CN114715374A - 一种适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框 - Google Patents

一种适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框，包括隔框夹层、高模量碳纤维铺层、高强度碳纤维铺层。隔框平面呈二维桁架构型，支柱设置在传力路径上，传力效率高；采用碳纤维－PMI泡沫夹层式结构，结构稳定性好，重量轻；采用包络式工艺加工，支柱四周均不裸露PMI泡沫，结构整体性好；连接件镶嵌在PMI泡沫内，一体加工成型，降低了与结构重量与复杂程度；将高模量碳纤维与高强度碳纤维铺层结合，既保证隔框强度，又增大了结构刚度；采用分体式模具加工成型，成型精度高，加工难度低。

Description

一种适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框
技术领域
本发明属于飞行器设计技术领域，涉及一种适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框，具体涉及一种结构整体性好、刚度与强度优、结构重量轻的复合材料机身隔框，适用于自身体积大、但要求重量轻的机身。
背景技术
太阳能无人机体积大，重量轻，要求结构密度低，传力效率高，刚性和稳定性好。目前用于太阳能无人机的复合材料机身隔框主要有两种类型。其一是全部采用碳纤维复合材料加工而成的层压式隔框，这种板件整体性较好，但用于太阳能无人机，会面临以下问题：若按照强度条件设计，铺层太薄，易发生结构失稳；若按照刚度条件设计，铺层太厚，会付出额外重量代价。其二是采用碳纤维复合材料与聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫加工而成的夹层式隔框，加工这种隔框时首先要预制碳纤维－PMI泡沫夹层板，然后采用雕刻工艺获得所需形状的隔框，此类隔框在满足刚度与强度的前提下，有效降低了结构重量，但仍有一些缺陷：其边缘泡沫是裸露的，整体性较差，暴露在潮湿环境中，容易发生脱胶；预制板的碳纤维铺层方向固定，雕刻完成后纤维方向无法与隔框传力路径保持一致；连接件难以与隔框一体加工成型，后期需要单独连接，会付出额外的重量代价。以上两种形式的隔框，用于太阳能无人机，均不利于无人机航时与可靠性的提升。寻求一种结构整体性好、强度和刚度优、结构重量轻的机身隔框结构，成为当前太阳能无人机结构设计领域的重点。
发明内容
为克服上述太阳能无人机机身隔框的不足，本发明提供了一种新型复合材料隔框结构。该隔框结构平面呈二维桁架构型，利用PMI泡沫增强结构稳定性，采用高强度碳纤维铺层包络泡沫，采用高模量碳纤维铺层进行桁架增强，将连接件内埋于PMI泡沫内。一方面提高了传力效率，降低了结构重量，另一方面提升了结构整体性，增强了结构刚性与稳定性。本发明采用以下技术方案：
一种适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框，包括隔框夹层、高模量碳纤维铺层、高强度碳纤维铺层，其中高模量碳纤维铺层的主方向弹性模量大于380GPa，高强度碳纤维铺层的主方向拉伸强度大于3.5GPa；所述高模量碳纤维铺层铺设在隔框夹层的上、下表面，所述高强度碳纤维铺层包络所述隔框夹层与所述高模量碳纤维铺层的组合体。
进一步，所述隔框夹层由PMI泡沫层和连接件构成，所述连接件镶嵌在所述PMI泡沫层中。
进一步，所述隔框为平面桁架式结构，隔框外框与机身截面外形一致，内部包含若干支柱，支柱方向与传力路径一致。
进一步，所述高模量碳纤维铺层和高强度碳纤维铺层为预浸料，所述高模量碳纤维铺层沿隔框外框及支柱呈0°方向铺设，且沿铺层方向厚度渐变，铺层宽度与隔框外框及支柱保持一致；所述高强度碳纤维铺层沿隔框外框及支柱呈0°/90°方向铺设，包裹隔框外框及支柱，使得隔框不裸露泡沫。
进一步，所述高模量碳纤维铺层为M40J、M46J、M50J、M55J、M60J中的任一种，所述高强度碳纤维铺层为T700、T800、T1000中的任一种。
一种适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框的成型方法，利用分体式金属模具成型上述适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框，所述分体式金属模具包括底板、轮廓板、镶嵌板、楔形块、螺栓；所述成型方法包括以下步骤：
