CN117416537A - 一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机及其制造方法，所述展示样机包括机身、翼面结构、起落架，所述机身包括机身骨架、和包覆在机身骨架上的机身蒙皮，所述翼面结构包括机翼、水平安定面、垂直安定面、鸭翼、倾转翼，其特征在于，所述机身骨架包括若干不同规格尺寸的梁、若干不同规格尺寸的框及若干不同规格尺寸的肋；所述翼面结构包括翼面蒙皮和设置在翼面蒙皮中的若干不同规格尺寸的梁和肋；所述机身骨架和翼面结构的梁、框和肋均由规格化的碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板机切割加工获得。

Description

一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机及制造方法

技术领域

本发明涉及航空结构设计领域，具体涉及一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机及制造方法。

背景技术

随着EVTOL（电动垂直起降飞行器）市场正在兴起，对于新型号的产品展示有非常大的需求。此外，由于EVTOL机体结构减重和增加续航的需求，全复合材料机体，也会作为市场推广的重点。因此如何开发低成本、短周期、外观优良的展示样机是一个亟待解决的技术问题。

发明人发现，目前全尺寸展示样机采用何种结构设计，既能有效支撑机体的重量，体现飞机结构结构设计理念，保证良好的外观，同时又具有较低的成本、快速的生产工艺，目前没有成熟的技术路线。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机及制造方法。

第一方面，提供一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机，包括机身、翼面结构、起落架，所述机身包括机身骨架及设置在机身骨架上的蒙皮，所述翼面结构包括机翼、水平安定面、垂直安定面、鸭翼、倾转翼。所述机身骨架包括若干不同尺寸规格的梁、框和肋；所述翼面结构包括翼面蒙皮和设置在蒙皮中的若干不同规格尺寸的梁和肋；所述机身骨架和翼面结构的梁、框和肋均由规格化厚度的碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板机加工得到。

通过采用上述技术方案，将展示样机的结构部件尽可能标准化、规格化，从而省略机体骨架零件的复材成型模，只需平板模具成型一块或多块碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板，再在大平板上机加工出相应的梁、框、肋等零部件，简化了加工工艺。

进一步的，所述机身骨架和翼面结构中的梁、框和肋与蒙皮配合的一侧，其轮廓与蒙皮轮廓相配合。

通过采用上述技术方案，将梁、框与肋与蒙皮的结合面积增大，结合强度增大。

进一步的，所述碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板包括碳纤维层和设置在碳纤维层之间的泡沫夹心层；所述蒙皮包括玻璃纤维复合材料层。

通过采用上述技术方案，机身骨架及翼面结构中的梁、框、肋采用碳纤维复合材料可确保足够的强度和刚度支撑展示样机，蒙皮采用玻璃纤维复合材料可降低成本。

进一步的，所述蒙皮根据受力情况，蒙皮上还设置有泡沫夹芯层或共固化筋条。

通过采用上述技术方案，可以增加蒙皮刚度，使蒙皮成为硬壳式结构，以此可以简化内部骨架密度和结构。

进一步的，所述梁包括普通梁和加强梁，所述框包括普通框和加强框，所述肋包括普通肋和加强肋，所述普通梁、普通框、普通肋采用厚度规格相同的碳纤维泡沫夹芯复合材料；所述加强梁、加强框、加强肋采用厚度规格相同的碳纤维泡沫夹芯复合材料，厚度大于普通梁、普通框、普通肋的厚度。

通过采用上述技术方案，将机身骨架和翼面结构中的梁、框、类根据受力情况分为两种厚度规格，在保证展示样机足够强度的同时，又可以减重，并且简化了加工工艺。

进一步的，所述展示样机的梁、框、肋的骨架零部件可通过螺栓连接、插槽连接、金属角片紧固件连接等任一或多种连接方式结合进行连接。

采用螺栓连接时，应在螺栓孔部位，使用金属衬套加强孔壁的抗挤压强度，以规避泡沫不耐挤压的缺点。

采用插槽结构时，在一定程度上利用挤压机械自锁。

进一步的，所述骨架在连接部位，还采用通用的金属角材进行连接。进一步加强各部件的连接强度。

第二方面，本发明还提供一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机的制造方法，包括以下步骤：

S1、制备机身骨架和翼面结构的梁、框、肋等零部件；

S11、在平板上分别铺贴固化规格化厚度的碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板，所述碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板包括碳纤维预浸料层和设置在碳纤维预浸料层之间的泡沫夹心层；

