CN107878727A - 一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构 - Google Patents

一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构 Download PDF

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王晓东
关志东
王垚
黎增山
苏亚东
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Abstract

本发明公开了一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构，属于航空飞行器总体设计及多功能结构材料设计领域。本发明由周期性结构单元矩阵形式排列构成，所述的周期性结构单元由上面板、下面板、流道和芯子组成；所述上面板和下面板均为曲面结构，分别对应机翼前缘的外侧面和内侧面；两个流道壁板从下面板的左右两端沿芯子方向延伸后连接，与下面板一起构成截面为近似三棱柱形状的流道；所述芯子的两端分别固定连接上面板和所述流道顶部。本发明给出了一种含曲率的微桁架结构，将流道引入微桁架内部空间，在不影响承载的情况下，通过内部流体的冷却，实现了隔绝外部高温的作用，减少了温控部件，有效减少重量。

Description

一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构
技术领域
本发明属于航空飞行器总体设计及多功能结构材料设计领域，涉及一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构。
背景技术
高超声速飞行器为了满足复杂严酷的飞行环境，通常要求尽可能地减轻结构重量，并克服气动加热导致的高温及引擎、空气摩擦产生的振动噪声问题，保证良好的仪器工作环境。因此轻质、隔热、隔振降噪的结构材料对于研制新型飞行器(尤其是重复使用的新型飞机和空天飞机)尤为关键。传统的飞行器结构-功能系统分离式设计思想，不仅增加了飞行器的重量，更降低了其使用性能和可靠性，已难以满足新型飞行器对机体平台性能不断提高的苛刻需求。因此迫切需求突破原有的结构形式及设计方法，采用创新型的、综合考虑承载/热防护等性能需求的多功能结构；同时建立完整的理论体系来描述其不同功能及相应的指标参数，实现集承载/热防护功能为一体的综合结构设计与优化。
夹芯结构具有轻质性、多功能和可设计性等优良性能，适合用于飞行器结构。而传统夹芯结构芯子材料多为金属蜂窝和泡沫夹芯，承载性能不足，且开槽热防护流道会大大削弱面板和芯材之间的粘接性能。微桁架点阵夹芯结构承载性能优良，可设计含流道壁板的内部结构，使得承载/热防护一体化成为可能。
针对当前高超声速飞行器发展趋势对传统结构构型提出更高的要求，迫切需要突破原有的结构形式及设计方法，采用创新型的、综合考虑承载/热防护等性能需求的多功能结构。微桁架结构有优良的比强度/比刚度与防热能力，相较于传统蜂窝或泡沫芯材，更适合作为承载/热防护需求一体化结构的优良选材。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于微桁架结构的承载/热防护一体化机翼前缘结构，能够在不增加额外重量和体积的前提下，通过燃油流道的引入有效地达到承载/传热多功能集成一体化设计。
基于以上目的，本发明以微桁架夹芯结构作为结构基础，利用微桁架结构的高比强度，大量内部空间以及可设计性的特点，通过在微桁架中引入流道，在流道中通入燃油冷却液，进而实现在承载的基础上，将由于气动加热传入机翼的热量通过燃油冷却液带走，进而实现承载/热防护的多功能一体化设计。在保证使用工况的前提下，尽量减少重量和体积。此外将流道布置在下面板处，可有效防止机翼前缘由于外部冲击物冲击造成的流道损伤，也保证了燃油冷却液的安全。
本发明的基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构，由若干个周期性结构单元矩阵形式排列构成，每一个周期性结构单元主要由上面板、下面板、流道和芯子组成。
所述的上面板和下面板是曲面结构，多个上面板和下面板分别组成机翼前缘的外侧面和内侧面。
