CN112173062A - 一种复合材料一体化框梁及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于飞行器结构设计技术领域，公开了一种复合材料一体化框梁及制造方法，一体化框梁整体为十字型结构，十字型结构的一个方向为X方向，另一个方向为Y方向；所述一体化框梁述包括：上十字铺层、中间十字型铺层、下十字铺层；其中，中间十字型铺层包含X方向截面为工型的铺层和Y方向截面为工型的铺层；X方向截面为工型的铺层包含两个C型截面的连续复材织物，Y方向截面为工型的铺层为不连续复材织物，且包含左半部分铺层和右半部分铺层；左半部分铺层、右半部分铺层均由两个C型截面的连续复材织物组成。在交汇区使用缝纫工艺。该一体化框梁能够实现一体化成型，且能避免分层、保证强度。

Description

一种复合材料一体化框梁及制造方法
技术领域
本发明属于飞行器结构设计技术领域，具体涉及一种复合材料一体化框梁及制造方法。
背景技术
当前，飞行器的框和梁(垂直于航向的称为框，平行于航向的称为梁)都是分开制造，然后使用连接件拼接。这样做连接件重量代价大，且对于复材框梁来说，连接处安全隐患大。把框和梁做成一体，将会减轻重量、提高性能。
如果是金属框梁一体化成型，制造非常困难。而如果用现有的方法进行复材框梁一体化成型，不仅制造困难，而且还有分层风险，强度无法保证。但是，复合材料框梁一体化有着巨大吸引力，首先是复材框梁本身就能比金属框梁更轻；其次是省去了连接件的重量。
发明内容
本发明提供了一种复合材料一体化框梁及制造方法，能够实现一体化成型，且能避免分层、保证强度。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
技术方案一：
一种复合材料一体化框梁，一体化框梁整体为十字型结构，十字型结构的一个方向为X方向，另一个方向为Y方向；
所述一体化框梁述包括：上十字铺层、中间十字型铺层、下十字铺层；
其中，中间十字型铺层包含X方向截面为工型的铺层和Y方向截面为工型的铺层；X方向截面为工型的铺层包含两个C型截面的连续复材织物，Y方向截面为工型的铺层为不连续复材织物，且包含左半部分铺层和右半部分铺层；左半部分铺层、右半部分铺层均由两个C型截面的连续复材织物组成。在交汇区使用缝纫工艺。
(1)所述左半部分铺层和右半部分铺层的交汇处在Y方向和X方向分别进行缝合；且Y方向的缝合面积大于X方向的缝合面积。
(2)所述上十字铺层、所述中间十字型铺层、所述下十字铺层分别由多层复材织物堆叠而成。
(3)所述一体化框梁的截面为工字型结构，且工字型截面的中间一竖记为腹板，工字型截面的上下两横记为凸缘；
腹板上与凸缘接触的部分的厚度与凸缘厚度的厚度差不超过预设值。
(4)一体化框梁的十字型结构的交汇处设置有四个倒角。
技术方案二：
一种复合材料一体化框梁的制造方法，所述制造工艺用于制造技术方案一中所述的一体化框梁，所述制造方法包括：
S1，从一整块复材织物上切割出十字形铺层，多个十字形铺层堆叠成上十字铺层，多个十字形铺层堆叠成下十字铺层；
S2，多个C型截面的连续复材织物背靠背堆叠成X方向截面为工型的铺层；
S3，多个C型截面的连续复材织物背靠背堆叠成所述Y方向截面为工型的左半部分铺层，多个C型截面的连续复材织物背靠背堆叠成所述Y方向截面为工型的右半部分铺层；
S4，将所述Y方向截面为工型的左半部分铺层、所述Y方向截面为工型的右半部分铺层铺设在X方向截面为工型的铺层的两侧并对齐；在X方向截面为工型的铺层、所述Y方向截面为工型的左半部分铺层、所述Y方向截面为工型的右半部分铺层的交汇处的Y方向和X方向分别进行缝合，从而得到中间十字型铺层；
S5，将所述上十字铺层、中间十字型铺层、下十字铺层依次堆叠在一起，使用RTM工艺固化，形成一体化框梁。
(1)所述Y方向截面为工型的左半部分铺层在交汇处的结构由弯折90°后的左底面铺层和两侧的折耳组成，且两侧的折耳弯折后位于左底面铺层上，记为左侧弯折后的折耳；所述Y方向截面为工型的右半部分铺层在交汇处的结构由弯折90°后的右底面铺层和两侧的折耳组成，且两侧的折耳弯折后位于右底面铺层上，记为右侧弯折后的折耳；
交汇区的腹板使用复合材料纤维进行缝合。Y方向缝合用的复材纤维需要穿透左底面铺层、左侧弯折后的折耳、X方向截面为工型的铺层、右底面铺层、右侧弯折后的折耳。X方向缝合用的复材纤维也需要穿透Y方向截面为工型的铺层
