,且与内部骨架(1)的前端面接触,内夹芯(9)位于内面板(8)与外面板(7)形成的密闭空间内。
9.根据权利要求1所述的一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构,其特征在于:所述舵轴(5)和法兰(6)的材料均为钛合金材料。
10.一种刚度递减的复合材料一体成型舵面结构加工方法,其特征在于工艺步骤如下:
(1)根据预先给定的尺寸,分别加工上蒙皮成型模具、下蒙皮成型模具、内部骨架成型模具、前缘成型模具和舵面装配工装;
(2)利用步骤(1)中的上蒙皮成型模具和下蒙皮成型模具分别进行上蒙皮和下蒙皮的固化成型;
(3)进行外面板(7)的固化成型,同时将泡沫材料机械加工成预定的形状,在外面板(7)与内夹芯(9)之间铺胶层,将加工好的内夹芯(9)放入外面板(7)中,铺设内面板(8)后进行二次固化成型;
(4)依据上蒙皮(2)和下蒙皮(3)内型面制作内部骨架(1)的外形模具;依据纵向梁和横向肋结构围成的每个格的空腔形状制作骨架结构的内型模具;在内型模具上铺设复合材料预浸料,铺设时保证纤维的连续性,每一层只允许有一个接缝,每一层的接缝位置均匀错开,铺好后对每个内部模具分别进行预压实,将预压实后的内部模具按顺序排列于外型模具中,排列时,每四个内型模具之间的缝隙用短碳纤维复合材料填充,排列完成后,在上层表面铺设加强缘条预浸料,最后进热压罐固化;
(5)内部骨架(1)结构出罐后,在内部骨架(1)的侧端面上安装舵轴(5),采用螺栓紧固件连接;
(6)安装完舵轴(5)后,将上蒙皮(2)和下蒙皮(3)胶接在内部骨架(1)的缘条上,进罐进行二次固化;
(7)将前缘(4)机械连接于内部骨架(1)上,完成一体成型舵面结构的加工。
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