CN114771803B - 一种飞机制造用抗冲击泡沫金属复合材料的复合壁板结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞机制造用抗冲击泡沫金属复合材料的复合壁板结构，属于飞机制造技术领域。包括吸声芯材、设于所述吸声芯材上下两端的过渡连接层、与所述过渡连接层上远离吸声芯材一侧连接的两个玻璃纤维防护层、与所述玻璃纤维防护层上远离过渡连接层一侧连接的外蒙皮，本发明的吸声芯材、过渡连接层、玻璃纤维防护层以及外蒙皮之间的部件连接紧凑，复合壁板结构整体的机械强度高，抗冲击特性好，同时，本发明采用孔隙率高的开孔泡沫铝，既能提升复合壁板结构的低频吸声效果，同时，又能减轻复合壁板结构重量，提高了飞机的舱内舒适性。

Description

一种飞机制造用抗冲击泡沫金属复合材料的复合壁板结构

技术领域

本发明属于飞机制造技术领域，具体是一种飞机制造用抗冲击泡沫金属复合材料的复合壁板结构。

背景技术

涡桨飞机是指用涡轮螺旋桨发动机作为动力的飞机，其靠近螺旋桨叶尖的机身壁板，其强度和刚度必须足以承受螺旋桨诱导振动和螺旋桨抛冰的影响。同时螺旋桨叶尖距机身距离最近的区域噪音最大，严重影响了舱室成员的乘机的舒适性，因此，需要具有抗冲击、高隔声量性能的复合壁板才能满足要求。

现有的涡桨飞机复合壁板结构采用“典型壁板+阻尼+吸声棉+装饰板”结构，面密度为6.01kg/m²，总隔声量为37.3 dB，125Hz频带隔声量为25.2dB，其结构重量大、抗冲击性能和隔声性能差，因此，亟需一种具有较好的隔声、抗冲击特性，并且其重量轻的复合壁板结构。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了一种飞机制造用抗冲击泡沫金属复合材料的复合壁板结构。

本发明的技术方案是：一种飞机制造用抗冲击泡沫金属复合材料的复合壁板结构，包括吸声芯材、设于所述吸声芯材上下两端的过渡连接层、与所述过渡连接层上远离吸声芯材一侧连接的玻璃纤维防护层、与所述玻璃纤维防护层上远离过渡连接层一侧连接的外蒙皮；

所述吸声芯材包括由多个伞状空管架呈矩阵式排列而成的第一基板层和第二基板层，所述第一基板层和第二基板层上下对称分布且各个伞状空管架的开口朝向靠近过渡连接层的方向，伞状空管架内壁贴设有泡沫金属圈，位于同一竖直方向上的两个伞状空管架之间通过加强连接结构连接，所述加强连接结构包括上下两端分别与对应侧的两个伞状空管架连接的应力分散盒、设于所述应力分散盒内且交叉分布的加强支杆、填充于所述应力分散盒内部的第一泡沫金属填料；

所述过渡连接层内部上下两端分布有多个连接凹槽，且位于同一竖直方向上的两个连接凹槽之间设有连通腔，每个连接凹槽内壁均为粗糙结构；

两个所述玻璃纤维防护层上下对称分布，且玻璃纤维防护层包括由玻璃纤维材料制成的防护外层、防护内层以及呈网格状分布的防护架，所述防护外层和防护内层相对扣接，所述防护架设于防护外层和防护内层之间，防护内层侧壁通过粘结胶与各个连接凹槽连接。

进一步地，每个所述伞状空管架是由两个U型弯管交叉形成的伞状结构，所述U型弯管的末端与过渡连接层内壁连接，且连接处设有应力分散架，所述U型弯管的末端设有相互贯通的多个卡接孔，所述应力分散架是由相互交叉分布且通过所述卡接孔与U型弯管外壁连接的多个应力分散支杆构成，通过设置相互交叉分布的应力分散支杆与过渡连接层连接，能够增加U型弯管的末端节点的强度、降低应力集中，有效提高U型弯管的末端节点的承载力。