进一步优选，对于每一个周期性结构单元，上面板和下面板为同心圆弧面，上面板和下面板的中间设置流道和芯子。
所述流道通过将两个流道壁板分别从下面板的左右两端沿芯子方向延伸后相交形成。所述流道为冷却液通道，冷却液选择飞机自带油箱内引出的一部分燃油。
所述芯子由三层以上金字塔型点阵单胞组成，每个金字塔型点阵单胞结构由四根圆柱形的微桁架杆件构成。第一层金字塔型点阵单胞的底面四点连接上面板，第一层金字塔型点阵单胞的顶部连接第二层金字塔型点阵单胞的顶部，第二层金字塔型点阵单胞的底部连接第三层金字塔型点阵单胞的底部，顺次连接，最后一层金字塔型点阵单胞的顶部连接在两个流道壁板相交线的中间位置。
在流道横截面方向，每个周期性结构单元中各微桁架杆件分布呈直线以减轻结构承弯现象。
所述流道壁板与下面板围合而成的流道截面形状为近似等腰三角形，流道壁板为所述三角形的腰。下面板为曲面结构，作为底面，因此为近似等腰三角形截面。
所述周期性结构单元采用的材质为钛、铁、镁、铝、铜、钛合金、铁合金、镁合金、铝合金或者铜合金中的一种，一体加工成型。
所述一体加工成型是指通过增材制造技术制备而成，即采用计算机中生成零件的三维CAD模型，然后将该模型按一定的厚度分层“切片”，即将零件的三维数据信息转换成一系列的二维轮廓信息，再采用激光熔覆的方法按照轮廓轨迹逐层堆积材料，最终形成三维实体零件。
本发明的优点在于：
1、本发明给出了一种含曲率的微桁架结构，可以作为机翼前缘蒙皮的结构设计方案。
2、本发明将流道引入微桁架内部空间，在不影响承载的情况下，通过内部流体的冷却，实现了隔绝外部高温的作用，减少了温控部件，有效减少重量。
3、本发明通过将燃油作为冷却液，不仅实现了防热效果，还利用输油管道布置实现了燃油加热，在不增加结构重量的基础上实现了隔热和燃油加热，有效减少重量。
4、本发明将流道布置在微桁架芯子结构下表面，有效防止机翼前缘由于外部冲击物冲击造成的流道损伤，也保证了燃油的安全。
5、本发明将流道由下面板和流道壁板围合而成，流道内部不设置微桁架，排除微桁架杆件对流道内燃油流动的影响，降低燃油沿流程的压力损耗，降低燃油管道系统能量损失。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构示意图。
图2是本发明的一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构中流道截面示意图。
图3是本发明的一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构中的周期性结构单元示意图。
图4是图3所示的周期性结构单元的主视图。
图5是图3所示的周期性结构单元的侧视图。
图中：
1.周期性结构单元；2.上面板；3.下面板；4.芯子；5.流道壁板；411.微桁架杆件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构，如图1～图2所示，所述的一体化机翼前缘结构包括若干个周期性结构单元1，所述的周期性结构单元1以10×10矩阵形式排列。
根据结构对称性选出一个周期性结构单元的单胞进行说明，如图3～5所示，其中单胞坐标系如图3中所示，R、T、Z分别对应圆柱体的径向、周向和轴向，所述周期性结构单元1在径向依次为上面板2、芯子4、流道和下面板3，所述的芯子4和流道位于所述上面板2和所述下面板3之间。
图3所示的芯子4由三层金字塔型点阵单胞41相接而成，各层金字塔型点阵单胞41均是由四个微桁架杆件411构成的金字塔构型。其中第一层金字塔型点阵单胞的底部与上面板2固定连接，四个连接位置分别称为节点C。第一层金字塔型点阵单胞的顶部与第二层金字塔型点阵单胞的顶部连接于节点A，第二层金字塔型点阵单胞的底部与第三层金字塔型点阵单胞底部，通过两两对应的微桁架杆件连接于四个节点，称为节点B。
所述下面板3的左右两端分别设有向所述芯子4方向延伸的一个流道壁板5，两个流道壁板5在远离下面板3的一端相互固定连接，如图5，两个流道避板5与下面板3的上表面之间形成截面为近似等腰三角形的流道。所述的两个流道壁板5相互固定连接的边的中点与第三层金字塔型点阵单胞的顶点固定连接，记为节点D。
如图4所示的主视图上，上面板2和下面板3是两段同心的圆弧，周向(T向)角度θc根据实际需要进行设计。所述的节点B和相对应位置节点C的四条连线均与节点A和节点D的连线相交。节点A和节点D的连线通过圆心，四个对应位置的节点B和节点C的连线也通过圆心，即都在所述的圆柱体的径向轴线上。所述周期性结构单元中各微桁架杆件411在主视图上的投影呈直线形状，以减轻结构承弯现象。