(2)所述一体化框梁整体为十字型结构，X方向用于受力较大的方向，Y方向用于受力较小的方向。
本发明技术方案设计了一种复合材料一体化框梁，能够实现一体化成型，且能避免分层；且本发明技术方案的一体化框梁通过合理的铺层设计、区分主次方向以及菱形交汇区、RTM缝合工艺，使得复合材料框梁一体化成型，减轻重量，减少零件数量，降低装配难度。
附图说明
图1是成型完毕后的示意图；
图2是上(或下)十字铺层；
图3是中间十字铺层的X方向的一半；
图4是中间十字铺层的X方向；
图5是中间十字铺层的Y方向的左半部分折叠前的形状；
图6是中间十字铺层的Y方向的左半部分的折叠后的形状(一半)；
图7是中间十字铺层的Y方向的左半部分；
图8是图4所示部分与图5所示部分的拼接状态；
图9是中间十字铺层的状态；
图10是在交汇区进行缝纫的示意图；
其中，1-交汇区，2-交汇区的倒角，3-凸缘，4-腹板。
具体实施方式
本发明实施例提供一种复合材料一体化框梁，如图1所示，所述一体化框梁整体为十字型结构，十字型结构的一个方向为X方向，另一个方向为Y方向；
所述一体化框梁述包括：上十字铺层、中间十字型铺层、下十字铺层；
其中，中间十字型铺层包含X方向截面为工型的铺层和Y方向截面为工型的铺层；X方向截面为工型的铺层包含两个C型截面的连续复材织物，Y方向截面为工型的铺层为不连续复材织物，且包含左半部分铺层和右半部分铺层；左半部分铺层、右半部分铺层均由两个C型截面的连续复材织物组成。在交汇区使用缝纫工艺。
具体的，
(1)所述左半部分铺层和右半部分铺层的交汇处在Y方向和X方向分别进行缝合；且Y方向的缝合面积大于X方向的缝合面积。
(2)所述上十字铺层、所述中间十字型铺层、所述下十字铺层分别由多层复材织物堆叠而成。
(3)所述一体化框梁的截面为工字型结构，且工字型截面的中间一竖记为腹板，工字型截面的上下两横记为凸缘；
腹板上与凸缘接触的部分的厚度与凸缘厚度的厚度差不超过预设值。
(4)一体化框梁的十字型结构的交汇处设置有四个倒角。
本发明实施例还提供一种复合材料一体化框梁的制造方法，所述制造工艺用于制造技术方案一中所述的一体化框梁，所述制造方法包括：
S1，从一整块复材织物上切割出十字形铺层，多个十字形铺层堆叠成上十字铺层，多个十字形铺层堆叠成下十字铺层；
S2，多个C型截面的连续复材织物背靠背堆叠成X方向截面为工型的铺层；
S3，多个C型截面的连续复材织物背靠背堆叠成所述Y方向截面为工型的左半部分铺层，多个C型截面的连续复材织物背靠背堆叠成所述Y方向截面为工型的右半部分铺层；
S4，将所述Y方向截面为工型的左半部分铺层、所述Y方向截面为工型的右半部分铺层铺设在X方向截面为工型的铺层的两侧并对齐；在X方向截面为工型的铺层、所述Y方向截面为工型的左半部分铺层、所述Y方向截面为工型的右半部分铺层的交汇处的Y方向和X方向分别进行缝合，从而得到中间十字型铺层；
S5，将所述上十字铺层、中间十字型铺层、下十字铺层依次堆叠在一起，使用RTM工艺固化，形成一体化框梁。
(1)所述Y方向截面为工型的左半部分铺层在交汇处的结构由弯折90°后的左底面铺层和两侧的折耳组成，且两侧的折耳弯折后位于左底面铺层上，记为左侧弯折后的折耳；所述Y方向截面为工型的右半部分铺层在交汇处的结构由弯折90°后的右底面铺层和两侧的折耳组成，且两侧的折耳弯折后位于右底面铺层上，记为右侧弯折后的折耳；
交汇区的腹板使用复合材料纤维进行缝合。Y方向缝合用的复材纤维需要穿透左底面铺层、左侧弯折后的折耳、X方向截面为工型的铺层、右底面铺层、右侧弯折后的折耳。X方向缝合用的复材纤维也需要穿透Y方向截面为工型的铺层
(2)所述一体化框梁整体为十字型结构，X方向用于受力较大的方向，Y方向用于受力较小的方向。
具体的，所述一种复合材料一体化框梁的制造方法可在RTM工艺(树脂传模塑成型)下进行，但不局限于RTM工艺。
把完整的复材织物裁成图2所示的形状，多层堆叠形成上(或下)十字铺层。(如果复材织物面积不够，可以在远离交汇区的部位进行阶梯拼接。)
把完整的复材织物剪裁并折叠成图3所示的形状，多层堆叠然后背靠背放置形成图4的形状。(如果复材织物面积不够，可以在远离交汇区的部位进行阶梯拼接。)
把完整的复材织物剪裁成图5所示的形状，并折叠成图6所示的形状，多层堆叠然后背靠背放置形成图7的形状。
