CN112208787A - 复合材料长桁圆角过渡区结构及复合材料加筋壁板 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合材料长桁圆角过渡区结构及复合材料加筋壁板，属于航空制造领域。该长桁圆角过渡区结构包括蒙皮外侧铺层，位于长桁圆角过渡区结构一侧；蒙皮中间铺层，位于蒙皮外侧铺层上部；长桁铺层，位于蒙皮中间铺层上部，呈U型或T型布置；长桁插层，插入长桁铺层之间，包括多层不同长度插层，通过设置插层在不同长度终止，使得长桁铺层在圆角过渡区始终按光滑的函数曲线过渡；捻子条填充区，由两侧的长桁铺层在圆角过渡区构成。本申请涉及结构可以有效解决一般长桁圆角过渡区域存在的插层质量不高等问题，所提出的结构适用于多种U型/T型长桁插层数量，提高了复合材料U型/T型长桁结构铺层质量。

Description

复合材料长桁圆角过渡区结构及复合材料加筋壁板

技术领域

本发明属于航空制造领域，具体涉及一种复合材料长桁圆角过渡区结构及复合材料加筋壁板。

背景技术

国内目前对于复合材料加筋壁板结构还主要以T型长桁加筋壁板和Ω形长桁加筋壁板这两种构型为主，对于U型加筋壁板构型还没有太多的应用实例，目前航空领域中某些大型客机方向舵等部件上采用U型加筋壁板构型。U型长桁加筋壁板结构构型主要包括蒙皮壁板、U型长桁两部分，U型长桁的底部铺层与蒙皮基本层固化后形成加筋壁板的蒙皮结构，两个U型长桁的缘条区域固化后形成加筋壁板上的壁板筋条，长桁对接的局部区域增加捻子条填充间隙，其构型如图1所示，图中结构包括1-蒙皮铺层、2-长桁铺层、3-长桁缘条插层、4-捻子条填充区、5圆角过渡区。

为了提高U型长桁的刚度，不可避免的要在长桁腹板中间增加一系列插层，如所示(U型壁板示意图)。插层数量通常为4～8层。与T型长桁的插层区结构和成型方案类似，现有的U型长桁圆角插层过渡区结构主要包括以下3种，如图2～图4所示。图中结构包括1-蒙皮铺层、2-长桁铺层、3-蒙皮中间插层、4-捻子条填充区、5-长桁腹板插层、6-长桁铺成圆角处圆心。

现有技术中主要采用的方式包括：

方式一：“U”型长桁插层延伸到圆角区内部直至蒙皮铺层，插层始终与蒙皮铺层保持垂直。此插层区结构方式将长桁圆角区分为独立的2部分，需要2根捻子条。优点是减小了圆角区捻子条的大小，并分为了2个独立的捻子条，有利于提高圆角区的力学性能；缺点是插层与蒙皮铺层之间的距离不容易控制(例如蒙皮丢层区)，且圆角区插层容易褶皱(特别是插层数量少、刚度差的情况下)，每个圆角2根捻子条也一定程度上增加了工艺复杂度。

方式一插层方式，成型过程中R区插层容易变形，造成R区质量较差。如图5所示，为第一中插层方式成型后截面图。

方式二：“U”型长桁插层不延伸到圆角区内部，在长桁圆角区开始处截止，圆角区内填充1根捻子条。此插层过渡区结构方式在长桁R区留有较大的空间，优点是长桁插层不容易褶皱，缺点是在圆角区留有较大的空间，需要在圆角区添加较大的捻子条影响U型长桁结构的力学性能。

方式二插层方式，本方案插层方式R区区域较大，在成型过程中，R区较容易变形，成型后R区质量较差。

方式三：“U”型长桁插层延伸到圆角区内部直至蒙皮铺层，插层进入圆角区后与左、右长桁圆角贴合(不再垂直于蒙皮铺层)，沿圆角弧度向蒙皮铺层延伸。圆角区填充1根捻子条。此插层区结构方案的优点是控制了圆角区捻子条的大小，且插层与圆角区贴合不易发生褶皱，有利于提高圆角区的力学性能，且每个圆角区只需要1根捻子条，减少工艺难度；缺点是较难控制插层的长度(例如蒙皮丢层区)，插层长度设计不当或工艺精度达不到设计要求会对圆角区质量产生影响。