S12、从两种规格化厚度的碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板上分别机加工出机身骨架和翼面结构中的梁、框、肋等零件；所述梁、框、肋等零件贴合蒙皮的一侧加工出与蒙皮贴合的曲度；

S2、制备机身蒙皮；

S21、使用湿法手糊工艺，在模具上单独成型机身蒙皮。

S22、对S21中模具整体进行加热固化。

S3、制备机翼、水平安定面、垂直安定面、鸭翼、尾翼等翼面结构；

S31、制备机翼；

S311、使用模具分别成型机翼的两个面的蒙皮；

S312、在机翼一面蒙皮成型模上分别定位和胶接梁、肋等骨架元件，并在梁、肋与另一面蒙皮解除的一侧涂胶；

S313、将机翼另一面蒙皮带模具合模到s312中的骨架上，并施压后固化，进而形成机翼整体；

S32、水平安定面、垂直安定面、鸭翼、尾翼等翼面的制备步骤同机翼。

S4、对机身骨架的梁、框、肋等进行连接装配，形成机身骨架；

S5、使用束缚带将机身蒙皮胶接在机身骨架上。

S6、采用便携式托架进行大部段对接，包括翼面结构起落架等与机身的对接。

进一步的，在实施所述步骤S11前，还包括步骤：

S10、结合需要用到的梁、框、肋的数量和尺寸规格，设计两种不同厚度的碳纤维泡沫夹芯复合材料尺寸及相应梁、框、肋在其上的排布图。

通过该技术方案，合理排布梁、框、肋在大平板上的加工位置，可减少加工废料，最大程度节约原材料。

进一步的，在步骤S3和S4中，在组装机身骨架和翼面结构时，所述梁、框、肋等零部件具有连接孔的部位还使用了金属衬套，可加强孔壁的抗挤压强度，以及规避机体骨架中泡沫夹芯不耐挤压的缺点。

进一步的，在步骤S3和S4中，在组装机身骨架和翼面结构时，所述梁、框、肋等零部件的连接，还使用了插槽连接，可以一定程度利用挤压机械自锁。

进一步的，在步骤S3和S4中，在组装机身骨架和翼面结构时，所述梁、框、肋等零部件的连接，还采用通用金属角材对各零部件进行连接。

有益效果：该方法省略了常规用于制备骨架零部件的成型模具，只需要用平板模具成型一块或若干块大平板即可，降低了成本；一张大平板上可设计排布多个机体零部件，生产效率高；机体骨架采用碳纤维泡沫夹芯复合材料以支撑展示样机重量，蒙皮采用玻璃纤维复合材料以降低成本；飞机蒙皮采用硬壳式结构设计，可简化内部支撑结构，简化装配工装，缩短装配工时；机体骨架各部位的连接中统一采用L型角材连接，减少了复杂机加工金属接头的成本。

