一种轻质防热承力隐身一体化结构的制作方法

1.本发明属于结构设计技术领域，特别涉及一种用于飞行器机体的轻质防热承力隐身一体化结构。

背景技术：

2.随着科技的进步与发展，我国航天航空飞行器综合性能有进一步提升的需求，航程、机动性能是需重点提升的项目。结构是飞行器的重要组成部分，当前我国航天航空飞行器研究主要以型号需求为导向，机体结构防热质量面密度等方面还有一定的提升空间。因此，轻质小型化技术仍然是飞行器机体的一项核心技术。采用传统的各系统独立设计、各自减重的设计方法已经不能满足现在的发展需求，结构、防隔热、隐身协同设计、一体化设计是提高质量效率、实现轻质化的主要途径，轻质小型化结构能够增加飞行器的综合能力。

技术实现要素：

3.本发明的技术解决问题是：传统的隐身、承力、防热结构一般为各系统单独设计，不仅增加了总重量，且界面间的性能一般，为克服现有技术的不足，提供了一种轻质防热承力隐身一体化结构，主要解决轻质防热承力隐身一体化结构设计与成型问题，大幅降低了飞行器的质量，提高了飞行器的综合性能。
4.本发明提供的技术方案如下：
5.一种轻质防热承力隐身一体化结构，包括夹心结构和填充在夹心结构内部的吸波材料；所述吸波材料为絮状或纤维状的石墨烯或碳纳米管吸波材料；所述夹心结构包括中间芯材及芯材两侧的外层面板和内层面板，外层面板采用防热、透波纤维增强树脂基复合材料或者纤维增强陶瓷基复合材料，所述夹心结构的芯材采用蜂窝芯或三角锥结构，所述夹心结构的内层面板采用碳纤维树脂基复合材料，作为夹芯结构的基材及反射承载层；外层面板、芯材和内层面板通过胶膜粘接，共固化整体成型，整体结构的边缘为外层面板和内层面板粘结形成的压板区，用于与其他结构螺栓连接。
6.根据本发明提供的一种轻质防热承力隐身一体化结构，具有以下有益效果：
7.(1)本发明隐身防热承力一体化的机身结构，充分利用了复合材料的可设计性，基于此可制备出力学性能优异、耐更高温度、烧蚀率更低、电性能更稳定的新型一体化结构，在新型航天航空飞行器等领域具有广泛的应用前景；
8.(2)本发明的一体化结构，充分利用已有结构的条件，有效减少各功能单独设计带来的结构重叠、需求空间增大等问题，提高了飞行器内部可用空间；
9.(3)本发明飞行器结构设计在保证结构的完整性以及预期的安全寿命的前提下重量最小、质量效率高、强度刚度满足载荷设计要求、具备工艺可实现性；
10.(4)本发明的结构实现了防热、隐身和承力的多功能一体化设计，不仅节约了成本，同时避免了不同材料界面间由不同热膨胀系数导致的变形，提高了飞行器结构的性能；
11.(5)本发明充分利用复合材料的可设计性，可适用于不同飞行马赫数的飞行器。
附图说明
12.图1为本发明一种轻质防热承力隐身一体化结构的结构示意图；
13.图2为本发明一种轻质防热承力隐身一体化结构的整体示意图；
14.图3为本发明一种轻质防热承力隐身一体化结构的整体示意图；
15.图4为本发明芯材向边缘压板区过渡设计示意图；
16.图5为本发明芯材边缘倒角设计示意图；
17.图6为内外层面板自压板区至芯材两侧铺层设计示意图；
18.图7为实施例1中夹心结构的最小主应变云图；
19.图8为实施例1中夹心结构的最大主应变云图。
具体实施方式
20.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
21.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
