CN115649418A - 一种应用攒边结角榫结构的复合材料翼梁及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用攒边结角榫结构的复合材料翼梁及其制备方法。该复合材料翼梁包括翼梁骨架和蒙皮，所述翼梁骨架包括抹头、大边、穿带和面心板；其中大边是翼梁骨架的纵梁，抹头和穿带是翼梁骨架的横梁，面心板布置在翼梁骨架的纵梁和横梁之间；抹头、大边、穿带和面心板之间通过榫卯结构连接。制备时，首先加工或成型出翼梁骨架的各组件，通过各组件预留的榫卯结构进行组装；然后在翼梁骨架和芯材泡沫组成的阳模上整体包覆预浸料，在模具中固化成型出复合材料翼梁。本发明首次实现了一种应用攒边结角榫结构的复合材料翼梁，可以将翼梁所受的外部载荷均匀分配到蒙皮和骨架的各个组件中，提高了翼梁的强度及各部分协调变形的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用古代榫卯结构的复合材料翼梁及其制备方法，属于复合材料设计及成型技术领域。
背景技术
飞行器重量与性能及经济性关系密切，减轻飞行器结构重量是飞机研制工作中的主要目标之一。复合材料翼面具有比刚度和比强度高、抗疲劳和抗腐蚀性能好等优良的力学性能，在航空、航天结构中得到了广泛的应用。复合材料翼面主要用来保证飞行器在技术要求规定的飞行状态下的飞行性能和机动性能，为主承力结构件，传力方式是通过翼梁承受弯矩，翼梁在设计的时候必须满足一定的刚强度。
为了减轻飞行器的结构重量，提高飞行器的航程和经济性，复合材料翼梁通常采用骨架和蒙皮组合的结构形式，并填充一定的减重材料。在飞行过程中，翼梁的复合材料骨架和外部蒙皮协同变形并分布传递载荷。如何将翼梁所受的外部载荷均匀分配到蒙皮和骨架的各个组件中，提高翼梁的强度及各部分协调变形的能力，是需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种应用攒边结角榫结构的复合材料翼梁及其制备方法，翼梁的骨架由“抹头”、“大边”、“穿带”和“面心板”四部分组成，可以将翼梁所受的外部载荷均匀分配到蒙皮和骨架的各个组件中，提高了翼梁的强度及各部分协调变形的能力。
本发明的技术解决方案：
一种应用攒边结角榫结构的复合材料翼梁，包括翼梁骨架和蒙皮，所述翼梁骨架包括“抹头”、“大边”、“穿带”和“面心板”；其中“大边”是翼梁骨架的纵梁，“抹头”和“穿带”是翼梁骨架的横梁，“面心板”布置在翼梁骨架的纵梁和横梁之间；“抹头”、“大边”、“穿带”和“面心板”之间通过榫卯结构连接。
一种应用攒边结角榫结构的复合材料翼梁的制备方法，包括以下步骤：
加工或成型出翼梁骨架的各组件，包括“抹头”、“大边”、“穿带”和“面心板”，通过各组件预留的榫卯结构进行组装；
在翼梁骨架和芯材泡沫组成的“阳模”上整体包覆预浸料，在模具中固化成型出复合材料翼梁产品。
这种方法设计成型出的翼梁，内部骨架为攒边结角榫结构，提高了骨架各组件装配可靠性及协调变形的能力，从而提升了翼梁的整体刚强度。
优选地，所述的翼梁，为碳纤维骨架加蒙皮的组合结构，蒙皮与骨架共同承担翼梁所受的外部载荷。
优选地，所述的翼梁，其碳纤维骨架和蒙皮之间的空腔采用泡沫填充，填充的泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或者聚氨酯泡沫，泡沫预先机加出所需的外形。
优选地，所述的碳纤维骨架，由“抹头”、“大边”、“穿带”和“面心板”四种不同形状的组件组成。其中，“大边”是翼梁的纵梁，“抹头”和“穿带”是翼梁的横梁，“面心板”布置在翼梁的纵梁和横梁之间，起到提高骨架抗拉强度，优化载荷分布的作用。
优选地，所述的碳纤维骨架的各个组件，可以机加成设计的“抹头”、“大边”、“穿带”和“面心板”的外形特征，也可以将碳纤维预浸料铺覆成所需的形状，并通过模具成型。
优选地，按照翼梁不同区域的承载特性，即翼根到翼尖所受载荷逐渐变小的趋势，出于减重考虑，“抹头”、“大边”、“穿带”可以采用变尺寸设计，即翼根区域“抹头”、“大边”、“穿带”的宽度和厚度尺寸可以大于翼尖区域。靠近翼根部分的“穿带”数量可以多于翼尖部分，靠近翼根部分的“穿带”间距可以小于翼尖部分。
