CN110510145A - 一种三梁式复合材料机翼整体结构及其成型工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三梁式复合材料机翼整体结构及其成型工艺方法。本发明中的一种三梁式复合材料机翼整体结构，包括机翼蒙皮和内部骨架结构，内部骨架结构采用三梁式，包括前缘C字型梁、中间工字型主梁、后C字型梁。所述机翼是泡沫夹芯结构，一次成型，没有装配连接，夹芯泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。本发明的机翼结构实现了“三梁式+薄蒙皮+变厚度”的整体结构方案。本发明中的一种三梁式复合材料机翼整体结构成型工艺方法，通过在阶梯形泡沫上铺设预浸料，先铺设中央翼盒，再铺设机翼，实现了含内部翼梁的复合材料机翼的整体成型；整体成型的机翼内部质量好，外形精确，实现了重量轻、载荷比重大的机翼设计与制造。

Description

一种三梁式复合材料机翼整体结构及其成型工艺方法

技术领域

本发明属于机翼结构及成型技术领域，具体涉及一种三梁式复合材料机翼整体结构及其成型工艺方法。

背景技术

复合材料拥有强度高、刚度大、质量轻、抗疲劳、耐高温、减振、可设计等特点，被广泛的应用在航空航天领域。重量轻是飞机结构设计的重要目标，而将复合材料运用于飞机结构可实现减重。随着复合材料在机翼上的应用，复合材料机翼的设计与成型技术一直是国内外研究的重点。复合材料机翼结构设计主要包括总体布局设计、骨架设计以及其他附件设计。复合材料机翼成型技术主要包括成型方法、工艺参数以及工装制备等。

目前，复合材料机翼内部结构多采用分体式胶接方式制备而成，其纤维不连续，其稳定性与强度较差，同时难于实现减重。

复合材料零件整体成型技术已经逐渐成熟并逐步应用到实际生产当中。复合材料制件整体成型技术可以减少工序，减少装配误差，减轻了复合材料零件重量，提高其整体结构强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种三梁式复合材料机翼整体结构及其成型工艺方法，不仅可以解决分体式机翼内部翼梁因胶接造成的连接强度低等问题，还可以使复合材料机翼更加轻量化并且结构强度和稳定性更高。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种三梁式复合材料机翼整体结构，包括机翼蒙皮和内部骨架结构，内部骨架结构采用三梁式，包括前缘C字型梁、中间工字型主梁、后C字型梁；所述机翼是泡沫夹芯结构，一次成型，没有装配连接。

进一步地，所述三梁式复合材料机翼结构采用上下表面非均衡非对称型的三梁式结构，由聚甲基丙烯酰亚胺泡沫和碳纤维复合材料制备而成。

进一步地，所述三梁式复合材料机翼结构由中央翼盒、后泡沫以及蒙皮组成；中央翼盒由前缘C字型梁、前泡沫、中间工字型主梁、中间泡沫、后C字型梁组成。

进一步地，所述前缘C字型梁通过在前泡沫上铺设预浸料实现；中间工字型主梁通过在前泡沫和中间泡沫上对称铺设预浸料实现；后C字型梁通过在中间泡沫上铺设预浸料实现。

一种三梁式复合材料机翼整体结构的成型工艺方法，具体包含以下步骤：

步骤1，制造工艺装备，包括模具、加工样板、检验样板以及专用夹具；

步骤2，加工阶梯形聚甲基丙烯酰亚胺泡沫；根据结构设计加工出前、中、后三块泡沫，且前泡沫前缘加工成阶梯状；

步骤3，在泡沫上铺设预浸料，制成中央翼盒，内含前、中、后三根翼梁；在加工成型的前泡沫和中间泡沫上对称铺设预浸料，形成中间工字型主梁，在前泡沫和中间泡沫四周铺层，形成前缘C字型梁和后C字型梁，制成中央翼盒；

