CN110758714A - 一种复合材料转折梁结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种复合材料转折梁结构，涉及飞行器机翼机械技术领域。申请包括平直段和左右对称的后掠，所述平直段和后掠均包括上缘铺层、腹板和下缘铺层；所述上缘铺层、腹板和下缘铺层均是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起进行铺层的，叠合的角度为0º、‑45º、+45º和90º。本申请提供了一种合理的复合材料转折梁的铺层形式，该铺层形式既能满足梁的力学性能，还能满足工艺的要求。
Description
技术领域
本申请涉及飞行器机翼机械技术领域，更具体地说涉及一种复合材料转折梁结构。
背景技术
飞机的重量影响着飞机的性能，无人机的结构重量控制越来越严，仅只占飞机总重的25%。为了满足结构重量的要求，复合材料在飞机上的运用就显得越来越突出。
梁是飞机翼面的重要纵向传力构件，参加传递翼面上的弯矩、扭矩和剪力等载荷。笔直复合材料梁的设计制造现在已经比较成熟，复合材料转折梁在转折处的铺层设计没有成功的先例。某复合材料转折梁长9100mm、高60～280mm，上下缘条外形是双曲面的马鞍形形式，梁截面为“Z”字形，上下缘条与腹板的夹角是变量，梁腹板转折两次，中部平直段和左右对称的后掠（9°）段组成，零件形状沿中轴（BL0）左右对称。
国家知识产权局于2015年4月29日，公开了一件公开号为CN204297055U，名称为“一种整体翼梁结构”的实用新型专利，该实用新型专利包括腹板(1)，连接区(2)，缘条(3)，过渡区(4)，所述翼梁结构是整体层压成形的，所述腹板(1)在根部和尖部方向通过连接区(2)与另一腹板(1)连接，所述缘条(3)在所述腹板(1)未与连接区(2)相连的两侧通过所述过渡区(4)与所述腹板(1)相连。本申请所具有的优点是承载和传载效率高、紧固件装配数量少、工艺简单、生产效率高的优点，同时使飞机翼梁结构的传力连续、直接，且通过腹板开孔的设计实现了盒段的装配和内部的检查，并在一定程度上实现了减重效果。
梁采用单向带碳纤维复合材料制造，各铺层在转折处均会产生缺口或重叠，必须进行剪口设计，剪口的角度和区域与梁的后掠角和缘条宽度有关，转折区的铺层、剪口对缝的处理复杂，还会影响到梁的力学性能。目前，腹板带有转折的零件一般都是采用碳布制造，而选用单向带碳纤维复合材料制造的转折类零件在国内还是空白。
发明内容
为克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本申请提供了一种复合材料转折梁结构，本申请的发明目的旨在于提供一种合理的复合材料转折梁的铺层形式，该铺层形式既能满足梁的力学性能，还能满足工艺的要求。
为了解决上述现有技术中的不足，本申请是通过下述技术方案实现的：
一种复合材料转折梁结构，其特征在于：包括平直段和左右对称的后掠，所述平直段和后掠均包括上缘铺层、腹板和下缘铺层；
所述上缘铺层是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起进行铺层，所述若干层单向带碳纤维复合材料叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；所述腹板是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起形成的腹板，叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；所述下缘铺层是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起形成的下缘铺层，叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º。
所述上缘铺层中至少包括10层以0º的叠合角度进行叠合的单向带碳纤维复合材料。
所述下缘铺层中至少包括10层以0º的叠合角度进行叠合的单向带碳纤维复合材料。
所述上缘铺层依次由一层-45º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层45º叠合的单向带碳纤维复合材料、三层0º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层45º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层90º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层-45º叠合的单向带碳纤维复合材料、两层0º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层45º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层90º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层-45º叠合的单向带碳纤维复合材料和一层0º叠合的单向带碳纤维复合材料叠层形成的上缘铺层。
与现有技术相比，本申请所带来的有益的技术效果表现在：
1、本申请采用复合材料设计转折梁结构，填补了国内用单向带碳纤维复合材料制造转折梁的空白，保证设计制造要求，使复合材料的设计水平大大提高。在本申请中，设腹板指向方向为X轴，Y轴与X轴垂直，且方向向下，本申请所述的叠合角度均是相对于X轴相对而言的，铺层参数是指复合材料转折梁上、下缘条和腹板的铺层角度和铺层顺序，+45表示单向带沿X轴逆时针旋转45°方向铺层，-45表示单向带沿X轴顺时针旋转45°方向铺层，0表示单向带沿X轴铺层，90表示单向带沿Y轴铺层。
2、复合材料转折梁采用是单向带碳纤维复合材料，载荷的传递绝大部分由碳纤维承担。在进行铺层设计时，铺层角度的选取必须最大程度上利于载荷的传递，同时利于控制制造过程中制件的变形量。因此复合材料转折梁铺层设计选择了90°、0°、±45°三种铺层角度。另外复合材料转折梁属于飞机机翼上的构件，参与传递机翼上的载荷（包括弯矩、剪力、扭矩），0°方向主要传递弯矩，90°方向主要传递剪力，±45°主要传递扭矩。因此，进行复合材料转折梁的铺层设计时，三种铺层角度缺一不可。
3、某一层+45°或者-45°的铺层形式，撕开处理时范围和面积的确定是以单向带的纤维不发生褶皱，单向带上的每根纤维均与贴模面自然贴合，顺着纤维的方向进行铺层为前提；剪口（拼缝）的位置时单向带在铺叠时发生重叠的位置。
4、从上缘铺层的铺层参数可以看出，里面有近10层的0°层，在铺层中所占的比例较大（达50%），这些0°层在梁轴线转折处需要设计剪口。在相同的坐标基准下铺叠时，剪口定会出现在同一位置。如果10层的0°层在同一位置出现剪口，会对梁的承载能力产生很大的削弱。因此，需要调整每层的铺叠坐标基准，来改变剪口的位置。设计时，对相邻、相近0°层的差异化铺叠、铺叠方式、拼接方法进行详细的规定。
附图说明
图1为本申请整体结构示意图；
图2为本申请实施例3中上缘铺层的铺层参数图；
图3为本申请平直段和后掠接头处的结构示意图；
附图标记：1、平直段，2、后掠，3、上缘铺层，4腹板，5下缘铺层。
具体实施方式
实施例1
作为本申请一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：
一种复合材料转折梁结构，包括平直段和左右对称的后掠，所述平直段和后掠均包括上缘铺层、腹板和下缘铺层；
所述上缘铺层是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起进行上缘铺层，所述若干层单向带碳纤维复合材料叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；所述腹板是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起形成的腹板，叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；所述下缘铺层是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起形成的下缘铺层，叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º。
实施例2
作为本申请又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：
一种复合材料转折梁结构，包括平直段和左右对称的后掠，所述平直段和后掠均包括上缘铺层、腹板和下缘铺层；
