CN109131820B - 复合材料无机械连接大尺寸低成本双层壁板结构飞艇吊舱 - Google Patents

Abstract

复合材料无机械连接大尺寸低成本双层壁板结构飞艇吊舱，包括外型、前舱、后舱、乘客舱；外型前后舱相同并左右对称，上部为圆弧，下部为三维球，乘客舱左右对称，侧面上部为直线，中部为大圆弧，下部为小圆弧，底部为大圆弧与侧面大圆弧相同。所述前舱、后舱和乘客舱的立柱框、地板框和中部框的外壁板、框、梁、地板和舱门均是泡沫夹心复合材料结构，所述正常舱门、应急舱门、动力舱门及玻璃窗的内外壁板、框、梁采用相同泡沫夹心复合材料结构。本发明采用复合材料结构设计在多种因素进行设计，整体外型简单，可以实现全复合材料无机械连接，并且质量轻，成本低。

Description

复合材料无机械连接大尺寸低成本双层壁板结构飞艇吊舱

技术领域

本发明涉及飞艇部件领域，特别是涉及复合材料无机械连接大尺寸低成本双层壁板结构飞艇吊舱。

背景技术

复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：①纤维增强复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。

吊舱是飞艇的主要部分之一，目前国内的飞艇吊舱受到材料限制，目前吊舱主要是通过机械连接进行安装，但是这样会加重飞艇的重量，影响飞艇飞行，而随着我国复合材料工艺的不断发展，可以考虑采用复合材料结构设计来减少飞艇质量，降低飞艇的成本，复合材料结构设计的重要特点是结构设计与材料设计同时进行。一般说，金属结构设计是按手册提供的性能数据选择所需材料的牌号和规格，然后进行具体的结构设计。而复合材料结构是材料与结构一次成型。层合板(“材料”)的机械性能也具有可设计性。所以在设计时既要对组成层压构件各部分的层合板参数进行设计，同时要选择构件的构造形式、几何尺寸，还要进行层合板构形，即根据构件的形状确定各铺层如何走向等，因此申请人设计了复合材料无机械连接大尺寸低成本双层壁板结构飞艇吊舱。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供复合材料无机械连接大尺寸低成本双层壁板结构飞艇吊舱，采用复合材料结构设计在考虑其机械性能的同时综合权衡考虑材料的最高最低使用温度、湿/热引起的性能退化、损伤容限要求以及材料的工艺性等因素进行设计，整体外形简单，可以实现全复合材料无机械连接，并且质量轻，成本低，为达此目的，本发明提供复合材料无机械连接大尺寸低成本双层壁板结构飞艇吊舱，包括前舱、后舱和乘客舱，所述乘客舱前侧有前舱，所述乘客舱后侧有后舱，所述乘客舱中部下方有起落架，所述前舱和后舱形状相同并左右对称，上部为圆弧，下部为三维球，所述乘客舱左右对称，侧面上部为直线，中部为大圆弧，下部为小圆弧，底部为大圆弧与侧面大圆弧相同，所述前舱一侧有正常舱门，所述乘客舱后端一侧有应急舱门，所述后舱底部一侧有动力舱门，所述乘客舱两侧各有一排玻璃窗；

所述前舱、后舱和乘客舱的舱体包括立柱框、地板框和中部框，所述立柱框成排设置在地板框上，相邻的立柱框之间有中部框，所述立柱框包括接头、立柱和立柱下加强梁，所述立柱框两侧的立柱顶端通过接头固定，所述立柱底部有立柱下加强梁，所述舱体两侧的侧壁斜撑梁穿过对应立柱下加强梁，所述舱体底部的地板斜撑梁穿过地板框，所述地板框上铺设有地板，所述前舱、后舱和乘客舱的舱体的立柱框、地板框和中部框的内侧外侧通过对应壁板固定，所述地板框上两对对称设置的导轨；

所述前舱、后舱和乘客舱的剖面结构按如下公式设计；

D_ef＝D_ws+2C_sw+2T_tp+2H_fw

式中：D_ef——当量直径；

D_ws——并排座椅最大宽度；

C_sw——扶手与侧壁间隙；

T_tp——客舱装饰层厚度；

H_fw——框结构高度；

所述前舱、后舱和乘客舱的立柱框、地板框和中部框的外壁板、框、梁、地板和舱门均是泡沫夹心复合材料结构，所述泡沫夹心复合材料结构采用综缎机织物或综缎机织物或聚苯乙烯挤塑泡沫板，所述壁板、框、梁、地板间的粘接在泡沫与板接触处在板上打孔进行胶铆接及在接触面处加贴纤维布。