附图说明

附图1为一种复合材料全尺寸样机整体结构示意图；

附图2为复合材料全尺寸样机整体骨架示意图；

附图3为部分梁、框、肋在平板上的排列图一；

附图4为部分梁、框、肋在平板上的排列图二；

附图5为机身前段左蒙皮示意图；

附图6为机翼上蒙皮示意图；

附图7展示样机骨架螺栓连接示意图；

附图8为机体骨架零部件插槽连接并使用金属角片紧固件连接示意图；

其中：1-机身；2-机翼；3-水平安定面；4-垂直安定面；5-鸭翼；6-倾转翼；7-梁；8-框；9-肋；10-碳纤维层；11-泡沫夹芯层；12-共固化加强筋；13-螺栓；14-金属衬套； 15-插槽；16-金属角片；17-骨架与蒙皮无配合区。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“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，仅是为了便于描述本发明的简化描述，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。结合附图1-2，一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机（以倾转旋翼机展示样机为例），包括机身1、翼面结构、起落架，所述机身1包括机身骨架和设置在机身骨架上的机身蒙皮；所述翼面结构包括机翼2、水平安定面3、垂直安定面4、鸭翼5和倾转翼6及动力短舱；所述机身骨架由若干不同尺寸规格的梁7、框8和肋9组成；所述翼面结构包括翼面蒙皮和设置在翼面蒙皮中若干不同规格尺寸的梁7和肋9；所述机身骨架和翼面结构上的梁7、框8和肋9均由规格化厚度的碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板通过机加工得到；所述碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板包括碳纤维层10和设置在碳纤维层10之间的泡沫夹芯层11；所述蒙皮包括玻璃纤维复合材料层。

所述梁7包括普通梁和加强梁，所述框8包括普通框和加强框，所述肋9包括普通肋和加强肋，所述普通梁、普通框、普通肋采用厚度规格为22.4mm的碳纤维泡沫夹芯复合材料，所述加强梁、加强框、加强肋采用厚度规格为42.4mm的碳纤维泡沫夹芯复合材料。

结合附图3-4，为部分梁7、框8、肋9在碳纤维泡沫夹芯大平板上排列图。所述梁7、框8、肋9与蒙皮配合的一侧，需要加工出与蒙皮贴合的曲度。

根据蒙皮在展示样机的位置和承力情况，蒙皮上还设置有共固化加强筋12或设置泡沫夹心层11。例如：附图5示出了机身前段左蒙皮示意图，在蒙皮与骨架无配合区17，蒙皮内部设置有共固化泡沫夹芯层11；附图6示出的机翼上蒙皮示意图，在其长度方向和垂直于长度方向上均设置有共固化加强筋12，在蒙皮与骨架无配合区，蒙皮内部设置有共固化泡沫夹芯层11。

所述机体骨架的零部件可通过螺栓连接、插槽连接、金属角片紧固件连接等任一或多种连接方式结合进行连接。如图7所示，骨架中梁7、框8、肋9等零部件可以通过螺栓13固定连接，由于梁、框、肋等为碳纤维泡沫夹芯结构，因此在连接孔位置设置金属衬套14，以加强孔壁的抗挤压强度，规避泡沫夹心层11不耐挤压的缺点。如附图8，还示出了机身骨架及翼面结构中梁7、框8、肋9等零件通过插槽15连接，同时在连接件形成的内角上通过安装金属角片紧固件16进行连接。

本发明还提供了一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机的制造方法，包括以下步骤：

S1、制备机身骨架和翼面结构的梁7、框8、肋9等零部件；

S10、结合需要用到的梁7、框8、肋9的数量和尺寸规格，设计两种不同厚度的碳纤维泡沫夹芯复合材料尺寸及相应梁7、框8、肋9在其上的排布图；

S11、在平板上分别铺贴固化两种规格化厚度的碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板，所述碳纤维泡沫夹芯大平板包括碳纤维预浸料层和设置在碳纤维预浸料层之间的泡沫夹心层；

S12、从两种规格化厚度的碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板上机加工出机体骨架的梁、框、肋等零件的轮廓；所述梁、框、肋等零件的贴合蒙皮的一侧需要加工出与蒙皮贴合的曲度；