步骤4，上、下翼面铺层，在上模具、下模具涂抹脱模剂，并在上模具、下模具铺设预浸料；

步骤5，将中央翼盒和剩余泡沫放入模具中，并将模具的上模和下模对合；

步骤6，加温固化；

步骤7，固化后脱模，经过修边得到复合材料机翼。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明提出的一种三梁式复合材料机翼整体结构是一种上下表面非均衡非对称型的三梁式结构，以机翼蒙皮和内部骨架结构组成，内部骨架结构采用三梁式结构。由聚甲基丙烯酰亚胺泡沫和碳纤维复合材料制备而成，泡沫夹芯结构一方面可承受剪力，另一方面可支撑蒙皮不失稳，泡沫材料是轻质材料，也可较大程度上降低机翼的重量；

2、本发明提出的一种三梁式复合材料机翼整体结构实现了“三梁式+薄蒙皮+变厚度”的结构方案，并通过碳纤维复合材料铺层设计和泡沫设计，实现了机翼内部的结构制造；

3、本发明提出的一种三梁式复合材料机翼整体结构成型工艺方法，实现了含内部翼梁的复合材料机翼的整体成型，制备的机翼表面质量和外形尺寸精确，实现了重量轻、载荷比重大的机翼设计与制造；

4、本发明提出的一种三梁式复合材料机翼整体结构成型工艺方法，整体成型的复合材料机翼能严格控制复合材料机翼产品铺层厚度，复合材料机翼的整体成型质量稳定可靠。

附图说明

图1为本发明三梁式复合材料机翼整体结构及铺层示意图；

图2为本发明三梁式复合材料机翼整体结构成型工艺方法流程图；

其中：1-前缘C字型梁；2-中间工字型主梁；3-后C字型梁；4-中央翼盒；5-前泡沫；6-中间泡沫；7-后泡沫；8-机翼蒙皮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：

本发明一种三梁式复合材料机翼整体结构是一种上下表面非均衡非对称型的三梁式结构，以机翼蒙皮和内部骨架结构组成，内部骨架结构采用三梁式结构。如图1所示，三梁式复合材料机翼结构由中央翼盒4、后泡沫7以及机翼蒙皮8组成；中央翼盒4由前缘C字型梁1、前泡沫5、中间工字型主梁2、中间泡沫6、后C字型梁3组成。三梁式复合材料机翼结构采用上下表面非均衡非对称型的三梁式结构，由聚甲基丙烯酰亚胺泡沫和碳纤维复合材料制备而成。前缘C字型梁1通过在前泡沫5上铺设预浸料实现；中间工字型主梁2通过在前泡沫5和中间泡沫6上对称铺设预浸料实现；后C字型梁3通过在中间泡沫6上铺设预浸料实现。机翼蒙皮和内部骨架结构是整体结构，采用泡沫夹芯结构，一次成型，没有装配连接。夹芯泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，泡沫夹芯结构一方面可承受剪力，另一方面可支撑蒙皮不失稳，泡沫材料是轻质材料，也可较大程度上降低机翼的重量。机翼结构通过碳纤维复合材料铺层设计和泡沫设计来实现，一次成型之后的机翼结构是一个整体结构，不需要其他连接方式即可达到整体承载效果。

本发明的三梁式复合材料机翼整体结构成型工艺方法流程如图2所示，首先制造工艺装备，包括模具、加工样板、检验样板以及专用夹具等；其次加工阶梯形聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，并在泡沫上铺设预浸料，制成中央翼盒，内含前、中、后三根翼梁；然后上下翼面铺层，并将中央翼盒和剩余泡沫放入模具中，将模具的上模和下模对合；最后加温固化，固化后脱模，经过修边得到复合材料机翼。本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，制造工艺装备，包括模具、加工样板、检验样板以及专用夹具等；采用数控加工手段完成模具制造，分为金属上模和下模；加工样板和检验样板为步骤2泡沫加工和检验制备。