优选地，按照翼梁不同区域的承载特性，即翼根到翼尖所受载荷逐渐变小的趋势，出于减重考虑，所述的“面心板”可以作变厚度设计，即靠近翼根区域的“面心板”较厚，靠近翼尖区域的“面心板”较薄，或者“面心板”只布置在靠近翼根区域，翼尖区域的纵梁和横梁之间可以不布置“面心板”。
优选地，所述翼梁骨架中各组件装配特征是：“大边”和“抹头”通过“大边”上预制的凸台和“抹头”上预制的凹槽装配，“大边”和“穿带”通过“穿带”上预制的凸台和“大边”上预制的凹槽装配，“面心板”和“大边”通过“面心板”上预制的凸台和“大边”上预制的凹槽装配，“面心板”和“抹头”通过“面心板”上预制的凸台和“抹头”上预制的凹槽装配，“面心板”和“穿带”通过“面心板”上预制的凸台和“穿带”上预制的凹槽装配。
优选地，所述翼梁骨架中各组件的装配顺序是：将“面心板”通过预制的凸台装入“抹头”、“穿带”和“大边”预制的凹槽中，再将前缘和后缘区域的“大边”通过预制的凸台和“抹头”上预制的凹槽装配，从而完成整个翼梁内部骨架的组合安装。
本发明的有益效果是：
本发明首次实现了一种应用攒边结角榫结构的复合材料翼梁，可以将翼梁所受的外部载荷均匀分配到蒙皮和骨架的各个组件中，提高了翼梁的强度及各部分协调变形的能力。
附图说明
图1是翼梁结构图。
图2是翼梁骨架示意图。
图3是翼梁骨架爆炸图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。
本发明的一个实施例中，提供一种应用攒边结角榫结构的复合材料翼梁，如图1所示，包括翼梁骨架和蒙皮。所述翼梁骨架包括“抹头”、“大边”、“穿带”和“面心板”，如图2所示，其中“大边”是翼梁骨架的纵梁，“抹头”和“穿带”是翼梁骨架的横梁，“面心板”布置在翼梁骨架的纵梁和横梁之间；“抹头”、“大边”、“穿带”和“面心板”之间通过榫卯结构连接。图3是翼梁骨架爆炸图，包括两根“大边”，两根“抹头”，三根“穿带”和两块“面心板”。
本发明的一个实施例中，所述翼梁骨架为碳纤维骨架，所述翼梁骨架和所述蒙皮之间的空腔采用泡沫填充；所述泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或者聚氨酯泡沫，泡沫预先机加出所需的外形。
本发明的一个实施例中，按照翼根到翼尖所受载荷逐渐变小的趋势，所述抹头、大边、穿带采用变尺寸设计，所述变尺寸设计包含下列中的至少一种：
1)翼根区域“抹头”、“大边”、“穿带”的宽度和厚度尺寸大于翼尖区域；
2)靠近翼根部分的“穿带”数量多于翼尖部分；
3)靠近翼根部分的“穿带”间距小于翼尖部分。
本发明的一个实施例中，按照翼根到翼尖所受载荷逐渐变小的趋势，所述面心板采用变厚度设计，所述变厚度设计包含下列中的至少一种：
1)靠近翼根区域的“面心板”较厚，靠近翼尖区域的“面心板”较薄；
2)“面心板”只布置在靠近翼根区域，翼尖区域的纵梁和横梁之间可以不布置“面心板”，这种情况如图2、图3所示。
本发明的一个实施例中，“抹头”、“大边”、“穿带”和“面心板”之间通过榫卯结构连接的方式是：“大边”和“抹头”通过“大边”上预制的凸台和“抹头”上预制的凹槽装配，“大边”和“穿带”通过“穿带”上预制的凸台和“大边”上预制的凹槽装配，“面心板”和“大边”通过“面心板”上预制的凸台和“大边”上预制的凹槽装配，“面心板”和“抹头”通过“面心板”上预制的凸台和“抹头”上预制的凹槽装配，“面心板”和“穿带”通过“面心板”上预制的凸台和“穿带”上预制的凹槽装配。
本发明的一个实施例中，所述翼梁骨架中各组件的装配顺序是：将“面心板”通过预制的凸台装入“抹头”、“穿带”和“大边”预制的凹槽中，再将前缘和后缘区域的“大边”通过预制的凸台和“抹头”上预制的凹槽装配，从而完成整个翼梁内部骨架的组合安装。
本发明的一个实施例中，提供一种应用攒边结角榫结构的复合材料翼梁的制备方法，包括以下步骤：
加工或成型出翼梁骨架的各组件，包括抹头、大边、穿带和面心板，通过各组件预留的榫卯结构进行组装；
在翼梁骨架和芯材泡沫组成的阳模上整体包覆预浸料，在模具中固化成型出复合材料翼梁。
可选地，所述加工或成型出翼梁骨架的各组件，是机加成抹头、大边、穿带和面心板的外形特征，或者将纤维预浸料铺覆成所需的形状并通过模具成型。
