CN115107298B - 一种复合材料夹芯楔形尾缘铺层结构及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料夹芯楔形尾缘铺层结构及制备方法，包含以下步骤：步骤一：将复合材料夹芯楔形尾缘划分为上蒙皮、下蒙皮、左右端肋、C形梁和楔形夹芯结构；步骤二：将下蒙皮、左右端肋和C形梁合并为楔形盒体；步骤三：将楔形盒体、下蒙皮和上蒙皮模型依照零件外形和尺寸展开为平面图形等步骤。本发明通过将夹芯楔形尾缘下蒙皮、端肋、C形梁各个次级件之间独立的复合材料铺层转换为整体铺层结构，提升了夹芯楔形尾缘组件的结构可靠性。本发明提供了液体成型VARI与二次胶接结合的制备方法。该制备方法解决了结构复杂的楔形盒体难以采用传统热压罐成型的问题，本方法可实现蜂窝夹芯结构零件的成型。

Description

一种复合材料夹芯楔形尾缘铺层结构及成型方法

技术领域

本发明专利涉及复合材料成型技术领域，特别涉及一种复合材料夹芯楔形尾缘铺层结构及成型方法。

背景技术

随着复合材料制造技术的不断发展，其在航空航天、民用领域的应用日益广泛。复合材料由增强材料和基体材料两种独立物理相构成，其中，增强材料作为承力组分，其排布方式对复合材料比模量、比强度起到了决定性作用。在应用环境中，复合材料制件内部载荷通过增强材料纤维实现有效传递，若增强材料纤维断裂，载荷传递路径被切断，导致局部应力集中，易产生微裂纹等缺陷，当裂纹进一步扩展，最终可能导致零件破坏，严重影响飞机的使用寿命和结构安全性。基于以上原因，复合材料设计和制造过程中应当依照载荷传递方式设置合理的增强材料铺层，确保载荷传递路径中的增强材料纤维完整性。

在实际设计、制造过程中，对于部分结构较复杂的复合材料制件，受到制造工艺的局限，往往难以保证载荷传递路径中增强材料纤维完整性。以夹芯楔形尾缘组件为例，零件沿宽度方向为变厚度楔形结构，封闭腔体内部填充高强度、轻质夹芯结构。受制于热压罐工艺特点，目前设计、制造工程中将其进一步拆分为若干结构简单的次级件，包括上蒙皮、下蒙皮、夹芯结构、左右端肋和C形梁。对于各个次级件分别设置独立的复合材料铺层(以C形梁区域为例，该区域设置独立的C形梁铺层和下蒙皮铺层)，各个次级件增强材料进行独立铺贴、固化后组装形成夹芯楔形尾缘组件。此种设计和制造方法导致各个次级件之间缺乏增强材料纤维连接，次级件之间无法形成有效载荷传递路径，限制了组件整体结构可靠性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的技术难题，提供一种复合材料夹芯楔形尾缘铺层结构及其成型方法，解决夹芯楔形尾缘各个次级件之间缺乏增强材料纤维连接，次级件之间无法形成有效载荷传递路径，组件整体结构可靠性欠佳的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种复合材料夹芯楔形尾缘结构，其特征在于，包括上蒙皮、楔形盒体、楔形夹芯结构，楔形盒体包括左右端肋、下蒙皮和C形梁；上蒙皮与下蒙皮一边相接，整体向后开口呈楔形；左右端肋和C形梁分别位于上蒙皮、下蒙皮两侧端和楔形开口端，与上蒙皮、下蒙皮共同形成封闭空腔；楔形夹芯结构填充于封闭空腔中。楔形盒体的增强材料铺层包含整体铺层料片和下蒙皮局部铺层，整体铺层料片覆盖整个楔形盒体结构，折叠后形成连在一起的C形梁、下蒙皮上层结构以及左右端肋，下蒙皮局部铺层设置在下蒙皮上层结构下方。