更进一步地，各个所述伞状空管架之间的孔隙处填附有第二泡沫金属填料。

更进一步地，所述泡沫金属圈、第一泡沫金属填料以及第二泡沫金属填料的材质均为开孔泡沫铝，且所述开孔泡沫铝的孔隙率为80-88%，利用孔隙率高的开孔泡沫铝，既能提升复合壁板结构的低频吸声效果，同时，又能减轻复合壁板结构重量。

进一步地，所述防护架包括呈水平方向放置的防护总板、呈网格状分布且底端贯穿所述防护总板并延伸至防护总板底端的多个防护子板，且防护外层和防护内层相对侧均设有多个可卡接入网格状结构内的防护卡块，所述防护卡块为空心结构，通过与防护外层和防护内层之间卡接的方式，增加玻璃纤维防护层整体的机械强度，使复合壁板的抗冲击性能大大提高，同时，由于防护卡块为空心结构，又能减轻玻璃纤维防护层的重量，满足使用要求。

更进一步地，各个所述防护卡块靠近防护总板侧设有加强卡块，所述防护总板上下两端分别设有与加强卡块一一对应的卡槽，通过防护卡块与防护总板之间的卡接方式，使防护架内部部件之间紧凑连接，进一步提高玻璃纤维防护层整体的抗冲击性能。

进一步地，上述开孔泡沫铝的制备过程为：

S1、采用超音速气体雾化炉制备铝合金粉末，并利用超声波振动筛进行筛分后，获取粒径为-100目~+250目的粉末；

S2、按照重量比为1:5的比例将上述铝合金粉末与氯化钠颗粒置于混合机中，以450-500r/min的速率混合搅拌2-3h，得到混合物；

S3、将混合物装入铝包套中，采用真空泵进行抽真空脱气，直至真空度小于5×10^{- 3}Pa，然后，在温度为450-500℃，压力为120-150MPa的条件下，利用热等静压机进行热等静压处理2-4h，得到热压坯；

S4、从热等静压机的模具中取出热压坯，在室温下，利用超声波清洗2-8h，去除热压坯表面的氯化钠颗粒，得到开孔泡沫铝。

更进一步地，所述步骤S1中，依次采用去离子水和无水乙醇作为清洗剂对铝合金粉末进行超声清洗，再进行真空干燥，得到预处理后的铝合金粉末，避免杂质影响开孔泡沫铝性能。

更进一步地，所述开孔泡沫铝的表面孔径与氯化钠颗粒的粒径均为1.0-2.5mm。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

（1）本发明制备的开孔泡沫铝材料具有较好的隔声性能，可以提升声学防冰板和机舱壁板的低频吸声效果，同时具有较强的抗冲击性能，材料的质量密度相较目前型号在用的材料质量密度有所下降，重量大大减轻；因此，采用该开孔泡沫铝所加工制造的飞机复合壁板结构，可提高目前主流型号飞机设计的壁板隔声量，且具有抗冲击特性，又能减轻结构重量，在涡桨飞机主要声载荷频段，隔声量提升5dB以上；

（2）本发明的吸声芯材、过渡连接层、玻璃纤维防护层以及外蒙皮之间的部件紧凑连接，增加复合壁板结构整体的机械强度，使复合壁板的抗冲击特性大大提高；

（3）本发明的伞状空管架具有良好的抗弯能力，且多个伞状空管架呈矩阵式排列，具有良好的变形和吸能性能，当复合壁板受到外力载荷时，可通过伞状空管架的自身弯曲消耗载荷的冲击能量，大大提高了复合壁板整体的抗冲击性能，满足使用要求；

（4）本发明在伞状空管架末端与过渡连接层之间设置应力分散架，位于同一竖直方向上的两个伞状空管架之间设置应力分散盒，能够增加接触节点处的连接强度，降低应力集中，有效提高接触节点处的承载力、抗疲劳性能以及抗冲击性能。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的伞状空管架的结构示意图；

