CN113733596A - 一种复合材料轻质起落架机轮结构及其成型方式 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种复合材料轻质起落架机轮结构及其成型方式，采用碳纤维编织布‑树脂复合材料包舵盘网状PMI泡沫夹层与铜管形成轮毂；使用泡沫材质轮胎并在轮胎内侧铺设碳纤维复合材料做支撑环；轮毂外围复合材料外延并与轮胎固化。轮毂使用双阴模模压固化，轮毂与轮胎固化时采用单阴模模压固化。轮毂内部泡沫夹层起支撑维形作用，可以极大提高薄壁碳纤维轮毂的失稳系数。轮胎使用实心轻质弹性泡沫，起缓冲减震作用。本发明能在保证机轮达到光伏飞机使用需求的前提下，大大减小结构质量，提升飞机的性能。

Description

一种复合材料轻质起落架机轮结构及其成型方式
技术领域
本发明属于飞行器设计领域，涉及一种超轻型光伏飞机起落架轮的结构及其成型方式。
背景技术
光伏飞机完全依赖太阳能及储能电池飞行，然而现阶段储能电池比能量远小于化石燃料，且太阳光转化功率有限，这要求光伏飞机达到极小的结构质量密度以降低飞行功率、提高机翼面积以增加太阳能接受量。因此光伏飞机往往尺寸较大，但总质量相对很小；进而起落架轮虽需求尺寸较大，但承力需求相对很小，且要求重量尽可能小。常规飞机的机轮已无法应用于光伏飞机。若能发挥碳纤维复合材料比强度、比刚度高、可设计性好的特点，将为光伏飞机起落架轮结构提供重要解决方案。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种碳纤维复合材料起落架轮结构，并针对此结构提出了适应的成型方法，能在保证机轮达到光伏飞机使用需求的前提下，大大减小结构质量，提升飞机的性能。
本发明复合材料轻质起落架机轮结构成型方式，具体如下：
首先，成型左轮毂，并用相同方法成型右轮毂，成型方法为：
A、轮毂结构设计
轮毂结构为具有左、中、右三层结构；左侧与右侧为碳纤维布，中层为泡沫夹层；泡沫夹层设计为舵盘型结构；同时设计在轮毂中心位置具有同轴的金属管。
B、轮毂成型方式设计
轮毂的成型方式以整个轮毂纵截面分割的左侧半轮毂结构与右侧半轮毂结构单独成型后，进一步成型整个轮毂结构。其中，左侧半轮毂结构包括泡沫夹层左半部与左侧碳纤维布；右侧半轮毂结构包括泡沫夹层右半部与右侧碳纤维布。
C、轮毂成型所需模具设计
设计模具包括用于两侧轮毂成型的下模具与上模具；上模具与下模具上表面均具有与泡沫夹层结构尺寸相同的阴模部分，且阴模部分的中心孔内径设计为与金属管外径尺寸匹配。
D、步骤B中设计的左侧半轮毂与右侧半轮毂成型方式设计，具体为：
左半侧轮毂成型设计：
a、在下模具的上表面铺设所多张涂覆树脂的碳纤维布，使达到需求厚度。
b、将泡沫夹层左半部外侧面嵌入安装于下模具的阴模部分内，压紧碳纤维布。
c、将金属管插入中心孔内，与中心孔内壁碳纤维布成紧配合。
右侧半轮毂的成形设计与左半侧轮毂成型近似，将泡沫夹层右半部将右侧碳纤维布压紧于上模具内即可；由于左右两侧半轮毂共使用一个金属管，因此右侧半轮毂的成形过程中不具备步骤c中金属管的安装过程。
E、合模、模压固化过程实现整体轮毂成型。
首先，上模具与下模具上的中间夹层形状对称，完成合模；随后下模具与上模具加压力与加热，等待完成模压固化。
F、轮胎支撑环与轮胎间的成型设计。