本发明的一个实施例中，所述在翼梁骨架和芯材泡沫组成的阳模上整体包覆预浸料，包括：
将芯材泡沫机加成设计的外形形状，沿翼面展向从翼根到翼尖共分为3个区域：5mm蒙皮区，3mm蒙皮区，2mm蒙皮区；
在芯材泡沫和翼梁骨架上均匀粘贴一层胶膜，并安装在翼梁内部的对应位置进行组合粘接；
对组合后的芯材泡沫和翼梁骨架进行碳纤维蒙皮铺层。
本发明的一个实施例中，所述对组合后的芯材泡沫和翼梁骨架进行碳纤维蒙皮铺层，包括：
在组合后的泡沫和骨架的5mm蒙皮区包覆16层T700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/90/0/90]2s；
在组合后的泡沫和骨架的3mm蒙皮区包覆8层T700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/90/0/90]s；
在组合后的泡沫和骨架的2mm蒙皮区包覆16层T700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/0/90/90]2s。
本发明的一个实施例中，成型一件应用攒边结角榫结构的的复合材料翼梁产品，具体包括如下步骤：
第一步，翼梁内部骨架的各组件成型。
采用准各向同性的铺层方式完成一张碳纤维面板的T700/9368单向预浸料铺层，并放入面板模压成型工装底模中，合上上模。
检测热压机及测温探头工作应正常，用吊车把模具吊到压机台面上，压机上面板与上模具接触。压机温度设定90℃，对模具进行加热。待模具升温到90℃，加压(3～5)MPa，使上下模具合严模。再将压机温度设定130℃，待模具升温到130℃,保温120min。
将成型后的碳纤维面板通过三轴或者五轴机床机加出两根“大边”，两根“抹头”，三根“穿带”和两块“面心板”，并在骨架相应的组件上加工出“榫”或“卯”的装配特征。
第二步，翼梁内部骨架的各组件装配。
将靠近翼根区域的第一块“面心板”通过预制的凸台装入“抹头”和“穿带”预制的凹槽中；再将第二块“面心板”通过预制的凸台装入“穿带”预制的凹槽中；再将前缘和后缘区域的两根“大边”通过预制的凸台和根部“抹头”上预制的凹槽装配，“大边”通过预制的凹槽和两块“面心板”预制的凸台、“穿带”预制的凸台装配；最后将翼尖区域的“抹头”通过预制的凹槽和前后缘两根“大边”的凸台装配，从而完成整个翼梁内部骨架的组合。
第三步，泡沫芯材机加。
将密度为110kg/m3的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫机加成设计的外形形状，沿翼面展向从翼根到翼尖共分为3个区域：5mm蒙皮区，3mm蒙皮区，2mm蒙皮区。
第四步，泡沫干燥处理。
用吹风机将泡沫表面碎屑清理干净，并将泡沫在130℃±5℃的烘箱中干燥3小时。
第五步，泡沫和碳纤维骨架组合。
在泡沫和碳纤维骨架均匀粘贴一层AD-36牌号的胶膜，并安装在翼梁内部的对应位置进行组合粘接。
第六步，碳纤维蒙皮铺层。
在组合后的泡沫和骨架的5mm蒙皮区包覆16层T700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/90/0/90]2s；
在组合后的泡沫和骨架的3mm蒙皮区包覆8层T700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/90/0/90]s；
在组合后的泡沫和骨架的2mm蒙皮区包覆16层T700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/0/90/90]2s。
第七步，翼梁固化成型。
将铺覆好的复合材料翼梁装入成型模具中，检测热压机及测温探头工作应正常。用吊车把模具吊到压机台面上，压机上面板与上模具接触。压机温度设定90℃，对模具进行加热。待模具升温到90℃，加压(3～5)MPa，使上下模具合严模。再将压机温度设定130℃，待模具升温到130℃,保温120min。
第八步，翼梁脱模。
让模具自然冷却至50℃以下进行脱模操作。
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种应用攒边结角榫结构的复合材料翼梁，其特征在于，包括翼梁骨架和蒙皮，所述翼梁骨架包括抹头、大边、穿带和面心板；其中大边是翼梁骨架的纵梁，抹头和穿带是翼梁骨架的横梁，面心板布置在翼梁骨架的纵梁和横梁之间；抹头、大边、穿带和面心板之间通过榫卯结构连接。