所述下面板3和两个所述流道壁板5围合而成的流道是横截面呈近似等腰三角形的近似三棱柱形状的流道。其中近似是因为下面板3为曲面，因此所述流道的底面为曲面。
所述近似等腰三角形的顶角即两个流道壁板之间的夹角θfl为60°-120°，进一步优选为106°。
当所述周期性结构单元径向垂直于水平面时，所述微桁架杆件与水平面的夹角为35°-65°，进一步优选为36.6°。
如图4，所述上面板2、下面板3和流道壁板5的厚度根据实际需要进行设置，可以选择上面板2厚度tu为0.4-1.0mm，所述下面板3的厚度为0.4-1.0mm，流道壁板5的厚度为0.4-1.0mm。所述芯子4的厚度为8.0-12.0mm，所述微桁架杆件411的直径为0.5-1.0mm。
所述上面板2的曲率半径Ru和下面板3的曲率半径Rd，也根据机翼前缘的具体要求进行设计，所有的周期性结构单元阵列排列后，所有的上面板2构成机翼前缘的外侧面，所有的下面板3构成机翼前缘的内侧面，周期性结构单元的厚度Hc由机翼前缘厚度决定。
所述下面板3的轴向(Z向宽度)尺寸lz为下面板3的宽度，等于流道壁板5的宽度。
根据微桁架即周期性结构单元各部分尺寸进行三维CAD建模并将模型数据传输至3D打印机，采用增材制造技术，选择钛合金为材料，进行所述承载/热防护一体化结构的制备。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明结论的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构，若干个周期性结构单元以矩阵形式排列构成的一体化结构，所述的周期性结构单元由上面板、下面板、流道和芯子组成；其特征在于：所述上面板和下面板分别对应机翼前缘的外侧面和内侧面；所述上面板和下面板均为曲面结构，在所述的下面板和上面板中间设置芯子和流道；两个流道壁板从下面板的左右两端沿芯子方向延伸后连接，与下面板一起构成截面为近似等腰三角形的近似三棱柱形状的流道；所述芯子的两端分别固定连接上面板和所述流道顶部。
2.根据权利要求1所述的一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构，其特征在于：所述的芯子由三层以上金字塔型点阵单胞组成，每个金字塔型点阵单胞结构由四根圆柱形微桁架杆件构成；第一层金字塔型点阵单胞的底面四个微桁架杆件的端点连接上面板，四个节点即为节点C；第一层金字塔型点阵单胞的顶部连接第二层金字塔型点阵单胞的顶部，即为节点A，第二层金字塔型点阵单胞的底部四个微桁架杆件的端点连接第三层金字塔型点阵单胞的底部四个微桁架杆件的端点，四个连接点即为节点B；顺次连接，最后一层金字塔型点阵单胞的顶部连接在两个流道壁板相交线的中间位置，即为节点D。
3.根据权利要求1所述的一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构，其特征在于：所述流道为冷却液通道，冷却液选择飞机自带油箱内引出的一部分燃油。
4.根据权利要求1所述的一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构，其特征在于：所述周期性结构单元采用的材质为钛、铁、镁、铝、铜、钛合金、铁合金、镁合金、铝合金或者铜合金中的一种，一体加工成型。
5.根据权利要求1所述的一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构，其特征在于：所述的节点B和相对应位置节点C的四条连线均与节点A和节点D的连线相交。
6.根据权利要求1所述的一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构，其特征在于：所述两个流道壁板之间的夹角为60°-120°；当所述周期性结构单元径向垂直于水平面时，微桁架杆件与水平面的夹角为35°-65°。
7.根据权利要求1所述的一种基于微桁架的承载/热防护一体化机翼前缘结构，其特征在于：所述下面板的宽度等于流道壁板的宽度。
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