首先设计轮胎为泡沫轮胎，轮胎内环表面铺设碳纤维布，形成内支撑环；
随后，将内支撑环两侧周向边缘向外侧翻边至泡沫轮胎内环侧部；并在内环侧部沿周向增铺适量碳纤维丝，使内环侧部沿径向碳纤维布厚度均匀。
最后，使用真空袋固化成形。
G、左轮毂、右轮毂与轮毂间的安装方式设计；
将左轮毂与右轮毂分别置于轮胎支撑环两侧，使轮毂外围的碳纤维布与轮胎支撑环周向接触，接触位置涂覆树脂胶粘剂，并施加压力以增强胶粘效果，直至完全固化。
本发明的优点在于:
1、本发明复合材料轻质起落架机轮结构，采用了薄壁碳纤维复合材料包裹PMI泡沫的高效承力结构，相比传统机轮，在重量上有显著优势。
2、本发明复合材料轻质起落架机轮结构及其成型方式，成型过程简单，充分发挥了碳纤维高比强度、高可设计性的特点，且成本低，特别适用于光伏飞机以及其他轻质无人飞行器。
3、本发明复合材料机轮结构的成型方式，使模具得到了充分而合理的利用，复合材料零件成型过程与装配固化过程共用了一套模具，降低了工艺复杂程度的同时，也使模具成本大大降低。
附图说明
图1为本发明复合材料轻质起落架机轮结构整体示意图；
图2为本发明复合材料轻质起落架机轮结构爆炸示意图；
图3为本发明复合材料轻质起落架机轮结构成型所用下模具结构示意图；
图4为本发明复合材料轻质起落架机轮结构半个轮毂的铺布方式分解图；
图5为本发明复合材料轻质起落架机轮结构成型所用上模具结构示意图；
轮毂合模示意图
图6为本发明复合材料轻质起落架机轮结构成型过程中单个轮毂合模示意图；
图7为本发明复合材料轻质起落架机轮结构成型后的单个轮毂示意图；
图8为本发明复合材料轻质起落架机轮结构中泡沫轮胎与其内支撑环固化
方式示意图；
图9为本发明复合材料轻质起落架机轮结构中轮毂-轮胎固化方式示意图。
图中：
1-左轮毂 2-右轮毂 3-轮胎支撑环
4-轮胎 5-碳纤维布 6-中间夹层
7-铜管 8-下模具 9-同轴校准模具
10-上模具 801-圆盘底座 802-阴模部分
803-中心孔 901-圆形凹槽 902-校准轴
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明复合材料轻质机轮结构，由左轮毂1、右轮毂2、轮胎支撑环3与轮胎4组成，如图1、图2所示。
所述左轮毂1与右轮毂2为结构尺寸相同的圆盘结构，具有左、中、右3层结构。左侧与右侧为碳纤维布5，碳纤维布5为薄壁结构，采用碳纤维编织布-树脂复合材料；中间为PMI泡沫夹层6。其中，中间夹层6结构如下：
中间夹层6为舵盘型结构，具有同心共面的外环与内环。内环与外环间周向等角度间隔设计有12根柱状内支撑梁，12根内支撑梁轴线均过内环与外环中心点，两端分别与内环和外环相接。外环外侧同样设计有12根外支撑梁，12根外支撑梁分别与12根内支撑梁同轴设置，内端与外环外侧相接。
上述中间夹层6左右两侧为碳纤维布5。两侧碳纤维布5在中间夹层6中相邻内支撑梁之间、相邻外支撑梁之间以及内环内侧的镂空部分处贴合，同时在两侧碳纤维布5上，位于内环内侧部分的中心位置开孔，用于插入铜管7。上述碳纤维布5主要起承力作用，由中间夹层6进行支撑与维形，一方面使中间夹层6两侧的碳纤维布5在内圈与外圈位置形成周向12个双半圆截面的支撑梁结构；另一方面限制了碳纤维布的面外变形，两方面均能有效防止碳纤维布失稳，进而充分发挥碳纤维的承力能力，有效减小结构质量。上述结构的左轮毂1与右轮毂2同轴设置于轮胎支撑环3内，分别位于轮胎支撑环3左右两侧，且中间夹层6的外支撑梁外端与轮胎支撑环3内壁周向相接。轮胎支撑环3外侧同轴套接轮胎。