（1）利用螺栓将轮廓板和镶嵌板固定到底板上，形成与隔框形状匹配的凹槽；
（2）在模具凹槽里沿0°/90°方向铺设高强度碳纤维铺层预浸料，所述预浸料的裁切宽度大于隔框夹层的立柱和隔框外框周长；铺设完成后，高强度碳纤维铺层三面均贴合在模具凹槽内，且在宽度方向留有富余；
（3）将连接件镶嵌在PMI泡沫层中，使用泡沫胶固定，形成隔框夹层，将高模量碳纤维铺层预浸料铺设在隔框夹层上、下表面，铺层方向为0°，铺层宽度与隔框夹层的外框与支柱宽度一致，通过预浸料自身的粘性与隔框夹层初步贴合；
（4）将隔框夹层与高模量碳纤维铺层的组合体放到模具上，按压使其下陷到模具底部，同时将两侧富余的高强度碳纤维铺层向外拉扯，避免出现褶皱；
（5）将富余的高强度碳纤维铺层铺设在隔框夹层与高模量碳纤维铺层组合体的上表面，并互相搭接；
（6）将楔形块镶嵌到隔框装配斜面与模具凹槽壁之间；
（7）对模具和隔框抽真空，在125~135℃高温环境中固化12h；
（8）拆卸模具螺栓，将楔形块拆下，将轮廓板向外侧拆卸，将镶嵌板向上取下，得到已成型的隔框。
进一步，所述楔形块填补隔框装配斜面与模具凹槽壁之间的空隙，使得机身隔框形成装配斜面。
进一步，所述轮廓板与镶嵌板上表面分布有若干沉头螺栓孔，沉头螺栓孔深度与螺栓头部厚度一致。
进一步，所述轮廓板包括上轮廓板、下轮廓板、左轮廓板、右轮廓板，所述步骤（8）中拆卸轮廓板时，所述上轮廓板、下轮廓板、左轮廓板、右轮廓板分别沿上、下、左、右方向拆卸。
本发明具有以下有益效果：
1、隔框支柱设置在传力路径上，相比传统带有规则减轻孔的隔框传力效率更高；
2、隔框最外层高强度碳纤维布将隔框夹层、高模量碳纤维加强带等结构完全包络，使隔框具有良好的整体性，在潮湿环境中不易脱胶，耐久性更强。
3、本发明的复合材料机身隔框，同时采用高模量与高强度碳纤维，在不同区域发挥不同碳纤维的优点，相比相同重量的传统机身隔框刚度和强度更好；具体地，高模量碳纤维沿隔框外框及支柱上下表面呈0°方向铺设，易于铺设且有效提升隔框刚度；高强度碳纤维包络隔框夹层与高模量碳纤维铺层的组合体，沿隔框外框与支柱呈0°/90°方向铺设，满足机身隔框在复杂受力环境下的强度和刚度要求；
4、连接件镶嵌在PMI泡沫内，与隔框一体加工成型，相比雕刻式隔框在后期单独安装连接件，整体性好，结构复杂程度低；
5、采用分体式模具加工成型，利用轮廓板和镶嵌板形成的与隔框形状匹配的凹槽，实现高强度碳纤维的预铺设，相对于现有技术中成型方法的整体包裹之后再放入模具，操作简单，成型精度高。
附图说明
图1为一种适用于太阳能无人机的高模量轻质复合材料机身隔框结构示意图；
图2为一种适用于太阳能无人机的高模量轻质复合材料机身隔框铺层分解图；
图3为分体式金属模具示意图；
图4为分体式金属模具分解图；
图5为高强度碳纤维铺层铺设示意图；
图6为隔框夹层组合过程示意图；
图7为隔框夹层示意图；
图8为高强度碳纤维铺层包络过程示意图；
图9为楔形块安装示意图；
图10为隔框固化后模具拆卸方向示意图；
图11为复合材料隔框在机身中的相对位置；
图12为复合材料隔框产品图。
其中，1－隔框夹层，2－高模量碳纤维铺层，3－高强度碳纤维铺层，4－分体式金属模具，101－PMI泡沫层，102－连接件，401－底板，402－轮廓板，403－镶嵌板，404－楔形块，405－螺栓，4021－上轮廓板，4022－下轮廓板，4023－左轮廓板，4024－右轮廓板。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种适用于太阳能无人机的高模量轻质复合材料机身隔框结构，包括隔框夹层1，高模量碳纤维铺层2，高强度碳纤维铺层3，其中高模量碳纤维铺层2的主方向弹性模量大于380GPa，高强度碳纤维铺层3的主方向拉伸强度大于3.5GPa。隔框由分体式模具4进行加工。
如图2所示，隔框夹层1由PMI泡沫层101和连接件102构成，其中PMI泡沫层101由PMI泡沫板雕刻而成，连接件102由金属或碳纤维层压板加工而成，具体包括：用于机翼与机身连接的包含螺栓孔的连接件，用于机身内部设备或结构安装的连接件等。泡沫层101与连接件102厚度相同，接触面完全贴合。隔框夹层1整体为桁架式结构，外框形状与机身截面一致，内部包含若干支柱，支柱方向与传力路径保持一致，从而保证结构传力效率的最大化。