图3是本发明的U型弯管与过渡连接层的连接示意图；

图4是本发明的应力分散架的结构示意图；

图5是本发明的防护架的结构示意图；

图6是本发明复合壁板结构的隔声量测试曲线图；

其中，1-吸声芯材、10-伞状空管架、100-U型弯管、101-卡接孔、102-第二泡沫金属填料、11-第一基板层、12-第二基板层、13-泡沫金属圈、14-加强连接结构、140-应力分散盒、141-加强支杆、142-第一泡沫金属填料、15-应力分散架、150-应力分散支杆、2-过渡连接层、20-连接凹槽、21-连通腔、3-玻璃纤维防护层、30-防护外层、31-防护内层、32-防护架、320-防护总板、321-防护子板、322-卡槽、33-防护卡块、330-加强卡块、4-外蒙皮。

具体实施方式

为了进一步了解本发明的内容，以下通过实施例对本发明作详细说明。

实施例1

如图1、2所示，一种飞机制造用抗冲击泡沫金属复合材料的复合壁板结构，包括吸声芯材1、设于吸声芯材1上下两端的过渡连接层2、与过渡连接层2上远离吸声芯材1一侧连接的玻璃纤维防护层3、与玻璃纤维防护层3上远离过渡连接层2一侧连接的外蒙皮4；

吸声芯材1包括由30个伞状空管架10呈矩阵式排列而成的第一基板层11和第二基板层12，第一基板层11和第二基板层12上下对称分布且各个伞状空管架10的开口朝向靠近过渡连接层2的方向，伞状空管架10内壁贴设有泡沫金属圈13，位于同一竖直方向上的两个伞状空管架10之间通过加强连接结构14连接，加强连接结构14包括上下两端分别与对应侧的两个伞状空管架10连接的应力分散盒140、设于应力分散盒140内且交叉分布的加强支杆141、填充于应力分散盒140内部的第一泡沫金属填料142；

过渡连接层2内部上下两端分布有20个连接凹槽20，且位于同一竖直方向上的两个连接凹槽20之间设有连通腔21，每个连接凹槽20内壁均为粗糙结构；

两个玻璃纤维防护层3上下对称分布，且玻璃纤维防护层3包括由玻璃纤维材料制成的防护外层30、防护内层31以及呈网格状分布的防护架32，防护外层30和防护内层31相对扣接，防护架32设于防护外层30和防护内层31之间，防护内层31侧壁通过环氧树脂与各个连接凹槽20连接；

如图2、3、4所示，每个伞状空管架10是由两个U型弯管100交叉形成的伞状结构，U型弯管100的末端与过渡连接层2内壁连接，且连接处设有应力分散架15，U型弯管100的末端设有相互贯通的两个卡接孔101，应力分散架15是由相互交叉分布且通过卡接孔101与U型弯管100外壁连接的两个应力分散支杆150构成；

各个伞状空管架10之间的孔隙处填附有第二泡沫金属填料102；

泡沫金属圈13、第一泡沫金属填料142以及第二泡沫金属填料102的材质均为开孔泡沫铝；

如图5所示，防护架32包括呈水平方向放置的防护总板320、呈网格状分布且底端贯穿防护总板320并延伸至防护总板320底端的15个防护子板321，且防护外层30和防护内层31相对侧均设有16个可卡接入网格状结构内的防护卡块33，防护卡块33为空心结构；

各个防护卡块33靠近防护总板320侧设有加强卡块330，防护总板320上下两端分别设有与加强卡块330一一对应的卡槽322。

实施例2

本实施例记载的是实施例1中的开孔泡沫铝的制备方法，包括以下步骤：

S1、采用超音速气体雾化炉制备铝合金粉末，并利用超声波振动筛进行筛分后，获取粒径为-100目的粉末；

S2、按照重量比为1:5的比例将上述铝合金粉末与氯化钠颗粒置于混合机中，以450r/min的速率混合搅拌2h，得到混合物；

S3、将混合物装入铝包套中，采用真空泵进行抽真空脱气，直至真空度小于5×10^{- 3}Pa，然后，在温度为450℃，压力为120MPa的条件下，利用热等静压机进行热等静压处理2h，得到热压坯；