22.本发明提供了一种轻质防热承力隐身一体化结构，如图1至图3所示，包括夹心结构和填充在夹心结构内部的吸波材料，所述夹心结构的外层面板采用具有防热、透波功能的纤维增强树脂基复合材料或者纤维增强陶瓷基复合材料；所述夹心结构的芯材为蜂窝芯或三角锥结构，所述夹心结构的内层面板采用碳纤维树脂基复合材料，作为夹芯结构的基材及反射承载层；外层面板、芯材和内层面板通过胶膜粘接，共固化整体成型，整体结构的边缘为外层面板和内层面板粘结形成的压板区，用于与其他结构螺栓连接；所述吸波材料为絮状或纤维状的石墨烯或碳纳米管吸波材料，使具有承载功能的复合材料夹芯结构，在保证承载的前提下满足了隐身需求。
23.在保证整体构型一致的前提下，充分发挥该夹芯结构的可设计性，针对不同飞行器要求采用复合材料体系作为外层面板材料：
24.对于低马赫数飞行器(马赫数为2以下)，由于其对耐温性要求相对较低，但隐身要求较高，隐身防热承力一体化结构的面板使用耐温性能较低而介电性能优良、强度高的透波纤维增强树脂基复合材料如玻璃纤维、芳纶纤维或聚乙烯纤维增强树脂基复合材料。
25.对于高马赫数飞行器(马赫数为2以上)，由于其对耐温性要求相对较高，隐身要求相对稍低，隐身防热承力一体化结构的面板使用耐温性能高而介电性能较好、强度较高的透波纤维增强陶瓷基复合材料如sibn纤维或si3n4纤维增强陶瓷基复合材料。
26.夹心结构的外层面板的厚度为1.95mm-2.4mm，芯材的高度为10mm-12.5mm，内层面板的厚度为1.95mm-2.4mm。夹心结构的芯材为正六边形蜂窝芯材时，通过单层或多层蜂窝芯堆积达到所需高度，单个蜂窝单元的高度为5-10mm，蜂窝边长为2-5mm；夹心结构的芯材为三角锥结构拼接芯材时，通过单层或多层三角锥结构堆积达到所需高度，单个三角锥结构的边长为1.6-3.2mm，锥角40度。
27.为提高外层面板的透波功能，对纤维增强树脂基复合材料或者纤维增强陶瓷基复合材料进行了深入研究，发现纤维织物增强体的铺层方式对吸波性能有较大影响。为此，本
发明中，确定了纤维织物增强体的铺层方式确定方法：
28.首先确定夹心结构中预浸料的初始铺层方案，其中，45
°
方向铺层占比为15％-30％，0
°
方向铺层占比为30％-60％，-45
°
方向铺层占比为15％-30％，90
°
方向铺层占比为10％-20％，夹心结构芯材两侧预浸料层数及铺层方式一致；其中，定义垂直于蜂窝孔格展开方向为x，蜂窝孔格展开方向为y，蜂窝孔格高度方向为z，建立坐标系，铺贴面为xy平面，x正向为0
°
，y正向为90
°
。
29.然后，通过预浸料、芯材的原材料性能，预浸料铺层方向和叠层厚度、芯材高度，使用有限元软件确定外层面板、内层面板和芯材的强度属性(见表1和表2)和夹心结构的最小安全裕度粗值，若强度属性和最小安全裕度粗值不满足要求，则重新调整铺层方案，强度属性满足要求，进行工程测试。
30.表1
31.芯材内、外层面板ec(压缩模量/psi)e
fx1
(压缩模量/psi)gc(最小剪切模量/psi)e
fx2
(压缩模量/psi)g
cx
(剪切模量/psi)e
fy1
(压缩模量/psi)g
cy
(剪切模量/psi)e
fy2
(压缩模量/psi)f
sc
x(剪切强度/psi) f
sc
y(剪切强度/psi) 32.根据飞行器载荷，从有限元模型中提取最大受载网格的单元力。材料力学理论，结构在外载荷下，会产生内力，内力包含轴(膜)力、剪力和弯矩。其中复合材料结构在轴向拉压作用下面内的力为膜力，在弯曲作用下剖面内会产生剪力和弯矩。
33.夹心结构的最小安全裕度(m.s.)粗值通过下式确定：
[0034][0035]
式中，fi为最大蔡希尔失效系数，可通过有限元软件的最大位移云图可直接获取，也可以通过工程公式计算；
[0036]
最后，考虑到复合材料结构各向异性和材料的分散性较大，因此以下采用工程公式进行详细校核。确定内外两层面板和芯材的最小安全裕度，确定内外两层面板和芯材的剪切强度，确定内外两层面板的平均应力、最大主应力和最小主应力，根据参数指标与设定值比较，不断优化铺层方向、铺层厚度和蜂窝晶格尺寸、高度，最终求出优化的铺层表和蜂窝参数。
