CN117184404B - 一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁，属于飞行器设计领域，包括薄壁管梁，薄壁管梁内设置有至少一个按设定间距布置的多对称面加强支撑立柱，多对称面加强支撑立柱的材质与薄壁管梁相同。多对称面加强支撑立柱包括两个上下对称设置的连接垫片、两个轴向对称设置的侧支撑缘条以及两个径向对称设置的支撑腹板，两个支撑腹板对称固定连接在一起构成主支撑体，两个侧支撑缘条分别固定在主支撑体的两侧，支撑腹板和侧支撑缘条的两端分别与两个连接垫片相连接。采用上述结构的一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁，高效地抑制了薄壁管梁的截面变形，兼顾了高增强效果与低重量的需求，结构可靠，且成型方便、易于装配。

Description

一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁

技术领域

本发明涉及飞行器设计技术领域，尤其是涉及一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁。

背景技术

超低翼载飞机使一类完全依赖太阳能充电和依赖储能电池供电的飞行器。由于太阳能辐照功率密度较低，且储能电池的能量密度远小于燃油，因此超低翼载飞机需要追求极致的低翼载，即同时具备较大的尺寸和极轻的总重量，才有可能完成昼夜循环的不间断飞行。这使得薄壁结构成为超低翼载飞机最主要的承力结构。其中，翼梁和尾撑等主要承力部件最常采用薄壁管梁的形式。这些主承力部件的性能和重量对超低翼载飞机的飞行性能和安全性有着至关重要的影响。

这些部件往往承受很大的弯曲载荷。而薄壁管在弯曲载荷下会出现以截面扁平化变形为主的非线性变形行为，这将导致梁的有效高度随承受弯矩的增大而减小，进而大幅降低薄壁管梁的承力能力，同时造成非线性的载荷-位移曲线。这给超低翼载飞机的安全性和操控性都带来了严重的威胁。目前常采用的增强方式为采用含夹层的梁以提高薄壁板的面内弯曲刚度。然而，夹层同时带来了更多不安全的因素。例如，夹层与复合材料板之间的粘接材料分布不均甚至无效，易产生梁表面的褶皱以及脱胶等现象，反而会大幅降低梁的承载能力。在昼夜表面温度的变化下，夹层与薄壁板不一致的热胀系数也会进一步产生表面褶皱、脱胶等问题。此外，夹层因工艺限制，其厚度往往偏大，因而其重量代价也较大。因此，常用的夹层增强方案安全性不足、且效率偏低。因此，如何以尽可能小的重量代价改善薄壁管非线性变形问题，对提高超低翼载飞机性能和安全性十分重要。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁，包括薄壁管梁，薄壁管梁内设置有至少一个按设定间距布置的多对称面加强支撑立柱，多对称面加强支撑立柱的材质与薄壁管梁相同。

优选的，所述多对称面加强支撑立柱包括两个上下对称设置的连接垫片、两个轴向对称设置的侧支撑缘条以及两个径向对称设置的支撑腹板，两个支撑腹板对称固定连接在一起构成主支撑体，两个侧支撑缘条分别固定在主支撑体的两侧，支撑腹板和侧支撑缘条的两端分别与两个连接垫片相连接。

优选的，所述连接垫片为圆弧形，连接垫片的两端进行倒角处理，连接垫片的厚度为薄壁管梁管壁厚度的1.5-2.5倍，圆弧度数为15°-25°，连接垫片沿薄壁管梁轴向方向的宽度为薄壁管梁外管径的0.05-0.07倍。

优选的，所述侧支撑缘条为长条形片条，所述侧支撑缘条的两端设置有圆弧形贴合部，所述圆弧形贴合部与所述连接垫片相连接，所述侧支撑缘条的宽度与所述连接垫片的宽度相同，所述侧支撑缘条的厚度为薄壁管梁管壁厚度的1.0-1.5倍，两个所述侧支撑缘条的间距为薄壁管梁外管径的0.04-0.06倍。

优选的，所述支撑腹板为C型截面片条，两个所述支撑腹板的侧板相互贴合，对称的两个所述支撑腹板的缘条与所述侧支撑缘条贴合，所述支撑腹板的缘条宽度不大于1/2所述侧支撑缘条宽度，两个所述支撑腹板两端分别与两个所述连接垫片相连接。