隔框夹层1的外框和支柱上下两面平整，易于铺设，左右两面涉及倒圆角，铺设难度较大，且如果用0°单向带包裹，极易散开，因此，将高模量碳纤维铺层2铺设在隔框夹层1上、下表面，其宽度与隔框夹层1的外框、支柱宽度一致，铺层方向为0°，且沿铺层方向有厚度渐变，从而避免单向铺层厚度骤降带来的应力集中。以M55J高模量碳纤维为例，每层厚度为0.125mm，如果从5层骤降至0层，就会出现应力集中，但如果5层、4层、3层、2层、1层依次降低，就可以避免应力集中。此外，支柱和外框主要承受上下方向的弹性变形，0°方向单向铺层能够最大限度发挥碳纤维沿主方向的力学性能，从而使支柱和外框具备较高的拉伸和压缩模量，尽可能降低机身受力时的隔框变形，提高机身隔框刚性。其中，高模量碳纤维铺层以预浸料形式铺设，碳纤维牌号包括：M40J、M46J、M50J、M55J、M60J。
高强度碳纤维铺层3包络在隔框夹层1与高模量碳纤维铺层2的组合体上，隔框夹层1的外框、支柱四面均被高强度碳纤维3包裹，铺层方向为0°/90°，铺层厚度依照不同区域的应力状态确定。0°/90°方向的碳纤维铺层一方面具有较好的整体性好，不易散开，能够对复杂的倒圆角曲面进行包络，另一方面综合承力效果好，既能承受拉压，又能承受弯扭，从而满足机身隔框在复杂受力环境下的强度和刚度要求。此外，0°/90°铺层的包络能够使隔框各处均不裸露泡沫，以此避免隔框长期被使用或暴露在潮湿环境中时出现脱胶现象。其中，高强度碳纤维铺层以预浸料形式铺设，碳纤维牌号包括：T700、T800、T1000。
如图3和图4所示，分体式金属模具4包括底板401，轮廓板402，镶嵌板403，楔形块404，螺栓405。轮廓板402、镶嵌板403通过螺栓405固定在底板401上，轮廓板402和镶嵌板403上表面分布有若干沉头螺栓孔，沉头螺栓孔深度与螺栓405头部厚度一致，从而使模具完成装配后轮廓板402与镶嵌板403表面与螺栓405头部端面平齐。轮廓板402包括上轮廓板4021，下轮廓板4022，左轮廓板4023，右轮廓板4024。楔形块404能够填补隔框装配斜面与分体式模具凹槽壁之间的空隙，从而允许机身隔框出现装配斜面。分体式金属模具4完成装配后，凹槽宽度比隔框实际宽度宽0.4mm，即两侧均有0.2mm的间隙。
采用分体式金属模具4加工复合材料机身隔框的步骤包括：
（1）利用螺栓405将轮廓板402和镶嵌板403固定到底板401上；
（2）在分体式金属模具4的凹槽里沿0°/90°方向铺设高强度碳纤维铺层3（如图5所示，给出了在凹槽局部铺设高强度碳纤维铺层的示意图），预浸料的裁切宽度要比隔框夹层1的立柱和外框周长更长。铺设完成后，碳纤维铺层三面均贴合在模具凹槽内，且宽度有富余。
（3）如图6所示，将连接件102镶嵌在PMI泡沫层101中，并使用泡沫胶进行简单固定，形成隔框夹层1，将高模量碳纤维铺层2铺设在隔框夹层1上、下表面，铺层方向为0°，铺层宽度与隔框夹层1的外框与支柱宽度一致，通过碳纤维预浸料自身的粘性与隔框夹层1初步贴合为图7所示的整体结构。
（4）将隔框夹层1与高模量碳纤维铺层2的组合体放到模具上，按压使其下陷到模具底部，同时将两侧富余的高强度碳纤维铺层3向外拉扯，避免出现褶皱；
（5）如图8所示，将富余的高强度碳纤维铺层3铺设在隔框夹层1与高模量碳纤维铺层2组合体的上表面，并互相搭接；
（6）如图9所示，将楔形块404镶嵌到隔框装配斜面与模具凹槽壁之间；在后续加压固化时，各楔形块会被压紧到隔框装配斜面上，获得所需的隔框装配斜面；
（7）对模具和隔框抽真空，在125~135℃高温环境中固化12h；
（8）如图10所示，拆卸模具螺栓405，首先将楔形块404拆下，然后将上轮廓板4021、下轮廓板4022、左轮廓板4023、右轮廓板4024分别沿上、下、左、右方向拆卸，将镶嵌板403向上取下，得到已成型的隔框。