进一步的，楔形夹芯结构材料为塑料闭孔泡沫芯或芳纶纸蜂窝芯。

进一步的，上蒙皮和楔形盒体采用液体成型VARI工艺制造。

成型一种复合材料夹芯楔形尾缘结构的方法，包含以下步骤：

1将复合材料夹芯楔形尾缘结构中的楔形盒体、下蒙皮和上蒙皮依照零件外形和尺寸展开为平面图形；

2以步骤1得到的平面图形为样板裁切得到复合材料铺层料片、上蒙皮局部铺层料片、下蒙皮局部铺层料片及楔形盒体整体铺层料片；

3将步骤2中的复合材料铺层料片按照上蒙皮和楔形盒体的外形结构铺贴、定型，形成上蒙皮预制体和楔形盒体预制体；

4将上蒙皮预制体和楔形盒体预制体分别固化、脱模得到上蒙皮、楔形盒体次级件；

5将上蒙皮、楔形盒体次级件和楔形夹芯结构组装，形成复合材料夹芯楔形尾缘。

进一步的，复合材料铺层料片为干态增强纤维或增强纤维预浸料。

进一步的，复合材料铺层料片、上蒙皮局部铺层料片、下蒙皮局部铺层料片上设置局部加强铺层，复合材料铺层料片中包含用于形成C形梁以及左右端肋位置局部加强层的铺层。

进一步的，在步骤1中将局部加强铺层依照预设的外形和尺寸展开为平面图形，在步骤2中裁切形成局部加强铺层料片，在步骤3中按照预设的位置和外形进行局部加强层的铺贴。

进一步的，步骤5中，将胶黏剂设置在楔形夹芯结构表面，对楔形夹芯结构和上蒙皮、楔形盒体进行胶接。

本发明的有益效果是：

1.通过将夹芯楔形尾缘下蒙皮、端肋、C形梁各个次级件之间独立的复合材料铺层转换为整体铺层结构，在原有的各个独立次级件之间形成了增强材料纤维连接，有助于载荷通过增强材料纤维在组件内部有效传递，降低在原有方案中次级件连接部位产生应力集中和微裂纹的风险，提升了夹芯楔形尾缘组件的结构可靠性。

2.针对上述夹芯楔形尾缘结构，本发明提供了液体成型VARI与二次胶接结合的制备方法。该制备方法解决了结构复杂的楔形盒体难以采用传统热压罐成型的问题。且相对于单一的液体成型方法，本方法可实现蜂窝夹芯结构零件的成型。

附图说明

图1为复合材料夹芯楔形尾缘拆解结构示意图；

图2为复合材料夹芯楔形尾缘展开结构示意图；

图3为复合材料夹芯楔形尾缘C形梁和下蒙皮结构示意图；

图4为复合材料夹芯楔形尾缘结构演变示意图；

图5为复合材料夹芯楔形尾缘铺层料片展开示意图(虚线代表铺层折叠线)；

图6为局部加强层设置示意图(示例)(阴影区域代表加强区域位置)；

图中编号说明：1-上蒙皮，2-楔形盒体，3-楔形夹芯结构，4-左右端肋，5-下蒙皮，6-C形梁，7-整体铺层，8-局部加强铺层，9-C形梁局部铺层，10-下蒙皮局部铺层，11-上蒙皮局部铺层。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，如果含有术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，区别于传统技术方案中将各个次级件的铺层独立设置、独立铺贴的方案，本发明采取的基本技术思路是将现有技术方案中的下蒙皮5、左右端肋4、C形梁6合并为楔形盒体2，在楔形盒体2区域设置整体复合材料铺层，整体铺层7料片是依照楔形盒体2模型轮廓外形和尺寸展开形成的平面增强材料料片，整体铺层7料片的下蒙皮5区域与端肋、C形梁6区域之间存在增强材料纤维连接。完成增强材料铺贴和固化的楔形盒体2、上蒙皮1与楔形夹芯结构3组装形成夹芯楔形尾缘组件。