本发明中左轮毂1与右轮毂2的成型方式相同，分别制作以整个轮毂纵截面分割的左侧半轮毂结构与右侧半轮毂结构，进一步制作整体轮毂结构。其中，左侧半轮毂结构包括中间夹层6左半部与左侧碳纤维布5；右侧半轮毂结构包括中间夹层6右半部与右侧碳纤维布5，下面对左侧半轮毂成形方式进行说明，具体方法如下：
步骤1：根据具体载荷大小，通过有限元法计算确定碳纤维布的铺设厚度，根据所需厚度将多张左侧碳纤维布5逐层涂覆树脂并铺覆于下模具8的上表面。在本发明结构设计下，峰值1000N的落震载荷大约需要0.6mm厚的碳纤维布；而标准碳纤维布规格一般为0.1mm或0.2mm一层，因此针对峰值1000N的落震载荷选择6张0.1mm厚碳纤维布5或3张0.2mm厚碳纤维布。如图3所示，下模具8具有圆盘底座801，圆盘底座801上设计有结构尺寸与中间夹层6左半部外表面轮廓匹配的阴模部分802，其中心孔803内径设计为与铜管7外径尺寸匹配大小，外支撑梁部分端部阴模部分802周向外壁相通。
步骤2：将中间夹层6左半部外侧面嵌入安装于下模具8的阴模部分802内，压紧左侧碳纤维布5，如图4所示。其中，左侧碳纤维布5径向尺寸需大于阴模径向尺寸，否则合模后左侧碳纤维布5尺寸不足将导致合模后无法完全覆盖中间夹层6左半部外侧面；且在左侧碳纤维布5压紧后，左侧碳纤维布5外缘具有超出阴模部分802外缘部分，多出部分作为轮胎支撑环连接部分，用于与轮胎支撑环3间的固化。同时每层碳纤维布5中心位置处进行径向切割，切割处翻边至圆形模具中心孔803内侧；由于单个平面向内环翻边后材料不能均匀覆盖曲面，因此每层碳纤维布的中心需以不同的角度切割并翻边，使中心孔803内侧处被均匀覆盖材料。
步骤3：将铜管7插入中心孔803内，铜管7与中心孔803内壁碳纤维布5成紧配合以保证固化效果。同时还需增铺少量碳纤维材料以填充中心孔803附近圆角与铜管7之间的空隙。
通过上述步骤完成左侧半轮毂结构的成形，右侧半轮毂的成形方式与前述左侧半轮毂成形方式相同，具体为：通过中间夹层6右半部将右侧碳纤维布5压紧于上模具10内。由于左右两侧半轮毂共使用一个铜管7，因此右侧半轮毂的成形过程中不具备步骤3中铜管7的安装过程；同时不具备后续铜管7校准过程，因此上模具10的结构中不具备用来与同轴校准模具9配合的圆形底盘底座，仅具有与下模具8中结构相同的阴模部分802，如图5所示。
在左侧半轮毂与右侧半轮毂均成形后，开始进行合模、模压固化过程，同时在其中合模过程中，由于没固化的碳纤维布-树脂复合材料还有一定流动性，因此引入校准过程以保证铜管7与轮毂同轴。具体过程为：
A、合模，同时通过同轴校准模具9实现同轴校准；
如图4所示，同轴校准模具9底面具有与下模具8的圆盘底座801配合插接的圆形凹槽901，凹槽901底面中心位置设计有与凹槽901底面垂直的校准轴902，校准轴902外径尺寸与铜管7内径尺寸匹配。将下模具8通过铜管7套于校准轴902上，且插入于凹槽901内，若铜管7与轮毂轴线不完全重合，在插入时会被校准轴掰正；同时将上模具10通过中心孔803套于校准轴902上，通过旋转上模具10，使上模具10与下模具8上的中间夹层6形状对称，完成合模，如图6所示。过程中通过校准轴可保证铜管7与轮毂间的同轴度。