本发明的进一步改进，所述中部框的结构高度取100mm，地板结构高度取200mm，列舱体当量直径为1802mm，扶手与侧壁间隙C_sw，其取值范围在25～75mm，客舱装饰层厚度T_tp取值范围在17～35mm，本申请已经实际运用，运用中采用以上参数，其中列舱体当量直径为1802mm，是采用申请内公式计算所得；

D_ef＝D_ws+2C_sw+2T_tp+2H_fw＝1450+2×(50+26+100)＝1802mm其中，框的结构高度初步取100mm；

地板结构高度初步取200mm；

D_ef＝D_ws+2C_sw+2T_tp+2H_fw

式中：D_ef——当量直径；

D_ws——并排座椅最大宽度；

C_sw——扶手与侧壁间隙，其取值范围在25～75mm；

T_tp——客舱装饰层厚度，其取值范围在17～35mm；

H_fw——框结构高度。

本发明的进一步改进，所述起落架采用单框支撑，起落架处直接与一个复合加强框相连或采用双框支撑，起落架通过地板梁连接到两个复合加强框，若起落架采用单框支撑，起落架处直接与一个复合加强框相连，将载荷传递到加强框然后再传递到对应壁板上，若起落架采用双框支撑，起落架通过地板梁连接到两个复合加强框，由两个复合加强框传力，与地板梁连接处进行局部补强。

本发明的进一步改进，所述正常舱门、应急舱门、动力舱门及玻璃窗的内外壁板、框、梁采用相同泡沫夹心复合材料结构，本发明舱门和玻璃窗也可以采用相应设计。

本发明复合材料无机械连接大尺寸低成本双层壁板结构飞艇吊舱，具有如下优点；

1、本发明全复合材料无机械连接大尺寸低成本飞艇吊舱，包括外形、前舱、后舱、乘客舱设计，整体外形简单，可以实现全复合材料无机械连接，并且质量轻，成本低；

2、本申请外形不用圆弧组成，降低对磨具加工设备要求，前后舱外形相同、乘客舱侧壁与下部大圆弧相同、吊舱左右对称、可以分开制造大大减少模具数量降低成本；

3、本发明整个舱体结构采用双层壁板结构设计，这样可以增加稳定性，整体质量轻，并且不需要增加内隔板，节省了成本；

4、本申请内外壁板、框、梁、地板、舱门全用泡沫夹心复合材料、大幅度减少结构重量；

5、本申请复合材料无机械连接；壁板、框、梁、地板间的粘接在泡沫与板接触处在板上打小孔进行胶铆接及在接触面处加贴纤维布；

6、本申请以结构强度、刚度、失稳为约束，以重量轻为目标对整个吊舱结构复合材料壁板厚度、纤维铺层、泡沫密度及厚度进行优化设计的结果参数来设计。

附图说明

图1是本发明的飞艇截面图；

图2是本发明的飞艇俯视图；

图3是本发明的飞艇仰视图；

图4是本发明的飞艇A-A截面图；

图5是本发明的飞艇B-B截面图；

图6是本发明的飞艇C-C截面图；

图7是本发明的飞艇D-D截面图；

图8是本发明复材结构整体最大应变云图；

图9是本发明复材地板应变云图；

图10是本发明复材结构立柱梁腹板应变云图；

图11是本发明复材结构玻纤部分应变云图；

图12是本发明显示最大应变位置的应变云图；

图13是本发明复合材料阶特征值图；

图中：1’前舱；2’后舱；3’乘客舱；1接头；2立柱；3立柱下加强梁；4侧壁斜撑梁；5地板斜撑梁；6壁板；7地板；8地板梁；9导轨；10立柱框；11地板框；12中部框；13起落架；14、正常舱门；15、应急舱门；16、动力舱门；17、玻璃窗。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供复合材料无机械连接大尺寸低成本双层壁板结构飞艇吊舱，采用复合材料结构设计在考虑其机械性能的同时，综合权衡考虑材料的最高最低使用温度、湿/热引起的性能退化、损伤容限要求以及材料的工艺性等因素，整体外形简单，可以实现全复合材料无机械连接，并且质量轻，成本低。