优选的，相邻多对称面加强支撑立柱之间的间距计算公式如下：

；

其中，L为相邻多对称面加强支撑立柱之间的间距，R为薄壁管梁的外半径，t为薄壁管梁的管壁厚度。

当两个多对称面加强支撑立柱之间的薄壁管梁的外半径和管壁厚度不统一时，R为间距L内薄壁管梁的外半径的平均值，

；

t为间距L内的管壁厚度的平均值，

；

式中，x是沿管径方向的位置。

优选的，所述多对称面加强支撑立柱的中轴通过所处位置的薄壁管梁截面圆心，且所述多对称面加强支撑立柱的中轴垂直于薄壁管梁轴线和所处位置截面的弯矩矢量方向。

优选的，多对称面加强支撑立柱和薄壁管梁的材质相同，材质为碳纤维复合材料。

因此，本发明采用上述结构的一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁，具有以下有益效果：

（1）显著抑制薄壁管梁在弯曲载荷下的截面变形问题，进而大幅改善薄壁管在受弯状态下的刚度降低、承载能力降低问题，并使薄壁管梁大弯曲载荷下承载能力显著提高，同时有利于提高飞机结构安全性与飞机操控性。

（2）相比现有夹层加强形式，本发明的重量代价显著降低。多对称面加强支撑立柱重量仅为梁本体重量的1%以内。

（3）多对称面加强支撑立柱结构稳定，不会造成管梁表面精度的损失，完全承压的多对称面加强支撑立柱也使其难以发生脱胶等缺陷，具有良好的可靠性和使用寿命。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁整体轴向视图；

图2为本发明一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁整体立体图；

图3为本发明多对称面加强支撑立柱结构示意图；

图4为本发明多对称面加强支撑立柱爆炸图；

图5为本发明多对称面加强支撑立柱中部截面图

图6为薄壁管梁与内部设置有多对称面加强支撑立柱的薄壁管梁弯矩-角位移对比图；

图7为薄壁管梁与内部设置有多对称面加强支撑立柱的薄壁管梁在归一化弯矩=0.9时的变形量对比图。

附图标记

1、薄壁管梁；2、多对称面加强支撑立柱；21、连接垫片；22、侧支撑缘条；221、圆弧形贴合部；23、支撑腹板；231、缘条；232、侧板。

具体实施方式

实施例

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例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例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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装置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。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的实施方式作详细说明。

如图1-5所示，一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁1，包括薄壁管梁1，薄壁管梁1内粘接固定有多个按设定间距设置的多对称面加强支撑立柱2，相邻多对称面加强支撑立柱2之间的间距计算公式如下：

；

其中，L为相邻多对称面加强支撑立柱2之间的间距，R为薄壁管梁1的外半径，t为薄壁管梁1管壁厚度。

无人机的薄壁管梁1的厚度和外半径往往随轴向位置变化而变化，因此整根薄壁管梁1内的多对称面加强支撑立柱2一般也不是等间距的，当两个多对称面加强支撑立柱2之间的薄壁管梁1的外半径和管壁厚度不统一时，R为间距L内薄壁管梁1的外半径的平均值，；

t为间距L内的管壁厚度的平均值，；

式中，x是沿管径方向的位置。进一步通过数值计算的方式解算方程并获得间距L。

多对称面加强支撑立柱2的材质与薄壁管梁1相同。采用材质为T-700型碳纤维复合材料，同时也可以采用较之具有更高强度和刚度的碳纤维复合材料。

多对称面加强支撑立柱2高度略小于薄壁管梁1内直径，有利于配合粘结固化，将已经粘结固化成型的多对称面加强支撑立柱2直接推入薄壁管梁1内的预定位置，随后在上下设置的连接垫片21与薄壁管梁1内壁接触处注胶和固化。多对称面加强支撑立柱2的中轴线同时垂直于弯矩矢量方向和薄壁管梁1管轴，此时多对称面加强支撑立柱2具有最好的加强效率；并且仅承受压缩载荷，使其不易发生脱胶等失效形式，具有更好的稳定性和安全性。

多对称面加强支撑立柱2包括两个上下对称设置的连接垫片21、两个轴向对称设置的侧支撑缘条22以及两个径向对称设置的支撑腹板23，两个支撑腹板23对称固定连接在一起构成主支撑体，两个侧支撑缘条22分别固定在主支撑体的两侧，支撑腹板23和侧支撑缘条22的两端分别与两个连接垫片21相连接。