[0037]
内外两层面板的平均应力为：
[0038][0039]
式中，i为内外两层面板的总转动惯量，p为轴向力，a为面板截面积，m是弯矩，c是整个夹心结构厚度的一半；
[0040]
根据公式(2)，可以求出内外两层面板的最大主应力和最小主应力。
[0041]
芯材的剪切强度通过下式确定：
[0042][0043][0044]
式中，e
t
是两层面板y向模量，ef是两层面板x向模量，tf是两层面板总厚度，s是芯材晶格边长
[0045]
内外两层面板的剪切强度通过下式确定：
[0046][0047]
式中，g'c是芯材的最小剪切模量，h是芯材高度，t是内外两层面板厚度。
[0048]
最小安全裕度＝(最大主应力/许用应力)-1，两层面板的许用应力选用面板的剪切强度；芯材的许用应力芯材的剪切强度。
[0049]
通过不断优化铺层方向、铺层厚度和蜂窝晶格尺寸、高度，最终求出优化的铺层表和蜂窝参数。
[0050]
为了增强结构使用寿命，减少应力集中，芯材向边缘压板区采用缓坡过渡，确定坡角为25
°±5°
；芯材的边缘应倒角，其中外圆角》3
×
蜂窝厚度，内圆角》2
×
蜂窝厚度。边缘圆角》20mm，芯材根部尖端高度最小1.5mm；见图4和图5。
[0051]
内、外层面板自压板区至芯材两侧铺层过程中实施丢层设计，其中相邻丢层最小距离为5mm，在外层面板拐角处，丢层距离至少10mm。如有防潮需求，在外层面板增加特氟龙材料，见图6。
[0052]
本发明中，夹心结构的芯材内布置感知单元，所述感知单元为应变传感器，用于监测内部芯材应变损伤情况，通过感知单元的加入，实现结构的自检测、自诊断和可维修性。
[0053]
本发明提出的隐身防热承力一体化结构，致力于构筑满足实际使用要求的隐身防热承力一体化宏观三维结构，解决了原始隐身材料状态对其实际应用环境和范围的限制问题。通过引入夹芯结构，利用孔格填充的方法实现耐温透波纤维增强复合材料、吸波连续体优异吸波性能和夹芯结构力学承载能力的一体化结合，保证了研制的石墨烯吸波连续体在实际服役环境下的力学性能达标能力和隐身性能的稳定性。
[0054]
实施例1
[0055]
图1为隐身防热承力一体化夹层结构示意图。图中1为透波纤维增强树脂基复合材料构成的透波层(外层面板)，厚度为1.95mm；图中4为碳纤维树脂基复合材料构成的夹芯结构内层面板，厚度为1.95mm；图中2为典型的夹芯结构中芯材的一种—三角锥夹芯结构，其内部角锥的斜面彼此相交，该芯材结构也是承载的主要结构，三角锥结构边长为3.2mm，锥角40
°
，芯材的整体高度为12.5mm；图中3为填充到夹芯结构中的石墨烯填充体，是实现吸波隐身的单元。
[0056]
纤维织物增强体的铺成方式为：
[0057]
首先，确定夹心结构中预浸料的初始铺层方案，见下表3。碳纤维tg800单向带预浸料每一层厚度0.15mm，上下各13层，加上蜂窝总计27层。蜂窝区总厚度16.4mm(不计胶膜)，边缘层压板区厚度为3.9mm。45
°
方向铺层占比为23％，0
°
方向铺层占比为39％，-45
°
方向铺
层占比为23％，90
°
方向铺层占比为15％；夹心结构芯材两侧预浸料层数及铺层方式一致。
[0058]
初始铺层表
[0059][0060][0061]
其次，通过预浸料、芯材的原材料性能，预浸料铺层方向和叠层厚度、芯材高度，使用有限元软件确定外层面板、内层面板和芯材的强度属性及夹心结构的最小安全裕度粗值，若强度属性和最小安全裕度粗值不满足要求，则重新调整铺层方案，强度属性满足要
求，进行工程测试；
[0062]