B、根据树脂固化条件对下模具8与上模具10加压力与加热，等待完成模压固化，形成碳纤维壁板。
由于步骤1中碳纤维布5铺设时，外缘多出的轮胎支撑环连接部分位于模具压合范围外，需配合真空袋固化。至此完成单个轮毂的成型，如图7所示。
C、在下模具8上对经固化后的轮毂进行修正，裁去不需要的多余碳纤维壁板。
所述轮胎支撑环3的成形方式如下：
1、首先将碳纤维布5涂覆树脂后沿周向逐层铺设于泡沫材料轮胎4内环表面，铺设厚度与半片单侧碳纤维布的铺设厚度相等，形成内支撑环。所述轮胎4为硬度80以上的EVA泡沫发泡成型轮胎。
2、将内支撑环两侧周向边缘向外侧翻边至泡沫轮胎内环侧部(轮胎4内环与侧壁度部分)，如图8所示；由于平面翻边后不能完全覆盖表面，故每层碳纤维布5需控制翻边后的材料覆盖范围，使碳纤维布5在周向上大致均匀分布。
3、在内环侧部沿周向增铺适量碳纤维丝，以改善翻边后内环侧部碳纤维布5厚度沿径向不均的问题。
4、碳纤维布5及碳纤维丝铺设完毕后使用真空袋固化成形。
本发明中下模具8中阴模部分802周向外壁形状与内环侧部周向匹配；因此在固化过程中，可通过在内支撑环两侧设置一个下模具8，使下模具8中阴模部分802周向外壁与内环侧部周向贴合压紧，达到理想的固化效果，且保证了内环侧壁的平整度，有利于后续和轮毂的粘接固化。
最终，通过将制成的左轮毂1与右轮毂2与轮胎4间固化成型，形成单个复合材料机轮的成型，具体方式为：将左轮毂1与右轮毂2分别置于同轮胎4固化的轮胎支撑环3两侧，使轮毂外围的轮胎支撑环连接部分与轮胎支撑环3周向接触，接触位置涂覆树脂胶粘剂；随后将两个下模具8的阴模部分802分别与两侧轮毂配合安装，进一步通过两侧的下模具8将外围的轮胎支撑环连接部分与轮胎支撑环3周向夹紧，并施加压力以增强胶粘效果，直至完全固化，如图9所示。通过上述成形方式得到复合材料轻质机轮结构，可充分发挥碳纤维复合材料的优异力学性能与比强度特性。相比常用的7075航空铝合金材料，本结构方案发挥了复合材料的高可设计性，采用了小尺寸的空心支撑杆包裹泡沫夹层的结构，进一步提高了材料的承力效率，因而其重量与生产成本较传统金属结构显著降低。泡沫夹层的设计也在重量代价几乎忽略不计的条件下，将轮毂支撑梁结构的失稳系数显著提高。以0.6mm碳纤维壁厚、4mm截面直径的轮毂支撑梁为例，对比实心铝合金材料，本结构方案在保持结构强度相当的同时可将总质量降低至约1/6。而对比碳纤维结构无夹层的情况，加入密度为200kg/m3的PMI泡沫夹层可将薄壁失稳系数提高40倍以上,解决了薄壁材料的失稳问题，使材料的承力性能被充分发挥。

Claims (5)

1.一种复合材料轻质起落架机轮结构成型方式，其特征在于：
首先，成型左轮毂，并用相同方法成型右轮毂，成型方法为：
A、轮毂结构设计
轮毂结构为具有左、中、右三层结构；左侧与右侧为碳纤维布，中层为泡沫夹层；泡沫夹层设计为舵盘型结构；同时设计在轮毂中心位置具有同轴的金属管；
B、轮毂成型方式设计
轮毂的成型方式以整个轮毂纵截面分割的左侧半轮毂结构与右侧半轮毂结构单独成型后，进一步成型整个轮毂结构；其中，左侧半轮毂结构包括泡沫夹层左半部与左侧碳纤维布；右侧半轮毂结构包括泡沫夹层右半部与右侧碳纤维布；