本发明提供的技术方案将夹芯楔形尾缘下蒙皮5、端肋、C形梁6各个次级件之间独立的增强材料铺层转换为整体铺层7结构，在原有的各个独立次级件之间形成了增强材料纤维连接，有助于载荷通过增强材料纤维在组件内部有效传递，降低在原有方案中次级件连接部位产生应力集中和微裂纹的风险，提升了夹芯楔形尾缘组件的结构可靠性。

本发明在上述技术方案的基础上提供了以下优化方案：

1.在需结构加强的特定部位设置局部加强铺层8，提升零件的结构可靠性。图5虚线为折叠线，图6阴影部分为加强层位置。

2.楔形盒体2结构较复杂，难以采用传统的热压罐工艺制造，若采用液体成型工艺，无法制造开孔夹心结构(如蜂窝夹芯结构)零件。针对上述问题，本发明提供了液体成型VARI工艺和热压罐二次胶接工艺结合的制造方案，将上蒙皮1与楔形盒体2分别采用液体成型VARI工艺制造后，将楔形夹芯结构3与上蒙皮1、楔形盒体2之间通过胶黏剂进行二次胶接。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种复合材料夹芯楔形尾缘结构，包括上蒙皮1、楔形盒体2、楔形夹芯结构3。楔形盒体2包含左右端肋4、下蒙皮5和C形梁6。其中上蒙皮1与下蒙皮5一边相接，整体向后开口呈楔形，左右端肋4和C形梁6分别位于上下蒙皮5两侧端和开口端，与上蒙皮1、下蒙皮5共同形成封闭空腔，封闭空腔内部填充楔形夹芯结构3。楔形盒体2的增强材料铺层包含整体铺层料片和下蒙皮局部铺层，整体铺层料片覆盖整个楔形盒体结构，折叠后形成连在一起的C形梁、下蒙皮上层结构以及左右端肋，下蒙皮局部铺层设置在下蒙皮上层结构下方。

上述复合材料夹芯楔形尾缘成型方法，包含以下步骤：

步骤一：如图2和图4所示，将上蒙皮1、楔形盒体2模型依照零件外形和尺寸展开为平面图形；

步骤二：以步骤一得到的平面图形为样板裁切得到上蒙皮局部铺层11、下蒙皮局部铺层10及楔形盒体2复合材料整体铺层7料片；

步骤三：参见图3-图5，将步骤二中的复合材料上蒙皮局部铺层11、下蒙皮局部铺层10及楔形盒体2复合材料整体铺层7料片按照上蒙皮1和楔形盒体2的外形结构铺贴、定型，形成上蒙皮1预制体和楔形盒体2预制体；

步骤四：将上蒙皮1预制体和楔形盒体2预制体分别固化、脱模得到上蒙皮1、楔形盒体2次级件；

步骤五：将上蒙皮1、楔形盒体2次级件和楔形夹芯结构3组装，形成复合材料夹芯楔形尾缘。

进一步地，复合材料铺层为复合材料中的干态增强纤维或增强纤维预浸料。“纤维增强树脂基复合材料”，增强材料是指纤维，包括碳纤维，玻璃纤维，芳纶纤维等等，没有具体的限定。