最后采用工程方法确定内外两层面板和芯材的最小安全裕度，确定内外两层面板和芯材的剪切强度，确定内外两层面板的平均应力、最大主应力和最小主应力，根据参数指标与设定值比较，不断优化铺层方向、铺层厚度和蜂窝晶格尺寸、高度，最终求出优化的铺层表和蜂窝参数。
[0063]
本发明将夹芯结构作为承载结构和吸波单元，将通过自组装方法得到的石墨烯连续增强体作为填充体。通过将石墨烯原料与辅助添加剂进行配置与混合，控制成型过程原料注入量及成型压力，再对芯材内部填充物进行干燥和固化处理，实现了石墨烯宏观三维吸波连续体的设计成型。引入夹芯结构，通过孔格填充的方法实现石墨烯吸波连续体优异吸波性能和蜂窝结构力学承载能力的一体化结合，制备得到满足轻薄、承载能力技术指标条件下的宽频低电磁反射损耗的复合材料夹芯结构吸波材料，保证了该一体化结构在实际服役环境下的防热性能、力学性能以及隐身性能的稳定性。
[0064]
实施例2
[0065]
一种隐身防热承力一体化夹层结构，夹芯结构为蜂窝芯结构，芳纶纸蜂窝芯子高度10mm，正六边形单元格尺寸5mm，碳纤维tg800单向带透波树脂基预浸料每一层厚度0.15mm，上下各16层，关于蜂窝层对称分布。蜂窝区总厚度14.8mm(不计胶膜)，边缘层压板区厚度为4.8mm。
[0066]
纤维织物增强体的铺成方式为：
[0067]
首先，确定夹心结构中预浸料的初始铺层方案，见下表4。45
°
方向铺层占比为18.75％，0
°
方向铺层占比为50％，-45
°
方向铺层占比为18.75％，90
°
方向铺层占比为12.5％；夹心结构芯材两侧预浸料层数及铺层方式一致。
[0068]
初始铺层表
[0069]
[0070][0071]
其次，通过预浸料、芯材的原材料性能，预浸料铺层方向和叠层厚度、芯材高度，使用有限元软件确定外层面板、内层面板和芯材的强度属性及夹心结构的最小安全裕度粗值，若强度属性和最小安全裕度粗值不满足要求，则重新调整铺层方案，强度属性满足要求，进行工程测试；
[0072]
最小安全裕度粗值式中，fi为最大蔡希尔失效系数。
[0073]
采用有限元软件确定fi＝0.176，可以求出m.s.＝1.38》0，因此方案初步可行。
[0074]
最后，采用工程方法确定内外两层面板和芯材的最小安全裕度，确定内外两层面板和芯材的剪切强度，确定内外两层面板的平均应力、最大主应力和最小主应力，根据参数指标与设定值比较，不断优化铺层方向、铺层厚度和蜂窝晶格尺寸、高度，最终求出优化的铺层表和蜂窝参数。
[0075]
对优化方案进行有限元仿真，计算第20层，应变最大，其中该层最小主应变134，最大主应变413(见图7和图8)，均满足使用要求，因此方案可行。
[0076]
芯材向边缘压板区采用缓坡过渡，坡角为25
°
。芯材的边缘设倒角，其中外圆角》3
×
蜂窝厚度，内圆角》2
×
蜂窝厚度；边缘圆角》20mm，芯材根部尖端高度最小1.5mm。纤维面板铺层自压板区至芯材两侧过渡过程中实施丢层设计，其中相邻丢层最小距离为5mm，在外层面板拐角处，丢层距离至少10mm。
[0077]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0078]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：