C、轮毂成型所需模具设计
设计模具包括用于两侧轮毂成型的下模具与上模具；上模具与下模具上表面均具有与泡沫夹层结构尺寸相同的阴模部分，且阴模部分的中心孔内径设计为与金属管外径尺寸匹配；
D、步骤B中设计的左侧半轮毂与右侧半轮毂成型方式设计，具体为：
左半侧轮毂成型设计：
a、在下模具的上表面铺设所多张涂覆树脂的碳纤维布，使达到需求厚度；
b、将泡沫夹层左半部外侧面嵌入安装于下模具的阴模部分内，压紧碳纤维布；
c、将金属管插入中心孔内，与中心孔内壁碳纤维布成紧配合；
右侧半轮毂的成形设计与左半侧轮毂成型近似，将泡沫夹层右半部将右侧碳纤维布压紧于上模具内即可；由于左右两侧半轮毂共使用一个金属管，因此右侧半轮毂的成形过程中不具备步骤c中金属管的安装过程；
E、合模、模压固化过程实现整体轮毂成型；
首先，上模具与下模具上的中间夹层形状对称，完成合模；随后下模具与上模具加压力与加热，等待完成模压固化；
F、轮胎支撑环与轮胎间的成型设计；
首先设计轮胎为泡沫轮胎，轮胎内环表面铺设碳纤维布，形成内支撑环；
随后，将内支撑环两侧周向边缘向外侧翻边至泡沫轮胎内环侧部；并在内环侧部沿周向增铺适量碳纤维丝，使内环侧部沿径向碳纤维布厚度均匀；
最后，使用真空袋固化成形。
G、左轮毂、右轮毂与轮毂间的安装方式设计；
将左轮毂与右轮毂分别置于轮胎支撑环两侧，使轮毂外围的碳纤维布与轮胎支撑环周向接触，接触位置涂覆树脂胶粘剂，并施加压力以增强胶粘效果，直至完全固化。
2.如权利要求1所述一种复合材料轻质起落架机轮结构成型方式，其特征在于：碳纤维布为薄壁结构，采用碳纤维编织布-树脂复合材料；泡沫夹层为PMI材料支撑；轮胎采用硬度80以上的EVA泡沫发泡成型轮胎。
3.如权利要求1所述一种复合材料轻质起落架机轮结构成型方式，其特征在于：每层碳纤维布中心位置处进行径向切割，切割处翻边至下模具中心孔内侧；，且每层碳纤维布的中心以不同的角度切割并翻边，使中心孔内侧处被均匀覆盖材料。
4.如权利要求1所述一种复合材料轻质起落架机轮结构成型方式，其特征在于：设计有合模过程中的校准方法，实现左右两半轮毂间的同轴校准；具体如下：
首先设计下模具阴模部分下方具有圆形底盘；
其次，设计同轴校准模具；同轴校准模具底面具有与下模具的圆盘底座配合插接的圆形凹槽，凹槽底面中心位置设计有与凹槽底面垂直的校准轴，校准轴外径尺寸与金属管内径尺寸匹配；
最后，校准方法设计为：将下模具通过金属管套于校准轴上，且插入于凹槽内，若金属管与轮毂轴线不完全重合，在插入时会被校准轴掰正；同时将上模具通过中心孔套于校准轴上，通过校准轴可保证金属管与轮毂间的同轴度。
5.如权利要求1所述一种复合材料轻质起落架机轮结构成型方式，其特征在于：下模具的阴模部分周向外壁形状与内环侧部周向匹配；在轮胎支撑环固化过程中，通过在内支撑环两侧各设置一个下模具，使下模具的阴模部分周向外壁与内环侧部周向贴合压紧。随后将两个下模具的阴模部分分别与两侧轮毂配合安装，进一步通过两侧的下模具将外围的轮胎支撑环连接部分与轮胎支撑环周向夹紧；同时，在轮毂与支撑环固化过程中，将两个下模具的阴模部分分别与两侧轮毂配合安装，进一步通过两侧的下模具将外围的轮胎支撑环连接部分与轮胎支撑环周向夹紧。
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