方式三插层方式，成型过程中R区插层容易变形，造成R区质量较差。

发明内容

为了克服以上问题，本申请提供一种复合材料长桁圆角过渡区结构及复合材料加筋壁板，涉及复合材料U型长桁圆角插层的方式，以及插层长度计算方法，本申请涉及结构可以有效解决一般长桁圆角过渡区域存在的插层质量不高等问题，所提出的结构适用于多种U型/T型长桁插层数量，提高了复合材料U型/T型长桁结构铺层质量。

根据本发明的第一方面，提供一种复合材料长桁圆角过渡区结构，其中，包括：

蒙皮外侧铺层，位于长桁圆角过渡区结构一侧；

蒙皮中间铺层，位于蒙皮外侧铺层上部；

多层长桁铺层，位于蒙皮中间铺层上部，呈U型或T型布置；

长桁插层，插入多层长桁铺层之间，包括多层不同长度插层，通过设置插层在不同长度终止，使得多层长桁铺层在圆角过渡区始终按光滑的函数曲线过渡；

捻子条填充区，由两侧的多层长桁铺层在圆角过渡区构成。

进一步的，所述多层长桁铺层包括：

插层内侧长桁铺层，位于蒙皮中间铺层上部，呈U型或T型布置，且在圆角过渡区按一定函数曲线分布；

插层外侧长桁铺层，位于插层内侧长桁铺层上部，呈U型或T型布置，且在圆角过渡区构成1/4圆弧。

进一步的，所述长桁插层包括集合在一起的多层不同长度统一厚度的插层。

进一步的，从插层外侧长桁铺层至插层内层长桁铺层方向上，所述集合在一起的多层不同长度统一厚度的插层包括N层不同长度统一厚度的插层，分别为第一长桁插层、第二长桁插层……第i长桁插层……第N长桁插层，所述第i长桁插层长度终止点处，插层外侧长桁铺层和插层内层长桁铺层的距离h(θ)取值范围为：h(θ)＝0.70×(N+1-i)t～0.95×(N+1-i)t，其中，t为插层厚度，N为正整数且取值范围为1≤N≤10。

进一步的，所述长桁插层包括多个插层组，每个插层组包括多层不同长度统一厚度的插层，从多层长桁铺层外侧至内侧方向上，多个插层组与多层长桁铺层间隔分布。

进一步的，从多层长桁铺层外侧至内侧方向上，每个插层组包括N层不同长度统一厚度的插层，分别为第一长桁插层、第二长桁插层……第i长桁插层……第N长桁插层，所述第i长桁插层长度终止点处，插层外侧长桁铺层和插层内层长桁铺层的距离h(θ)取值范围为：h(θ)＝0.70×(N+1-i)t～0.95×(N+1-i)t，其中，t为插层厚度，N为正整数且取值范围为1≤N≤10。

进一步的，所述长桁插层包括多个不同长度统一厚度的插层，从多层长桁铺层外侧至内侧方向上，多个插层与多层长桁铺层间隔分布。

进一步的，从多层长桁铺层外侧至内侧方向上，所述多个不同长度统一厚度的插层包括N层不同长度统一厚度的插层，分别为第一长桁插层、第二长桁插层……第i长桁插层……第N长桁插层，所述第i长桁插层长度终止点处，插层外侧长桁铺层和插层内层长桁铺层的距离h(θ)取值范围为：h(θ)＝0.70×(N+1-i)t～0.95×(N+1-i)t，其中，t为插层厚度，N为正整数且取值范围为1≤N≤10。

这里，“多层长桁铺层内侧”意指多层长桁铺层靠近捻子条填充区的一侧，“多层长桁铺层外侧”意指多层长桁铺层远离捻子条填充区的一侧。

进一步的，所述插层外侧长桁铺层厚度为1～10层。

进一步的，所述插层内层长桁铺层厚度为1～10层。

进一步的，插层内侧长桁铺层和插层外侧长桁铺层的组合铺层与蒙皮外侧铺层对称。

进一步的，蒙皮中间铺层厚度为1～20层。

根据本发明的第二方面，提供一种复合材料加筋壁板，其中，所述复合材料加筋壁板包括如前述任一方面所述的长桁圆角过渡区结构。

本发明的有益效果：

1.复合材料U型长桁腹板插层铺贴于长桁腹板铺层中间，有效保证了带插层U型长桁圆角过渡区域成型质量，防止出现插层褶皱、孔隙缺陷等问题。

2.本方案将腹板插层分为多部分，对称长桁腹板中心线铺于各腹板铺层中间，有效解决了复合材料U型长桁圆角区成型质量不高的问题。

3.本方案给出了计算长桁腹板插层长度计算方法，为本构型插层长度设计提供了简单方便的计算方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1示出现有技术中U型加筋壁板构型示例。