步骤2，加工阶梯形聚甲基丙烯酰亚胺泡沫；根据结构设计加工出前泡沫5、中间泡沫6、后泡沫7，前泡沫5前缘加工成阶梯状，中间泡沫6依据中间工字型梁2加工成阶梯状；然后用高压气枪清理干净泡沫，最后送入烘箱进行预处理。

步骤3，在前泡沫5、中间泡沫6铺设预浸料，制成中央翼盒4，内含前C字型梁1、中间工字型梁2、后C字型梁3三根翼梁；在加工成型的前泡沫5和中间泡沫6上对称铺设预浸料，形成中间工字型主梁2，在前泡沫5和中间泡沫6四周铺层，形成前缘C字型梁2和后C字型梁3，制成中央翼盒4；在铺层过程中，需采用真空抽压方式每三层预压实一次。

步骤4，上下翼面铺层，使用丙酮清理金属上下模具和对合面，并在所有型面上涂抹水溶性脱模剂；在铺层过程中，需采用真空抽压方式对上翼面铺层和下翼面铺层进行预压实。

步骤5，将中央翼盒和剩余泡沫放入模具中，并将模具的上模和下模对合；上下翼面铺层在机翼前缘和后缘部位需逐层预留预浸料长度以满足上下翼面对合时搭接的需要。

步骤6，加温固化。

步骤7，固化后脱模，经过修边得到复合材料机翼。

在本发明中所制备机翼是一个整体式结构，这种方法制备得到的机翼表面质量和外形尺寸精确，实现了重量轻、载荷比重大的机翼设计与制造。该结构形式可以根据机翼载荷分布和大小改变，成型方法可拓展至相似复合材料机翼整体一次成型。

Claims (5)

1.一种三梁式复合材料机翼整体结构，包括机翼蒙皮和内部骨架结构，其特征在于：内部骨架结构采用三梁式，包括前缘C字型梁、中间工字型主梁、后C字型梁；所述机翼是泡沫夹芯结构，一次成型，没有装配连接。

2.根据权利要求书1所述的一种三梁式复合材料机翼整体结构，其特征在于：三梁式复合材料机翼结构采用上下表面非均衡非对称型的三梁式结构，由聚甲基丙烯酰亚胺泡沫和碳纤维复合材料制备而成。

3.根据权利要求书2所述的一种三梁式复合材料机翼整体结构，其特征在于，三梁式复合材料机翼结构由中央翼盒、后泡沫以及蒙皮组成；中央翼盒由前缘C字型梁、前泡沫、中间工字型主梁、中间泡沫、后C字型梁组成。

4.根据权利要求书3所述的一种三梁式复合材料机翼整体结构，其特征在于，前缘C字型梁通过在前泡沫上铺设预浸料实现；中间工字型主梁通过在前泡沫和中间泡沫上对称铺设预浸料实现；后C字型梁通过在中间泡沫上铺设预浸料实现。

5.一种基于权利要求1至4任一项所述的三梁式复合材料机翼整体结构的成型工艺方法，其特征在于：具体包含以下步骤：

步骤1，制造工艺装备，包括模具、加工样板、检验样板以及专用夹具；

步骤2，加工阶梯形聚甲基丙烯酰亚胺泡沫；根据结构设计加工出前、中、后三块泡沫，且前泡沫前缘加工成阶梯状；

步骤3，在泡沫上铺设预浸料，制成中央翼盒，内含前、中、后三根翼梁；在加工成型的前泡沫和中间泡沫上对称铺设预浸料，形成中间工字型主梁，在前泡沫和中间泡沫四周铺层，形成前缘C字型梁和后C字型梁，制成中央翼盒；

步骤4，上、下翼面铺层，在上模具、下模具涂抹脱模剂，并在上模具、下模具铺设预浸料；

步骤5，将中央翼盒和剩余泡沫放入模具中，并将模具的上模和下模对合；

步骤6，加温固化；

步骤7，固化后脱模，经过修边得到复合材料机翼。