作为本发明一种实施例，本发明提供如图1-7复合材料无机械连接大尺寸低成本双层壁板结构飞艇吊舱，包括前舱1’、后舱2’和乘客舱3’，所述乘客舱3’前侧有前舱1’，所述乘客舱3’后侧有后舱2’，所述乘客舱3’中部下方有起落架13，所述前舱1’和后舱2’形状相同并左右对称，上部为圆弧，下部为三维球，所述乘客舱3’左右对称，侧面上部为直线，中部为大圆弧，下部为小圆弧，底部为大圆弧与侧面大圆弧相同，所述前舱1’一侧有正常舱门14，所述乘客舱3’后端一侧有应急舱门15，所述后舱2’底部一侧有动力舱门16，所述乘客舱3’两侧各有一排玻璃窗17；

本发明所述前舱1’、后舱2’和乘客舱3’的舱体包括立柱框10、地板框11和中部框12，所述立柱框10成排设置在地板框11上，相邻的立柱框10之间有中部框12，所述立柱框10包括接头1、立柱2和立柱下加强梁3，所述立柱框10两侧的立柱2顶端通过接头1固定，所述立柱2底部有立柱下加强梁3，所述舱体两侧的侧壁斜撑梁4穿过对应立柱下加强梁3，所述舱体底部的地板斜撑梁5穿过地板框11，所述地板框11上铺设有地板7，所述前舱1’、后舱2’和乘客舱3’的舱体的立柱框10、地板框11和中部框12的内侧外侧通过对应壁板6固定，所述地板框11上两对对称设置的导轨9；所述前舱1’、后舱2’和乘客舱3’的剖面结构按如下公式设计；

D_ef＝D_ws+2C_sw+2T_tp+2H_fw

式中：D_ef——当量直径；

D_ws——并排座椅最大宽度；

C_sw——扶手与侧壁间隙；

T_tp——客舱装饰层厚度；

H_fw——框结构高度；

本发明所述前舱1’、后舱2’和乘客舱3’的立柱框10、地板框11和中部框12的外壁板、框、梁、地板和舱门均是泡沫夹心复合材料结构，所述泡沫夹心复合材料结构采用综缎机织物或综缎机织物或聚苯乙烯挤塑泡沫板，所述壁板、框、梁、地板间的粘接在泡沫与板接触处在板上打孔进行胶铆接及在接触面处加贴纤维布。

本发明所述中部框的结构高度取100mm，地板结构高度取200mm，列舱体当量直径为1802mm，扶手与侧壁间隙C_sw，其取值范围在25～75mm，客舱装饰层厚度T_tp取值范围在17～35mm，本申请已经实际运用，运用中采用以上参数，其中列舱体当量直径为1802mm，是采用申请内公式计算所得；

D_ef＝D_ws+2C_sw+2T_tp+2H_fw＝1450+2×(50+26+100)＝1802mm其中，框的结构高度初步取100mm；

地板结构高度初步取200mm；

D_ef＝D_ws+2C_sw+2T_tp+2H_fw

式中：D_ef——当量直径；

D_ws——并排座椅最大宽度；

C_sw——扶手与侧壁间隙，其取值范围在25～75mm；

T_tp——客舱装饰层厚度，其取值范围在17～35mm；

H_fw——框结构高度。

本发明所述起落架采用单框支撑，起落架处直接与一个复合加强框相连或采用双框支撑，起落架通过地板梁连接到两个复合加强框，若起落架采用单框支撑，起落架处直接与一个复合加强框相连，将载荷传递到加强框然后再传递到对应壁板上，若起落架采用双框支撑，起落架通过地板梁连接到两个复合加强框，由两个复合加强框传力，与地板梁连接处进行局部补强。

本发明所述正常舱门、应急舱门、动力舱门及玻璃窗的内外壁板、框、梁采用相同泡沫夹心复合材料结构，本发明舱门和玻璃窗也可以采用相应设计。

本发明面板材料选用三种材料进行分析，分别为7781/EA9396 8综缎机织物、AS43k/3501-6S 5综缎机织物、聚苯乙烯挤塑泡沫板。

如下所示，为复合材料方案的材料参数。

表1复材结构材料属性

如下所示，为复合材料方案的截面尺寸参数。

表2复材结构铺层结构

注：表中每层都包含方向、材料和厚度三个信息，如45°g0.1代表该层为玻璃纤维45度铺层0.1mm，pvc5代表5mm厚的pvc泡沫铺层(pvc为各向同性)。除g代表玻璃纤维层板外，c代表碳纤维层板，pvc代表pvc泡沫板。