把图7与图4对接，形成图8所示的形状。另一侧以相同方式对接，形成图9所示形状。
交汇区的腹板使用复合材料纤维进行缝合，缝合需穿透相应面的所有铺层。如图10示意。
把图2所示的上下十字铺层覆盖在缝合后的中间十字铺层上方和下方，然后使用RTM工艺注入树脂、固化成型。最终形成图1所示的连续整体。
在实际使用中，根据具体需求，把X方向用作受拉力更大的方向，把Y方向用作受拉力更小的方向。
本发明技术方案设计了一种复合材料一体化框梁，能够实现一体化成型，且能避免分层；且本发明技术方案的一体化框梁通过合理的铺层设计、区分主次方向以及菱形交汇区、RTM缝合工艺，使得复合材料框梁一体化成型，减轻重量，减少零件数量，降低装配难度。

Claims (8)

1.一种复合材料一体化框梁，其特征在于，一体化框梁整体为十字型结构，十字型结构的一个方向为X方向，另一个方向为Y方向；
所述一体化框梁述包括：上十字铺层、中间十字型铺层、下十字铺层；
其中，中间十字型铺层包含X方向截面为工型的铺层和Y方向截面为工型的铺层；X方向截面为工型的铺层包含两个C型截面的连续复材织物，Y方向截面为工型的铺层为不连续复材织物，且包含左半部分铺层和右半部分铺层；左半部分铺层、右半部分铺层均由两个C型截面的连续复材织物组成。在交汇区使用缝纫工艺。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料一体化框梁，其特征在于，所述左半部分铺层和右半部分铺层的交汇处在Y方向和X方向分别进行缝合；且Y方向的缝合面积大于X方向的缝合面积。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料一体化框梁，其特征在于，所述上十字铺层、所述中间十字型铺层、所述下十字铺层分别由多层复材织物堆叠而成。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料一体化框梁，其特征在于，所述一体化框梁的截面为工字型结构，且工字型截面的中间一竖记为腹板，工字型截面的上下两横记为凸缘；
腹板上与凸缘接触的部分的厚度与凸缘厚度的厚度差不超过预设值。
5.根据权利要求1所述的一种复合材料一体化框梁，其特征在于，一体化框梁的十字型结构的交汇处设置有四个倒角。
6.一种复合材料一体化框梁的制造方法，其特征在于，所述制造工艺用于制造如权利要求1-5中任一项所述的一体化框梁，所述制造方法包括：
S1，从一整块复材织物上切割出十字形铺层，多个十字形铺层堆叠成上十字铺层，多个十字形铺层堆叠成下十字铺层；
S2，多个C型截面的连续复材织物背靠背堆叠成X方向截面为工型的铺层；
S3，多个C型截面的连续复材织物背靠背堆叠成所述Y方向截面为工型的左半部分铺层，多个C型截面的连续复材织物背靠背堆叠成所述Y方向截面为工型的右半部分铺层；
S4，将所述Y方向截面为工型的左半部分铺层、所述Y方向截面为工型的右半部分铺层铺设在X方向截面为工型的铺层的两侧并对齐；在X方向截面为工型的铺层、所述Y方向截面为工型的左半部分铺层、所述Y方向截面为工型的右半部分铺层的交汇处的Y方向和X方向分别进行缝合，从而得到中间十字型铺层；
S5，将所述上十字铺层、中间十字型铺层、下十字铺层依次堆叠在一起，使用RTM工艺固化，形成一体化框梁。
7.根据权利要求6所述一种复合材料一体化框梁的制造方法，其特征在于，所述Y方向截面为工型的左半部分铺层在交汇处的结构由弯折90°后的左底面铺层和两侧的折耳组成，且两侧的折耳弯折后位于左底面铺层上，记为左侧弯折后的折耳；所述Y方向截面为工型的右半部分铺层在交汇处的结构由弯折90°后的右底面铺层和两侧的折耳组成，且两侧的折耳弯折后位于右底面铺层上，记为右侧弯折后的折耳；
交汇区的腹板使用复合材料纤维进行缝合。Y方向缝合用的复材纤维需要穿透左底面铺层、左侧弯折后的折耳、X方向截面为工型的铺层、右底面铺层、右侧弯折后的折耳。X方向缝合用的复材纤维也需要穿透Y方向截面为工型的铺层。
8.根据权利要求6所述的一种复合材料一体化框梁，其特征在于，所述一体化框梁整体为十字型结构，X方向用于受力较大的方向，Y方向用于受力较小的方向。
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