S2、制备机身蒙皮；

S21、使用湿法手糊工艺，在木模上单独成型蒙皮；

S22、使用便携式加热方法，60摄氏度加热固化。

S3、制造机翼、水平安定面、垂直安定面、鸭翼、尾翼等翼面结构。

S31、制备机翼；

S311、使用木模分别成型机翼两个面的蒙皮；

S312、在机翼一面蒙皮成型模上分别定位和胶接梁、肋等骨架元件，并在另一侧涂胶；

S313、将机翼另一面蒙皮带模具合模到s312中的骨架上，并施压后固化，进而形成机翼整体；

S32、水平安定面、垂直安定面、鸭翼、倾转翼等的制备同机翼。

S4、对机身骨架的梁、框、肋等进行连接装配，形成机身骨架；

S5、使用束缚带将机身蒙皮胶接在机身骨架上；

S6、采用便携式托架进行大部段对接，包括翼面结构、起落架等与机身的对接。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明而所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机，包括机身、翼面结构、起落架，所述机身包括机身骨架、和包覆在机身骨架上的机身蒙皮，所述翼面结构包括机翼、水平安定面、垂直安定面、鸭翼、倾转翼，其特征在于，所述机身骨架包括若干不同规格尺寸的梁、若干不同规格尺寸的框及若干不同规格尺寸的肋；所述翼面结构包括翼面蒙皮和设置在翼面蒙皮中的若干不同规格尺寸的梁和肋；所述机身骨架和翼面结构的梁、框和肋均由规格化的碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板机切割加工获得。。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机，其特征在于所述梁、框和肋贴合蒙皮的一侧的轮廓与蒙皮轮廓相贴合。

3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机，其特征在于，所述碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板包括碳纤维层和设置在碳纤维层之间的泡沫夹心层；所述蒙皮包括玻璃纤维复合材料层。

4.根据权利要求3所述的一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机，其特征在于，所述蒙皮上，还设置有共固化加强筋或泡沫夹心层。

5.根据权利要求3所述的一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机，其特征在于，所述梁包括普通梁和加强梁，所述框包括普通框和加强框，所述肋包括普通肋和加强肋，所述普通梁、普通框、普通肋采用厚度规格相同的碳纤维泡沫夹芯复合材料，厚度范围为22-23mm的；所述加强梁、加强框、加强肋采用相同厚度规格碳纤维泡沫夹芯复合材料，厚度范围为42-43mm。

6.根据权利要求3所述的一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机，其特征在于，所述梁、框、肋在连接孔部位，使用金属衬套加强孔壁的抗挤压强度，以规避泡沫不耐挤压的缺点。

7.根据权利要求5所述的一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机，其特征在于，所述梁、框、肋的连接部位采用插槽结构，使连接部位利用挤压机械自锁。

8.根据权利要求6所述的一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机，其特征在于，所述梁、框、肋的连接部位还采用了通用标准化角材进一步连接。

9.根据权利要求1-8所述的一种碳纤维复合材料全尺寸展示样机，其特征在于制造方法包括以下步骤：

S1、制备机身骨架和翼面结构的梁、框、肋等零部件；

S11、在平板上分别铺贴固化规格化厚度的碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板，所述碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板包括碳纤维层和设置在碳纤维层之间的泡沫夹心层；

S12、从两种规格化厚度的碳纤维泡沫夹芯复合材料大平板上分别机加工出机身骨架和翼面结构中的梁、框、肋等零件；所述梁、框、肋等零件贴合蒙皮的一侧加工出与蒙皮贴合的曲度；

S2、制备机身蒙皮；

S21、使用湿法手糊工艺，在模具上单独成型机身蒙皮；

S22、对S21中模具整体进行加热固化；

S3、制备机翼、水平安定面、垂直安定面、鸭翼、倾转翼等翼面结构；

S31、制备机翼；

S311、使用模具分别成型机翼的两个面的蒙皮；

S312、在机翼其中一面蒙皮成型模上分别定位和胶接梁、肋等骨架元件，并在梁、肋等骨架与另一侧蒙皮接触的一侧涂胶；

S313、将机翼另一面蒙皮带模具合模到s312中的骨架上，并施压后固化，进而形成机翼整体；

S32、水平安定面、垂直安定面、鸭翼、倾转翼等翼面的制备步骤同机翼；

S4、对机身骨架的梁、框、肋等进行连接装配，形成机身骨架；

S5、使用束缚带将机身蒙皮胶接在机身骨架上；

S6、采用便携式托架进行大部段对接，包括翼面结构起落架等与机身的对接。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，实施所述步骤S11前，还包括步骤：

S10、结合需要用到的梁、框、肋的数量和尺寸规格，设计两种不同厚度的碳纤维泡沫夹芯复合材料尺寸及相应梁、框、肋在其上的排布图。