连接垫片21为圆弧形，连接垫片21的两端进行倒角处理，为降低连接垫片21与薄壁管梁1接触的硬度，连接垫片21两端应做厚度的过渡，由末端最薄逐渐过渡至预定厚度，过渡段弧度角跨度优选取5°左右。此处理可以降低接触边界附近的应力集中现象。连接垫片21的厚度为薄壁管梁1管壁厚度的2倍，圆弧度数为20°，连接垫片21沿薄壁管梁1方向的宽度为薄壁管梁1外管径的0.05倍。侧支撑缘条22为长条形片条，侧支撑缘条22的两端设置有圆弧形贴合部221，圆弧形贴合部221与连接垫片21相连接，侧支撑缘条22的宽度与连接垫片21的宽度相同，侧支撑缘条22的厚度为薄壁管梁1管壁厚度的1倍，两个侧支撑缘条22的间距为薄壁管梁1外管径的0.04倍。支撑腹板23为C型截面片条，两个支撑腹板23的侧板232相互贴合，对称的两个支撑腹板23的缘条231与侧支撑缘条22贴合，支撑腹板23的缘条231宽度不大于1/2侧支撑缘条22宽度，两个支撑腹板23两端分别与两个连接垫片21相连接。多对称面加强支撑立柱2的中轴通过所处位置的薄壁管梁1截面圆心，且多对称面加强支撑立柱2的中轴垂直于薄壁管梁1轴线和所处位置截面的弯矩矢量方向。即多对称面加强支撑立柱2的最大高度恰好等于薄壁管梁1的内径，且两个连接垫片21中心分别通过受弯薄壁管梁1的最大压应力和最大拉应力点。

为了验证本技术方案的优越性进行薄壁管梁与内部设置有多对称面加强支撑立柱的薄壁管梁的对比实验，其中薄壁管梁的数据为：长度，外半径R=0.1m，厚度t=1mm，铺层角度[90/0/0/±45]s,归一化弯矩/>,E₀=100GPa。实验结果如图6所示。图7为薄壁管梁与内部设置有多对称面加强支撑立柱的薄壁管梁在归一化弯矩=0.9时的变形量对比图，在图中M为弯矩，N为角变形量，A为本实施例的内部设置有多对称面加强支撑立柱的薄壁管梁，B为薄壁管梁，虚线为未变形状态。角变形量减少了14%。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁，包括薄壁管梁，其特征在于：薄壁管梁内设置有至少一个按设定间距布置的多对称面加强支撑立柱，多对称面加强支撑立柱的材质与薄壁管梁相同；

所述多对称面加强支撑立柱包括两个上下对称设置的连接垫片、两个轴向对称设置的侧支撑缘条以及两个径向对称设置的支撑腹板，两个支撑腹板对称固定连接在一起构成主支撑体，两个侧支撑缘条分别固定在主支撑体的两侧，支撑腹板和侧支撑缘条的两端分别与两个连接垫片相连接；

所述连接垫片为圆弧形，连接垫片的两端进行倒角处理，连接垫片的厚度为薄壁管梁管壁厚度的1.5-2.5倍，圆弧度数为15°-25°，连接垫片沿薄壁管梁轴向方向的宽度为薄壁管梁外管径的0.05-0.07倍。

2.根据权利要求1所述的一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁，其特征在于：所述侧支撑缘条为长条形片条，所述侧支撑缘条的两端设置有圆弧形贴合部，所述圆弧形贴合部与所述连接垫片相连接，所述侧支撑缘条的宽度与所述连接垫片的宽度相同，所述侧支撑缘条的厚度为薄壁管梁管壁厚度的1.0-1.5倍，两个所述侧支撑缘条的间距为薄壁管梁外管径的0.04-0.06倍。

3.根据权利要求2所述的一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁，其特征在于：所述支撑腹板为C型截面片条，两个所述支撑腹板的侧板相互贴合，对称的两个所述支撑腹板的缘条与所述侧支撑缘条贴合，所述支撑腹板的缘条宽度不大于1/2所述侧支撑缘条宽度，两个所述支撑腹板两端分别与两个所述连接垫片相连接。

4.根据权利要求3所述的一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁，其特征在于：相邻多对称面加强支撑立柱之间的间距计算公式如下：

；

其中，L为相邻多对称面加强支撑立柱之间的间距，R为薄壁管梁的外半径，t为薄壁管梁的管壁厚度；

当两个多对称面加强支撑立柱之间的薄壁管梁的外半径和管壁厚度不统一时，R为间距L内薄壁管梁的外半径的平均值，；

t为间距L内的管壁厚度的平均值，；

式中，x是沿管径方向的位置。

5.根据权利要求4所述的一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁，其特征在于：所述多对称面加强支撑立柱的中轴通过所处位置的薄壁管梁截面圆心，且所述多对称面加强支撑立柱的中轴垂直于薄壁管梁轴线和所处位置截面的弯矩矢量方向。

6.根据权利要求1所述的一种适用于超低翼载飞机的高效加强薄壁管梁，其特征在于：多对称面加强支撑立柱和薄壁管梁的材质相同，材质为碳纤维复合材料。