图2-4示出现有技术中常用U型长桁圆角插层过渡区结构示例。

图5示出现有技术中方式一插层方式成型后长桁R区截面。

图6示出根据本发明一种实施例的复合材料U型长桁圆角插层过渡区结构1。

图7示出根据本发明另一种实施例的复合材料U型长桁圆角插层过渡区结构2。

图8示出根据本发明实施例的长桁圆角铺层曲线示意图。

图9示出根据本发明实施例的长桁圆角铺层曲线坐标系转化。

图10示出根据本发明实施例的长桁圆角铺层曲线示意图。

图11示出根据本发明实施例的长桁铺层曲线转化图。

图12示出根据本发明实施例的其他插层方式1。

图13示出根据本发明实施例的其他插层方式2。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本公开的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

多个，包括两个或者两个以上。

和/或，应当理解，对于本公开中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

实施例1

以长桁腹板铺层数12层，腹板插层分别为4层、8层为例，插层分左右对称两部分插在腹板铺层中间，如图6、图7所示。

复合材料U型长桁圆角插层过渡区结构主要包括1-蒙皮外侧铺层、3-蒙皮中间铺层、2-插层外侧长桁铺层、6-插层内侧长桁铺层、5-长桁插层、4-捻子条填充区。插层外侧长桁铺层(2)为1～10层，插层内层长桁铺层(6)为1～10层，且2、6构成的组合铺层与蒙皮外侧铺层(1)对称。蒙皮中间铺层(3)位于蒙皮外侧铺层(1)和插层内侧长桁铺层(6)之间，厚度为1～20层。长桁插层(5)位于外侧长桁铺层(2)和内层长桁铺层(6)之间，厚度为1～20层。插层外侧长桁铺层(2)构成U型，且在圆角过渡区以点(7)为圆心构成1/4圆弧。插层内层长桁铺层(6)构成U型，且在圆角过渡区按一定函数曲线分布。长桁插层(5)在圆角过渡区各铺层分别按一定长度终止，目的是保证内层长桁插层(6)按光滑的函数曲线过渡。两侧的插层内侧长桁铺层(6)在圆角过渡区构成捻子条填充区(4)，在(4)中填充捻子条。

如图6所示，由于长桁插层在腹板插层中间，需理论计算长桁插层的长度，为实际工艺提供设计基准，以保证插层在U型长桁圆角区域填充完全，进而保证成型后的长桁圆角区域质量。

未受插层影响的长桁铺层，在圆角区的二维形状为1/4圆；增加插层后，长桁铺层在圆角区满足给定的数学曲线分布，例如三次样条曲线分布。以长桁腹板插4层为例，长桁插层长度理论计算方法如下：

设长桁铺层在长桁截面上为一条曲线s(x)。如图8所示，以长桁铺层第二层圆角底端为原点，沿图中x、y建立局部坐标系，其中x轴垂直于腹板方向，y平行于腹板方向，长桁铺层第二层下边缘曲线为s1(x)，第三层上边缘曲线为s2(x)。

根据三次样条差值方法可求解出s1(x),s2(x)方程，s1(x),s2(x)曲线间间距近似认为等于同一偏转角度下两条曲线到原点o的距离之差，为计算简便可将图7中坐标系转化为极坐标系下，如图9所示，s1(θ)＝s1(x)，s2(θ)＝s2(x)，h(θ)为两个曲线间距，并满足：

4.h(θ)＝s2(θ)-s1(θ)