固化成型后的隔框与机身壳体结构之间的相对位置关系如图11所示，其外框与机身壳体内表面连接方式为粘接。根据本发明所述的实施方式加工得到的隔框产品如图12所示，该产品相比外形相似的层合式隔框，重量更轻，结构稳定性更好；相比雕刻得到的夹层式隔框，结构整体性好，在恶劣环境中的使用寿命更长。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框，其特征在于，包括隔框夹层、高模量碳纤维铺层、高强度碳纤维铺层，其中高模量碳纤维铺层的主方向弹性模量大于380GPa，高强度碳纤维铺层的主方向拉伸强度大于3.5GPa；所述高模量碳纤维铺层铺设在隔框夹层的上、下表面，所述高强度碳纤维铺层包络所述隔框夹层与所述高模量碳纤维铺层的组合体。
2.根据权利要求1所述的适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框，其特征在于，所述隔框夹层由PMI泡沫层和连接件构成，所述连接件镶嵌在所述PMI泡沫层中。
3.根据权利要求1所述的适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框，其特征在于，所述隔框为平面桁架式结构，隔框外框与机身截面外形一致，内部包含若干支柱，支柱方向与传力路径一致。
4.根据权利要求3所述的适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框，其特征在于，所述高模量碳纤维铺层和高强度碳纤维铺层为预浸料，所述高模量碳纤维铺层沿隔框外框及支柱呈0°方向铺设，且沿铺层方向厚度渐变，铺层宽度与隔框外框及支柱保持一致；所述高强度碳纤维铺层沿隔框外框及支柱呈0°/90°方向铺设，包裹隔框外框及支柱，使得隔框不裸露泡沫。
5.根据权利要求4所述的适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框，其特征在于，所述高模量碳纤维铺层为M40J、M46J、M50J、M55J、M60J中的任一种，所述高强度碳纤维铺层为T700、T800、T1000中的任一种。
6.一种适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框的成型方法，其特征在于，利用分体式金属模具成型如权利要求1-5任一项所述的适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框，所述分体式金属模具包括底板、轮廓板、镶嵌板、楔形块、螺栓；所述成型方法包括以下步骤：
（1）利用螺栓将轮廓板和镶嵌板固定到底板上，形成与隔框形状匹配的凹槽；
（2）在模具凹槽里沿0°/90°方向铺设高强度碳纤维铺层预浸料，所述预浸料的裁切宽度大于隔框夹层的立柱和隔框外框周长；铺设完成后，高强度碳纤维铺层三面均贴合在模具凹槽内，且在宽度方向留有富余；
（3）将连接件镶嵌在PMI泡沫层中，使用泡沫胶固定，形成隔框夹层，将高模量碳纤维铺层预浸料铺设在隔框夹层上、下表面，铺层方向为0°，铺层宽度与隔框夹层的外框与支柱宽度一致，通过预浸料自身的粘性与隔框夹层初步贴合；
（4）将隔框夹层与高模量碳纤维铺层的组合体放到模具上，按压使其下陷到模具底部，同时将两侧富余的高强度碳纤维铺层向外拉扯，避免出现褶皱；
（5）将富余的高强度碳纤维铺层铺设在隔框夹层与高模量碳纤维铺层组合体的上表面，并互相搭接；
（6）将楔形块镶嵌到隔框装配斜面与模具凹槽壁之间；
（7）对模具和隔框抽真空，在125~135℃高温环境中固化12h；
（8）拆卸模具螺栓，将楔形块拆下，将轮廓板向外侧拆卸，将镶嵌板向上取下，得到已成型的隔框。
7.根据权利要求6所述的适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框的成型方法，其特征在于，所述楔形块填补隔框装配斜面与模具凹槽壁之间的空隙，使得机身隔框形成装配斜面。
8.根据权利要求6所述的适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框的成型方法，其特征在于，所述轮廓板与镶嵌板上表面分布有若干沉头螺栓孔，沉头螺栓孔深度与螺栓头部厚度一致。
9.根据权利要求6所述的适用于太阳能无人机的复合材料机身隔框的成型方法，其特征在于，所述轮廓板包括上轮廓板、下轮廓板、左轮廓板、右轮廓板，所述步骤（8）中拆卸轮廓板时，所述上轮廓板、下轮廓板、左轮廓板、右轮廓板分别沿上、下、左、右方向拆卸。
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