所述上缘铺层是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起进行上缘铺层，所述若干层单向带碳纤维复合材料叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；所述腹板是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起形成的腹板，叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；所述下缘铺层是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起形成的下缘铺层，叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；
所述上缘铺层中至少包括10层以0º的叠合角度进行叠合的单向带碳纤维复合材料。
实施例3
作为本申请又一较佳实施例，参照说明书附图2，本实施例公开了：
一种复合材料转折梁结构，包括平直段和左右对称的后掠，所述平直段和后掠均包括上缘铺层、腹板和下缘铺层；
所述上缘铺层是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起进行上缘铺层，所述若干层单向带碳纤维复合材料叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；所述腹板是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起形成的腹板，叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；所述下缘铺层是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起形成的下缘铺层，叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；
所述上缘铺层中至少包括10层以0º的叠合角度进行叠合的单向带碳纤维复合材料；所述上缘铺层依次由一层-45º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层45º叠合的单向带碳纤维复合材料、三层0º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层45º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层90º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层-45º叠合的单向带碳纤维复合材料、两层0º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层45º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层90º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层-45º叠合的单向带碳纤维复合材料和一层0º叠合的单向带碳纤维复合材料叠层形成的上缘铺层。
实施例4
作为本申请又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：
一种复合材料转折梁结构，包括平直段和左右对称的后掠，所述平直段和后掠均包括上缘铺层、腹板和下缘铺层；
所述上缘铺层是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起进行上缘铺层，所述若干层单向带碳纤维复合材料叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；所述腹板是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起形成的腹板，叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；所述下缘铺层是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起形成的下缘铺层，叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；
所述上缘铺层中至少包括10层以0º的叠合角度进行叠合的单向带碳纤维复合材料；所述下缘铺层中至少包括10层以0º的叠合角度进行叠合的单向带碳纤维复合材料。
实施例5
一种复合材料转折梁结构，包括平直段和左右对称的后掠，所述平直段和后掠均包括上缘铺层、腹板和下缘铺层；
所述上缘铺层是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起进行上缘铺层，所述若干层单向带碳纤维复合材料叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；所述腹板是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起形成的腹板，叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；所述下缘铺层是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起形成的下缘铺层，叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；
所述上缘铺层中至少包括10层以0º的叠合角度进行叠合的单向带碳纤维复合材料；所述下缘铺层中至少包括10层以0º的叠合角度进行叠合的单向带碳纤维复合材料；
所述上缘铺层和下缘铺层均依次由一层-45º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层45º叠合的单向带碳纤维复合材料、三层0º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层45º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层90º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层-45º叠合的单向带碳纤维复合材料、两层0º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层45º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层90º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层-45º叠合的单向带碳纤维复合材料和一层0º叠合的单向带碳纤维复合材料叠层形成的上缘铺层和下缘铺层。
Claims (4)
1.一种复合材料转折梁结构，其特征在于：包括平直段和左右对称的后掠，所述平直段和后掠均包括上缘铺层、腹板和下缘铺层；
所述上缘铺层是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起进行上缘铺层，所述若干层单向带碳纤维复合材料叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；所述腹板是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起形成的腹板，叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º；所述下缘铺层是由若干层单向带碳纤维复合材料叠合在一起形成的下缘铺层，叠合的角度为0º、-45º、+45º和90º。
2.如权利要求1所述的一种复合材料转折梁结构，其特征在于：所述上缘铺层中至少包括10层以0º的叠合角度进行叠合的单向带碳纤维复合材料。
3.如权利要求1或2所述的一种复合材料转折梁结构，其特征在于：所述下缘铺层中至少包括10层以0º的叠合角度进行叠合的单向带碳纤维复合材料。
4.如权利要求1或2所述的一种复合材料转折梁结构，其特征在于：所述上缘铺层依次由一层-45º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层45º叠合的单向带碳纤维复合材料、三层0º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层45º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层90º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层-45º叠合的单向带碳纤维复合材料、两层0º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层45º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层90º叠合的单向带碳纤维复合材料、一层-45º叠合的单向带碳纤维复合材料和一层0º叠合的单向带碳纤维复合材料叠层形成的上缘铺层。
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