表3材料许用应变

失效准则判断如下；

1.单层板的强度准则

(1)最大应力准则

与均质各向同性的材料的最大应力准则一样，最大应力准则认为，不管单层板处于如何复杂的应力状态，当单层板的材料主轴方向上任何一个应力分量达到其极限应力时，单层板失去承载能力。具体的表达式为

σ₁＝X_t，|σ₁|＝X_c，σ₂＝Y_t，|σ₂|＝Y_c，|τ₁₂|＝S

当单层板受到不同形式的外力作用时，由于没有考虑应力分量之间的相互作用，因此最大应力准则虽然形式简单，但是计算的精度不够精确。

(2)最大应变准则

与均质各向同性的材料的最大应变准则一样，最应变准则认为与单层板无论处于多么复杂的应力状态下，当单层板的材料主轴方向上任何一个应变分量达到极限应变时，单层板失去承载能力。具体表达式为

ε₁＝ε_1t，|ε₁|＝ε_1c，ε₂＝ε_2t，|ε₂|＝ε_2c，γ₁₂＝γ_s

最大应变准则虽然考虑了正应力分量之间的相互作用对强度的影响，但是单层板是正交各项异性的板，正轴方向的拉压变形与剪切变形是相互独立的，所以最大应变准则没有考虑正应力与剪应力相互作用对强度的影响。

(3)蔡-希尔(Tsai-Hill)强度准则

蔡-希尔(Tsai-Hill)强度准则是蔡在希尔提出的各向异性材料屈服条件下导出来。具体的形式为：

蔡-希尔(Tsai-Hill)强度准则与最大应力准则和最大应变准则相比，蔡-希尔(Tsai-Hill)强度准则考虑了三个基本的强度系数之间的相互作用关系，相比较而言更合理一些。但是蔡-希尔(Tsai-Hill)强度准则基于的屈服的假设条件是拉压强度相等，因此它只适用于拉压强度相等的材料。

(4)蔡-吴强度准则

相对于蔡-希尔(Tsai-Hill)强度准则而言，蔡-吴强度准则提出了更为一般性的强度准则。具体形式为：

与上述的三个准则相比，蔡-吴强度准则给出比较合理的强度预测。但是强度参数F12的确定很麻烦。

复合材料的失效准则可以分为两大类：模式无关准则和模式相关准则。

模式相关准则是指仅仅给出了材料失效的条件没有涉及材料的失效模式或者机理的准则。模式相关准则不仅给出了材料失效的条件，而且给出了材料失效的模式。这类准则一般含有多个方程式，每个方程式对应一种失效模式。

上述介绍的最大应力准则、最大应变准则、蔡-希尔(Tsai-Hill)准则和蔡-吴准则都是属于模式无关的强度失效准则，下面介绍本文用的二维Hashin的准则和三维的Hashin准则属于模式相关准则。二维Hashin失效准则的形式如下：

(1)纤维拉伸失效(σ₁₁＞0)

(2)纤维压缩失效(σ₁₁＜0)

(3)基本拉伸失效(σ₂₂＞0)

(4)基本压缩失效(σ₂₂＜0)

(5)基本纤维剪切失效

式中：σ₁₁，σ₂₂，τ₁₂为复合材料层合板单层板的正应力和剪应力；X_c，X_T，Y_T，Y_c，S_L，S_T为复合材料层合板中单层板的六个强度参数；α为材料的非线性因子。