由于s1(θ)，s2(θ)间距越来越小，理论上插层1截止位置为s1(θ)＝t(t为插层厚度)处，插层2截止位置为s2(θ)＝2t处，考虑实际制造情况，保证在插层和长桁铺层不留间隙，取插层1截止位置为h(θ)＝0.70×2t～0.95×2t间，取插层2截止位置为h(θ)＝0.70t～0.95t间。

实施例2

以长桁铺层4层、插层4层，铺层厚度为2mm的U型长桁为例。在U型长桁圆角插层区建立坐标系如图10所示。

由图10可知，插层区域上边界曲线为s2(x)，下边界为s1(x)，且下边界为以原点为圆心，半径为3mm的1/4圆弧。s1(x)＝s1(θ)，s2(x)＝s2(θ)，插层区域在θ角度下的间距记为h(θ)。

令：

M_i＝s″(x_i)(i＝0,1,...,n) (1)

由于s(x)在子区间[x_i-1,xi]上的表达式是次数不高于3的代数多项式，所以s′(x)在该区间上式线性函数，并且有：

其中h_i＝x_i-x_i-1。将等式(2)积分两次，得到：

利用差值条件

定出积分常数c₁和c₂，然后代入式(3)并整理，得到：

只要能把M_i(i＝1,2,...,n)求出来，所求的三次样条差值函数s(x)在各个子区间上的表达式就由公式(4)确定。为了求M_i，需要利用s′(x)在各个内节点x_i(i＝1,2,...,n-1)处连续的条件。由式(4)得：

由式(5)可知：

因s′(x)在x_i处连续，故应有：

s′(x_i ^-)＝s′(x_i ⁺)(i＝1,2,...,n-1)

由此得到n-1个方程(称为三弯矩方程)

γ_iM_i-1+2M_i+α_iM_i+1＝β_i(i＝1,2,...,n-1) (6)

其中：

γ_i＝1-α_i

式(6)是关于位置数M₀,M₁,...,M_n的线性方程组，要唯一确定这n+1个未知数须增加两个方程。

对于U型长桁腹板铺层截面曲线，在圆角过渡区域满足曲线s(x)满足如下条件：

s′(x₀)＝y′₀，s′(x_n)＝y′_n

由公式(5)可得到如下两个方程

经过整理，这两个方程可分别写成如下形式：

α₀＝1,

γ_n＝1,

由以上公式得到的关于M₀,M₁,...,M_n的线性方程组形式如下：

由于图一建立曲线在y＝0时曲线切线导数为无穷大，为使计算更加方便，建立如图11所示等效坐标系，通过上述计算公式得到曲线s1(x),s2(x)图形如下。

已知s1(x)，s2(x)信息如下：

表1 s1(x)曲线信息

x	-2.1213	2.1213
			s1(x)	2.1213	2.1213
s1′(x)	1	-1

表2 s2(x)曲线信息

x	-2.4042	2.1213
			s2(x)	2.40412	2.1213
s2′(x)	1	-1

利用公式(4)以及公式(7)可得到s1(x)，s2(x)方程为：

s2(x)＝-0.0292(2.1213-x)³-0.0199(x+2.1213)³+1.0638(2.1213-x)+0.5331(x+2.1213),(-2.1213≤x≤2.1213) (9)

设曲线s1(x)上的点在角度θ下距离原点距离为h1(θ)，曲线s2(x)上的点在角度θ下距离原点距离为h2(θ)，则曲线间距可表示为h(θ)＝h2(θ)-h1(θ)。

设x1、y1为曲线s1(θ)上的点，x2、y2为曲线s2(θ)上的点，则：

x1＝h1 cos(θ)，y1＝h1 sin(θ) (10)

x2＝h2 cos(θ)，y2＝h2 sin(θ) (11)

由于s1(x)＝s1(θ)，s2(x)＝s2(θ)，将(10)、(11)带入(8)、(9)中可得：

h1＝3

h2 sin(θ)＝-0.0292(2.1213-h2 cos(θ))³-0.0199(h2 cos(θ)+2.1213)³+1.0638(2.1213-h2 cos(θ))+0.5331(h2 cos(θ)+2.1213),(-2.1213≤h2 cos(θ)≤2.1213)

h(θ)＝h2(θ)-h1(θ)

取插层1截止位置为h(θ)＝0.70×2t～0.95×2t及h(θ)＝2.8mm～3.8mm间，取插层2截止位置为h(θ)＝0.70t～0.95t及h(θ)＝1.4mm～1.9mm间。