2.根据权利要求1所述的应用攒边结角榫结构的复合材料翼梁，其特征在于，所述翼梁骨架为碳纤维骨架，所述翼梁骨架和所述蒙皮之间的空腔采用泡沫填充；所述泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或者聚氨酯泡沫，泡沫预先机加出所需的外形。
3.根据权利要求1所述的应用攒边结角榫结构的复合材料翼梁，其特征在于，按照翼根到翼尖所受载荷逐渐变小的趋势，所述抹头、大边、穿带采用变尺寸设计，所述变尺寸设计包含下列中的至少一种：
翼根区域抹头、大边、穿带的宽度和厚度尺寸大于翼尖区域；
靠近翼根部分的穿带数量多于翼尖部分；
靠近翼根部分的穿带间距小于翼尖部分。
4.根据权利要求1所述的应用攒边结角榫结构的复合材料翼梁，其特征在于，按照翼根到翼尖所受载荷逐渐变小的趋势，所述面心板采用变厚度设计，所述变厚度设计包含下列中的至少一种：
靠近翼根区域的面心板较厚，靠近翼尖区域的面心板较薄；
面心板只布置在靠近翼根区域，翼尖区域的纵梁和横梁之间不布置面心板。
5.根据权利要求1所述的应用攒边结角榫结构的复合材料翼梁，其特征在于，所述抹头、大边、穿带和面心板之间通过榫卯结构连接，包括：
大边和抹头通过大边上预制的凸台和抹头上预制的凹槽装配，大边和穿带通过穿带上预制的凸台和大边上预制的凹槽装配，面心板和大边通过面心板上预制的凸台和大边上预制的凹槽装配，面心板和抹头通过面心板上预制的凸台和抹头上预制的凹槽装配，面心板和穿带通过面心板上预制的凸台和穿带上预制的凹槽装配。
6.一种应用攒边结角榫结构的复合材料翼梁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
加工或成型出翼梁骨架的各组件，包括抹头、大边、穿带和面心板，通过各组件预留的榫卯结构进行组装；
在翼梁骨架和芯材泡沫组成的阳模上整体包覆预浸料，在模具中固化成型出复合材料翼梁。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述加工或成型出翼梁骨架的各组件，是机加成抹头、大边、穿带和面心板的外形特征，或者将纤维预浸料铺覆成所需的形状并通过模具成型。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述通过各组件预留的榫卯结构进行组装，包括：
将面心板通过预制的凸台装入抹头、穿带和大边预制的凹槽中，再将大边通过预制的凸台和抹头上预制的凹槽装配。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在翼梁骨架和芯材泡沫组成的阳模上整体包覆预浸料，包括：
将芯材泡沫机加成设计的外形形状，沿翼面展向从翼根到翼尖共分为3个区域：5mm蒙皮区，3mm蒙皮区，2mm蒙皮区；
在芯材泡沫和翼梁骨架上均匀粘贴一层胶膜，并安装在翼梁内部的对应位置进行组合粘接；
对组合后的芯材泡沫和翼梁骨架进行碳纤维蒙皮铺层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述对组合后的芯材泡沫和翼梁骨架进行碳纤维蒙皮铺层，包括：
在组合后的泡沫和骨架的5mm蒙皮区包覆16层T700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/90/0/90]2s；
在组合后的泡沫和骨架的3mm蒙皮区包覆8层T700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/90/0/90]s；
在组合后的泡沫和骨架的2mm蒙皮区包覆16层T700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/0/90/90]2s。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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