1.一种轻质防热承力隐身一体化结构，其特征在于，包括夹心结构和填充在夹心结构内部的吸波材料；所述吸波材料为絮状或纤维状的石墨烯或碳纳米管吸波材料；所述夹心结构包括中间芯材及芯材两侧的外层面板和内层面板，外层面板采用防热、透波纤维增强树脂基复合材料或者纤维增强陶瓷基复合材料，所述夹心结构的芯材采用蜂窝芯或三角锥结构，所述夹心结构的内层面板采用碳纤维树脂基复合材料，作为夹芯结构的基材及反射承载层；外层面板、芯材和内层面板通过胶膜粘接，共固化整体成型，整体结构的边缘为外层面板和内层面板粘结形成的压板区，用于与其他结构连接。2.根据权利要求1所述的轻质防热承力隐身一体化结构，其特征在于，对于马赫数为2以下的低马赫数飞行器，所述外层面板为玻璃纤维、芳纶纤维或聚乙烯纤维增强树脂基复合材料；对于马赫数为2以上的高马赫数飞行器，所述外层面板为sibn纤维或si3n4纤维增强陶瓷基复合材料。3.根据权利要求1所述的轻质防热承力隐身一体化结构，其特征在于，所述夹心结构的芯材为蜂窝芯材时，通过单层或多层蜂窝芯堆积达到所需高度，单个蜂窝单元高度为5-10mm，蜂窝边长为2-5mm；所述夹心结构的芯材为三角锥结构拼接芯材时，通过单层或多层三角锥结构堆积达到所需高度，单个三角锥结构的边长为1.6-3.2mm，锥角40度。4.根据权利要求1所述的轻质防热承力隐身一体化结构，其特征在于，所述夹心结构的外层面板的厚度为1.95mm-2.4mm，芯材的高度为10mm-12.5mm，内层面板的厚度为1.95mm-2.4mm。5.根据权利要求1所述的轻质防热承力隐身一体化结构，其特征在于，所述夹心结构中纤维织物增强体的铺成方式通过以下方式确定：确定夹心结构中预浸料的初始铺层方案，其中，45
°
方向铺层占比为15％-30％，0
°
方向铺层占比为30％-60％，-45
°
方向铺层占比为15％-30％，90
°
方向铺层占比为10％-20％，夹心结构芯材两侧预浸料层数及铺层方式一致；其中，定义垂直于蜂窝孔格展开方向为x，蜂窝孔格展开方向为y，蜂窝孔格高度方向为z，建立坐标系，铺贴面为xy平面，x正向为0
°
，y正向为90
°
；通过预浸料、芯材的原材料性能，预浸料铺层方向和叠层厚度、芯材高度，使用有限元软件确定外层面板、内层面板和芯材的强度属性和夹心结构的最小安全裕度粗值，若强度属性和最小安全裕度粗值不满足要求，则重新调整铺层方案，强度属性满足要求，进行工程测试；确定内外两层面板和芯材的最小安全裕度，确定内外两层面板和芯材的剪切强度，确定内外两层面板的平均应力、最大主应力和最小主应力，根据参数指标与设定值比较，不断优化铺层方向、铺层厚度和蜂窝晶格尺寸、高度，最终求出优化的铺层表和蜂窝参数。6.根据权利要求1所述的轻质防热承力隐身一体化结构，其特征在于，所述芯材向边缘压板区采用缓坡过渡，坡角为25
°±5°
。7.根据权利要求1所述的轻质防热承力隐身一体化结构，其特征在于，所述芯材的边缘设倒角，其中外圆角>3
×
蜂窝厚度，内圆角>2
×
蜂窝厚度；边缘圆角>20mm，芯材根部尖端高度最小1.5mm。
8.根据权利要求1所述的轻质防热承力隐身一体化结构，其特征在于，所述内层面板和外层面板自压板区至芯材两侧铺层过程中实施丢层设计，其中相邻丢层最小距离为5mm，在外层面板拐角处，丢层距离至少10mm。9.根据权利要求1所述的轻质防热承力隐身一体化结构，其特征在于，所述石墨烯吸波材料为通过自组装方法得到的石墨烯连续吸波材料。10.根据权利要求1所述的轻质防热承力隐身一体化结构，其特征在于，所述夹心结构的芯材内布置感知单元，所述感知单元为应变传感器，用于监测内部芯材应变损伤情况。

技术总结

本发明提供了一种轻质防热承力隐身一体化结构，包括外层面板、中间芯材结构及内层面板。将具有防热、透波功能的纤维材料设计为隐身防热承力一体化复合材料夹芯结构的最外层面板，将具有承载、隐身吸波功能的复合材料结构设计为中间芯材，具有承载功能的碳纤维树脂基复合材料作为夹芯结构的内层面板。本发明的一体化结构，充分利用已有结构的条件，有效减少各功能单独设计带来的结构重叠、需求空间增大等问题，提高了飞行器内部可用空间。在保证结构的完整性以及预期的安全寿命的前提下重量最小，同时质量效率高、强度刚度满足载荷设计要求、具备工艺可实现性，且降低了结构成本。且降低了结构成本。且降低了结构成本。