根据本专利构型，可设计出不同插层数量及位置U型长桁构型，在此给出其他几种不同的插层形式如图12、图13所示。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种复合材料长桁圆角过渡区结构，其特征在于，包括：

蒙皮外侧铺层，位于长桁圆角过渡区结构一侧；

蒙皮中间铺层，位于蒙皮外侧铺层上部；

多层长桁铺层，位于蒙皮中间铺层上部，呈U型或T型布置；

长桁插层，插入多层长桁铺层之间，包括多层不同长度的长桁插层，通过设置长桁插层在不同长度终止，使得多层长桁铺层在圆角过渡区始终按光滑的函数曲线过渡；

捻子条填充区，由两侧的多层长桁铺层在圆角过渡区构成。

2.根据权利要求1所述的复合材料长桁圆角过渡区结构，其特征在于，所述多层长桁铺层包括：

插层内侧长桁铺层，位于蒙皮中间铺层上部，呈U型或T型布置，且在圆角过渡区按一定函数曲线分布；

插层外侧长桁铺层，位于插层内侧长桁铺层上部，呈U型或T型布置，且在圆角过渡区构成1/4圆弧。

3.根据权利要求1所述的复合材料长桁圆角过渡区结构，其特征在于，所述长桁插层包括集合在一起的多层不同长度统一厚度的长桁插层。

4.根据权利要求3所述的复合材料长桁圆角过渡区结构，其特征在于，从插层外侧长桁铺层至插层内层长桁铺层方向上，所述集合在一起的多层不同长度统一厚度的长桁插层包括N层不同长度统一厚度的长桁插层，分别为第一长桁插层、第二长桁插层……第i长桁插层……第N长桁插层，所述第i长桁插层长度终止点处，插层外侧长桁铺层和插层内层长桁铺层的距离h(θ)取值范围为：h(θ)＝0.70×(N+1-i)t～0.95×(N+1-i)t，其中，t为长桁插层厚度，N为正整数且取值范围为1≤N≤10。

5.根据权利要求1所述的复合材料长桁圆角过渡区结构，其特征在于，所述长桁插层包括多个长桁插层组，每个长桁插层组包括多层不同长度统一厚度的长桁插层，从多层长桁铺层外侧至内侧方向上，多个长桁插层组与多层长桁铺层间隔分布。

6.根据权利要求5所述的复合材料长桁圆角过渡区结构，其特征在于，从多层长桁铺层外侧至内侧方向上，每个长桁插层组包括N层不同长度统一厚度的长桁插层，分别为第一长桁插层、第二长桁插层……第i长桁插层……第N长桁插层，所述第i长桁插层长度终止点处，插层外侧长桁铺层和插层内层长桁铺层的距离h(θ)取值范围为：h(θ)＝0.70×(N+1-i)t～0.95×(N+1-i)t，其中，t为长桁插层厚度，N为正整数且取值范围为1≤N≤10。

7.根据权利要求1所述的复合材料长桁圆角过渡区结构，其特征在于，所述长桁插层包括多个不同长度统一厚度的长桁插层，从多层长桁铺层外侧至内侧方向上，多个长桁插层与多层长桁铺层间隔分布。

8.根据权利要求7所述的复合材料长桁圆角过渡区结构，其特征在于，从多层长桁铺层外侧至内侧方向上，所述多个不同长度统一厚度的长桁插层包括N层不同长度统一厚度的长桁插层，分别为第一长桁插层、第二长桁插层……第i长桁插层……第N长桁插层，所述第i长桁插层长度终止点处，插层外侧长桁铺层和插层内层长桁铺层的距离h(θ)取值范围为：h(θ)＝0.70×(N+1-i)t～0.95×(N+1-i)t，其中，t为长桁插层厚度，N为正整数且取值范围为1≤N≤10。

9.根据权利要求1所述的复合材料长桁圆角过渡区结构，其特征在于，插层内侧长桁铺层和插层外侧长桁铺层的组合铺层与蒙皮外侧铺层对称。

10.一种复合材料加筋壁板，其中，所述复合材料加筋壁板包括根据权利要求1至9中任一项所述的长桁圆角过渡区结构。

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