S4、从热等静压机的模具中取出热压坯，在室温下，利用超声波清洗2h，去除热压坯表面的氯化钠颗粒，得到开孔泡沫铝；

步骤S1中，依次采用去离子水和无水乙醇作为清洗剂对铝合金粉末进行超声清洗，再进行真空干燥，得到预处理后的铝合金粉末；

所述开孔泡沫铝的表面孔径与氯化钠颗粒的粒径均为1.0mm；

所得到的的开孔泡沫铝的孔隙率为80%。

实施例3

本实施例记载的也是实施例1中的开孔泡沫铝的制备方法，本实施例与实施例2区别之处在于，参数不同，具体包括以下步骤：

S1、采用超音速气体雾化炉制备铝合金粉末，并利用超声波振动筛进行筛分后，获取粒径为200目的粉末；

S2、按照重量比为1:5的比例将上述铝合金粉末与氯化钠颗粒置于混合机中，以480r/min的速率混合搅拌2.5h，得到混合物；

S3、将混合物装入铝包套中，采用真空泵进行抽真空脱气，直至真空度小于5×10^{- 3}Pa，然后，在温度为480℃，压力为140MPa的条件下，利用热等静压机进行热等静压处理3h，得到热压坯；

S4、从热等静压机的模具中取出热压坯，在室温下，利用超声波清洗5h，去除热压坯表面的氯化钠颗粒，得到开孔泡沫铝；

步骤S1中，依次采用去离子水和无水乙醇作为清洗剂对铝合金粉末进行超声清洗，再进行真空干燥，得到预处理后的铝合金粉末；

所述开孔泡沫铝的表面孔径与氯化钠颗粒的粒径均为2mm；

所得到的开孔泡沫铝的孔隙率为85%。

实施例4

本实施例记载的也是实施例1中的开孔泡沫铝的制备方法，本实施例与实施例2区别之处在于，参数不同，具体包括以下步骤：

S1、采用超音速气体雾化炉制备铝合金粉末，并利用超声波振动筛进行筛分后，获取粒径为250目的粉末；

S2、按照重量比为1:5的比例将上述铝合金粉末与氯化钠颗粒置于混合机中，以500r/min的速率混合搅拌3h，得到混合物；

S3、将混合物装入铝包套中，采用真空泵进行抽真空脱气，直至真空度小于5×10^{- 3}Pa，然后，在温度为500℃，压力为150MPa的条件下，利用热等静压机进行热等静压处理4h，得到热压坯；

S4、从热等静压机的模具中取出热压坯，在室温下，利用超声波清洗8h，去除热压坯表面的氯化钠颗粒，得到开孔泡沫铝；

步骤S1中，依次利用去离子水和无水乙醇为清洗剂对铝合金粉末进行超声清洗，再进行真空干燥，得到预处理后的铝合金粉末；

开孔泡沫铝的表面孔径与氯化钠颗粒的粒径均为2.5mm；

所得到的开孔泡沫铝的孔隙率为88%。

试验例

将实施例1-6的复合壁板结构在实验室隔声试验窗上进行了隔声试验，将其安装在混响室—半消声室之间的隔声试验窗上，然后，利用声强法进行了隔声测试，验证了本发明基于泡沫铝和玻璃纤维构成的复合壁板结构声学性能的有效性，如图6所示；

由图6可知，本发明中复合壁板结构的隔声性能，总隔声量为45.8dB，125Hz频带的隔声量30.9dB，相比原有的壁板结构总隔声量提高了5.2dB，在与108Hz对应的三分之一倍频程中心频率125Hz处，隔声量提升了5.7dB，隔声量增加明显，同时通过对比重量可知，本发明中新研制的复合壁板结构相比原有的复合壁板结构，重量降低了19%。

Claims (8)

1.一种飞机制造用抗冲击泡沫金属复合材料的复合壁板结构，其特征在于，包括吸声芯材（1）、设于所述吸声芯材（1）上下两端的过渡连接层（2）、与所述过渡连接层（2）上远离吸声芯材（1）一侧连接的玻璃纤维防护层（3）、与所述玻璃纤维防护层（3）上远离过渡连接层（2）一侧连接的外蒙皮（4）；

所述吸声芯材（1）包括由多个伞状空管架（10）呈矩阵式排列而成的第一基板层（11）和第二基板层（12），所述第一基板层（11）和第二基板层（12）上下对称分布且各个伞状空管架（10）的开口朝向靠近过渡连接层（2）的方向，伞状空管架（10）内壁贴设有泡沫金属圈（13），位于同一竖直方向上的两个伞状空管架（10）之间通过加强连接结构（14）连接，所述加强连接结构（14）包括上下两端分别与对应侧的伞状空管架（10）连接的应力分散盒（140）、设于所述应力分散盒（140）内且交叉分布的加强支杆（141）、填充于所述应力分散盒（140）内部的第一泡沫金属填料（142）；