对整个模型进行静力分析，这里采用最大应变理论作为失效准则进行判断。

因整个模型主要为薄壁构件，所以对其进行屈曲分析是必要的，屈曲问题可用如公式描述：

(K₀ ^N×M+λ_iK_Δ ^N×M)v_i ^M＝0

K₀ ^N×M为整个模型初始状态下的刚度矩阵；K_Δ ^N×M为载荷增量下的微分初始应力，λ_i为特征值，M和N是整个模型的自由度，i表示第i阶屈曲模态。

具体建模分析如下；

如图8所示，为复合材料结构的静力分析结果，最大应变为2161με。

图9为地板部分应变云图，由图中可以看出，最大应变为139.9με，满足使用要求。

图10为立柱梁板部分应变云图，由图中可以看出，最大应变为69.25με，满足使用要求。

图11为玻纤部分结构的应变云图，由图中可以看出，最大应变为1233με，满足使用要求。

图12显示了最大应变位置，在门下缘，这里门下缘跟其他部分不同，未用桁条加强，所以出现了最大应变，这对后面结构设计有一定的指导作用。

图13为屈曲计算结果,其一阶特征值为1.5102,满足设计要求(大于1)。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (3)

1.复合材料无机械连接大尺寸低成本双层壁板结构飞艇吊舱，包括前舱(1’)、后舱(2’)和乘客舱(3’)，所述乘客舱(3’)前侧有前舱(1’)，所述乘客舱(3’)后侧有后舱(2’)，所述乘客舱(3’)中部下方有起落架(13)，其特征在于：所述前舱(1’)和后舱(2’)形状相同并左右对称，上部为圆弧，下部为三维球，所述乘客舱(3’)左右对称，侧面上部为直线，中部为大圆弧，下部为小圆弧，底部为大圆弧与侧面大圆弧相同，所述前舱(1’)一侧有正常舱门(14)，所述乘客舱(3’)后端一侧有应急舱门(15)，所述后舱(2’)底部一侧有动力舱门(16)，所述乘客舱(3’)两侧各有一排玻璃窗(17)；

所述前舱(1’)、后舱(2’)和乘客舱(3’)的舱体包括立柱框(10)、地板框(11)和中部框(12)，所述立柱框(10)成排设置在地板框(11)上，相邻的立柱框(10)之间有中部框(12)，所述立柱框(10)包括接头(1)、立柱(2)和立柱下加强梁(3)，所述立柱框(10)两侧的立柱(2)顶端通过接头(1)固定，所述立柱(2)底部有立柱下加强梁(3)，所述舱体两侧的侧壁斜撑梁(4)穿过对应立柱下加强梁(3)，所述舱体底部的地板斜撑梁(5)穿过地板框(11)，所述地板框(11)上铺设有地板(7)，所述前舱(1’)、后舱(2’)和乘客舱(3’)的舱体的立柱框(10)、地板框(11)和中部框(12)的内侧外侧通过对应壁板(6)固定，所述地板框(11)上有两对对称设置的导轨(9)；所述起落架(13)采用单框支撑，起落架处直接与一个复合加强框相连，将载荷传递到加强框然后再传递到对应壁板上或采用双框支撑，起落架通过地板梁连接到两个复合加强框，由两个复合加强框传力，与地板梁连接处进行局部补强；

所述前舱(1’)、后舱(2’)和乘客舱(3’)的剖面结构按如下公式设计；

D_ef＝D_ws+2C_sw+2T_tp+2H_fw；

式中：D_ef——当量直径；

D_ws——并排座椅最大宽度；

C_sw——扶手与侧壁间隙；

T_tp——客舱装饰层厚度；

H_fw——框结构高度；

所述前舱(1’)、后舱(2’)和乘客舱(3’)的立柱框(10)、地板框(11)和中部框(12)的外壁板、框、梁、地板和舱门均是泡沫夹心复合材料结构，所述泡沫夹心复合材料结构采用综缎机织物或综缎机织物或聚苯乙烯挤塑泡沫板，所述壁板、框、梁、地板间的粘接在泡沫与板接触处在板上打孔进行胶铆接及在接触面处加贴纤维布。

2.根据权利要求1所述的复合材料无机械连接大尺寸低成本双层壁板结构飞艇吊舱，其特征在于：所述中部框(12)的结构高度取100mm，地板结构高度取200mm，列舱体包括前舱(1’)、后舱(2’)和乘客舱(3’)，列舱体当量直径为1802mm，扶手与侧壁间隙C_sw，其取值范围在25～75mm，客舱装饰层厚度T_tp取值范围在17～35mm。

3.根据权利要求1所述的复合材料无机械连接大尺寸低成本双层壁板结构飞艇吊舱，其特征在于：所述正常舱门(14)、应急舱门(15)、动力舱门(16)及玻璃窗(17)的内外壁板、框、梁采用相同泡沫夹心复合材料结构。

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