进一步地，楔形夹芯结构3材料为塑料闭孔泡沫芯或芳纶纸蜂窝芯。

进一步地，在特定部位设置局部加强铺层8。如图3所示，设置了整体铺层7、C形梁局部铺层9以及下蒙皮局部铺层10。

进一步地，所述楔形夹芯结构3与上蒙皮1、楔形盒体2之间通过胶黏剂进行粘接。

优选地：

1.在需结构加强的特定部位设置局部加强铺层8实施示例如图6所示。

2.上蒙皮1与楔形盒体2分别采用液体成型VARI工艺制造，随后，楔形夹芯结构3与上蒙皮1、楔形盒体2之间通过胶黏剂进行粘接。

本发明目的在于解决复合材料夹芯楔形尾缘各个次级件制件由于增强材料铺层纤维不连续导致的载荷传递路径阻断问题，降低组件的结构强度风险。本发明的有益效果在于：

通过将夹芯楔形尾缘下蒙皮5、端肋、C形梁6各个次级件之间独立的复合材料铺层转换为整体铺层7结构，在原有的各个独立次级件之间形成了增强材料纤维连接，有助于载荷通过增强材料纤维在组件内部有效传递，降低在原有方案中次级件连接部位产生应力集中和微裂纹的风险，提升了夹芯楔形尾缘组件的结构可靠性。

针对上述夹芯楔形尾缘结构，本发明提供了液体成型VARI与二次胶接结合的制备方法。该制备方法解决了结构复杂的楔形盒体2难以采用传统热压罐成型的问题。且相对于单一的液体成型方法，本方法可实现蜂窝夹芯结构零件的成型。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种复合材料夹芯楔形尾缘结构的成型方法，其特征在于使用一种复合材料夹芯楔形尾缘结构，该结构包括上蒙皮、楔形盒体、楔形夹芯结构，楔形盒体包括左右端肋、下蒙皮和C形梁；上蒙皮与下蒙皮一边相接，整体向后开口呈楔形；左右端肋和C形梁分别位于上蒙皮、下蒙皮两侧端和楔形开口端，与上蒙皮、下蒙皮共同形成封闭空腔；楔形夹芯结构填充于封闭空腔中，楔形盒体的增强材料铺层包含整体铺层料片和下蒙皮局部铺层，整体铺层料片覆盖整个楔形盒体结构，折叠后形成连在一起的C形梁、下蒙皮上层结构以及左右端肋，下蒙皮局部铺层设置在下蒙皮上层结构下方，楔形夹芯结构材料为塑料闭孔泡沫芯或芳纶纸蜂窝芯，楔形盒体采用液体成型VARI工艺整体制造，具体成型方法包含以下步骤：

1-1将复合材料夹芯楔形尾缘结构中的楔形盒体、下蒙皮和上蒙皮依照零件外形和尺寸展开为平面图形；

1-2以步骤1得到的平面图形为样板裁切得到复合材料铺层料片、上蒙皮局部铺层料片、下蒙皮局部铺层料片及楔形盒体整体铺层料片；

1-3将步骤2中的复合材料铺层料片按照上蒙皮和楔形盒体的外形结构铺贴、定型，形成上蒙皮预制体和楔形盒体预制体；

1-4将上蒙皮预制体和楔形盒体预制体分别固化、脱模得到上蒙皮、楔形盒体次级件；

1-5将上蒙皮、楔形盒体次级件和楔形夹芯结构组装，形成复合材料夹芯楔形尾缘。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料夹芯楔形尾缘成型方法，其特征在于所述的复合材料铺层料片为干态增强纤维或增强纤维预浸料。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料夹芯楔形尾缘成型方法，其特征在于所述的复合材料铺层料片、上蒙皮局部铺层料片、下蒙皮局部铺层料片上设置局部加强铺层，复合材料铺层料片中包含用于形成C形梁以及左右端肋位置局部加强层的铺层。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料夹芯楔形尾缘成型方法，其特征在于在所述的步骤1-1中将局部加强铺层依照预设的外形和尺寸展开为平面图形，在所述的步骤1-2中裁切形成局部加强铺层料片，在所述的步骤1-3中按照预设的位置和外形进行局部加强层的铺贴。

5.根据权利要求1所述的一种复合材料夹芯楔形尾缘成型方法，其特征在于在所述的步骤1-5中，将胶黏剂设置在楔形夹芯结构表面，对楔形夹芯结构和上蒙皮、楔形盒体进行胶接。