所述过渡连接层（2）内部上下两端分布有多个连接凹槽（20），且位于同一竖直方向上的两个连接凹槽（20）之间设有连通腔（21），每个连接凹槽（20）内壁均为粗糙结构；

两个所述玻璃纤维防护层（3）上下对称分布，且玻璃纤维防护层（3）包括由玻璃纤维材料制成的防护外层（30）、防护内层（31）以及呈网格状分布的防护架（32），所述防护外层（30）和防护内层（31）相对扣接，所述防护架（32）设于防护外层（30）和防护内层（31）之间，防护内层（31）侧壁通过粘结胶与各个连接凹槽（20）连接；

每个所述伞状空管架（10）是由两个U型弯管（100）交叉形成的伞状结构，所述U型弯管（100）的末端与过渡连接层（2）内壁连接，且连接处设有应力分散架（15），所述U型弯管（100）的末端设有相互贯通的多个卡接孔（101），所述应力分散架（15）是由相互交叉分布且通过所述卡接孔（101）与U型弯管（100）外壁连接的多个应力分散支杆（150）构成。

2.根据权利要求1所述的一种飞机制造用抗冲击泡沫金属复合材料的复合壁板结构，其特征在于，各个所述伞状空管架（10）之间的孔隙处填附有第二泡沫金属填料（102）。

3.根据权利要求2所述的一种飞机制造用抗冲击泡沫金属复合材料的复合壁板结构，其特征在于，所述泡沫金属圈（13）、第一泡沫金属填料（142）以及第二泡沫金属填料（102）的材质均为开孔泡沫铝。

4.根据权利要求1所述的一种飞机制造用抗冲击泡沫金属复合材料的复合壁板结构，其特征在于，所述防护架（32）包括呈水平方向放置的防护总板（320）、呈网格状分布且底端贯穿所述防护总板（320）并延伸至防护总板（320）底端的多个防护子板（321），且防护外层（30）和防护内层（31）相对侧均设有多个可卡接入网格状结构内的防护卡块（33），所述防护卡块（33）为空心结构。

5.根据权利要求4所述的一种飞机制造用抗冲击泡沫金属复合材料的复合壁板结构，其特征在于，各个所述防护卡块（33）靠近防护总板（320）侧设有加强卡块（330），所述防护总板（320）上下两端分别设有与加强卡块（330）一一对应的卡槽（322）。

6.根据权利要求3所述的一种飞机制造用抗冲击泡沫金属复合材料的复合壁板结构，其特征在于，所述开孔泡沫铝的制备过程为：

S1、采用超音速气体雾化炉制备铝合金粉末，并利用超声波振动筛进行筛分后，获取粒径为100目~250目的粉末；

S2、按照重量比为1:5的比例将上述铝合金粉末与氯化钠颗粒置于混合机中，以450-500r/min的速率混合搅拌2-3h，得到混合物；

S3、将混合物装入铝包套中，采用真空泵进行抽真空脱气，直至真空度小于5×10^-3Pa，然后，在温度为450-500℃，压力为120-150MPa的条件下，利用热等静压机进行热等静压处理2-4h，得到热压坯；

S4、从热等静压机的模具中取出热压坯，在室温下，利用超声波清洗2-8h，去除热压坯表面的氯化钠颗粒，得到开孔泡沫铝。

7.根据权利要求6所述的一种飞机制造用抗冲击泡沫金属复合材料的复合壁板结构，其特征在于，步骤S1中，依次采用去离子水和无水乙醇作为清洗剂对铝合金粉末进行超声清洗，再进行真空干燥，得到预处理后的铝合金粉末。

8.根据权利要求6所述的一种飞机制造用抗冲击泡沫金属复合材料的复合壁板结构，其特征在于，所述开孔泡沫铝的表面孔径与氯化钠颗粒的粒径均为1.0-2.5mm。

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