一种应用燕尾榫结构的复合材料主承力翼面及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种应用古代榫卯结构的复合材料主承力翼面及其制备方法，属于复合材料设计及成型技术领域。

背景技术：

2.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，其应用范围由最初的次承力结构扩展到现在的主承力结构。
3.为了减轻结构重量，提高飞行器的航程和经济性，复合材料主承力翼面通常采用泡沫或者蜂窝夹芯减重结构。在飞行过程中，主承力翼面的根部接头、复合材料部分和夹芯材料协同变形并分布传递载荷，产生升力。如何提高翼面内部的夹芯泡沫和金属接头连接处的抗拉强度及协调变形的能力，是需要解决的问题。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种应用燕尾榫结构的复合材料主承力翼面及其制备方法，翼面内部的夹芯泡沫通过预制的榫头/榫眼和金属接头预制的榫眼/榫头相连接，提高了连接处的抗拉强度及协调变形的能力。
5.本发明的技术解决方案：
6.一种应用燕尾榫结构的复合材料主承力翼面，包括夹芯泡沫、金属接头和蒙皮；所述夹芯泡沫通过预制的燕尾榫的榫头与所述金属接头上预制的燕尾榫的榫眼相连接，或者所述夹芯泡沫通过预制的燕尾榫的榫眼与所述金属接头上预制的燕尾榫的榫头相连接；所述夹芯泡沫和所述金属接头的外部包覆所述蒙皮。
7.优选地，所述的主承力翼面，为碳纤维复合材料面板(即蒙皮)和夹芯泡沫构成的减重结构，夹芯泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或聚氨酯泡沫，预先机加成所需要的外形。
8.优选地，按照主承力翼面不同区域的承载特性，所述的夹芯泡沫为变厚度设计，从翼根区域到翼尖逐渐变厚，相应地，泡沫上下的蒙皮即复合材料面板从翼根区域到翼尖区域逐渐变薄，符合主承力翼面工作过程中受到的载荷从根部到翼尖逐渐变小的趋势变化。
9.优选地，所述的夹芯泡沫沿翼面弦向分成多块，可以在主承力翼面内部形成多闭室结构，提高复合材料翼面的抗弯及抗扭性能。
10.优选地，为了减小刚度阶跃，所述的每块泡沫根部和接头配合的区域都有凸起的插头，插入金属接头预留的空腔，通过插头和空腔的挤压传递翼面受到的载荷。
11.优选地，所述夹芯泡沫的插头的端面机加出燕尾形状的凸台(即燕尾榫的榫头)，配合金属接头预留的空腔的内壁的端面机加出的燕尾形状的凹槽(即燕尾榫的榫眼)；或者在金属接头预留的空腔内壁的端面机加出燕尾形状的凸台(即燕尾榫的榫头)，配合夹芯泡沫的插头的端面机加出的燕尾形状的凹槽(即燕尾榫的榫眼)。凸台根部窄，端部宽，凹槽根
部宽，端部窄。
12.可选地，所述的燕尾榫可以是一个整块，也可以加工成多个部分再拼接成榫卯结构。
13.一种应用燕尾榫结构的复合材料主承力翼面的制备方法，包括以下步骤：
14.在夹芯泡沫和金属接头上机加出榫头形状的凸块或者榫眼形状的凹面；
15.将夹芯泡沫包覆预浸料并通过模具预增强固化，并与金属接头机加成型出的榫眼形状的凹面或者榫头形状的凸块连接；
16.在夹芯泡沫和金属接头组合的“阳模”上整体包覆预浸料并固化成型主承力翼面。
17.这种方法设计成型出的泡沫和接头，在配合连接处形成了滑动燕尾榫结构，提高了装配可靠性及连接部分的抗拉强度。
18.优选地，所述的夹芯泡沫需要采取增强处理方法，如包覆纤维预浸料并固化，以提高压缩强度，避免在装配的过程中出现材料的挤压变形。
19.优选地，所述的夹芯泡沫的包覆纤维预浸料并固化的增强方法，为保证固化后的尺寸精度，尤其是装配面的精度外形，必须采用模具固化成型，不能采用真空袋压固化的方法。
20.本发明的有益效果如下：
21.本发明中，主承力翼面内部的夹芯泡沫通过预制的榫头/榫眼和金属接头预制的榫眼/榫头相连接，提高了连接处的抗拉强度及协调变形的能力。
附图说明
22.图1是实施例中夹芯泡沫的插头以及插头上的榫头的示意图。
23.图2是实施例中金属接头的空腔以及空腔内壁上的榫眼的示意图。
24.图3是燕尾榫的角度示意图。
25.图4是夹芯泡沫从根部到翼尖分为的5个区域示意图。
具体实施方式
26.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。
27.本发明的一个实施例中，提供一种应用燕尾榫结构的复合材料主承力翼面，其包括夹芯泡沫、金属接头和蒙皮；所述夹芯泡沫通过预制的燕尾榫的榫头与所述金属接头上预制的燕尾榫的榫眼相连接，或者所述夹芯泡沫通过预制的燕尾榫的榫眼与所述金属接头上预制的燕尾榫的榫头相连接；所述夹芯泡沫和所述金属接头的外部包覆所述蒙皮。
28.本发明的一个实施例中，所述蒙皮为碳纤维复合材料面板；所述夹芯泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或聚氨酯泡沫，预先机加成所需要的外形。
29.本发明的一个实施例中，按照主承力翼面不同区域的承载特性，所述夹芯泡沫为变厚度设计，从翼根区域到翼尖逐渐变厚，相应地，所述夹芯泡沫上下的蒙皮即复合材料面板从翼根区域到翼尖区域逐渐变薄，符合主承力翼面工作过程中受到的载荷从根部到翼尖逐渐变小的趋势变化。
30.本发明的一个实施例中，所述的夹芯泡沫沿翼面弦向分成多块，如图1所示有四块
泡沫。
31.本发明的一个实施例中，如图1、图2所示，所述夹芯泡沫的根部和金属接头配合的区域都有凸起的插头，插入金属接头预留的空腔，通过插头和空腔的挤压传递翼面受到的载荷，以减小刚度阶跃。如图1、图2所示，所述夹芯泡沫的插头的端面机加出燕尾榫的榫头，配合所述金属接头预留的空腔内壁的端面机加出的燕尾榫的榫眼。其他实施例中，也可以在所述金属接头预留的空腔内壁的端面机加出燕尾榫的榫头，配合所述夹芯泡沫的插头的端面机加出的燕尾榫的榫眼。
32.优选地，本发明的燕尾榫的角度α如图3所示，两个直角边a、b的比例范围为1：5～1：9，进一步优选a、b的比例为1：6或1：7，即角度α为80度左右。
33.本发明的一个实施例中，提供一种应用燕尾榫结构的复合材料主承力翼面的制备方法，包括以下步骤：
34.在夹芯泡沫和金属接头上机加出榫头形状的凸块或者榫眼形状的凹面；
35.将夹芯泡沫包覆预浸料并通过模具预增强固化，并与金属接头机加成型出的榫眼形状的凹面或者榫头形状的凸块连接；
36.在夹芯泡沫和金属接头组合的阳模上整体包覆预浸料并固化成型主承力翼面。
37.本发明的一个实施例中，夹芯泡沫沿翼面展向从根部到翼尖共分为5个区域：接头装配区，6mm蒙皮区，5mm蒙皮区，3mm蒙皮区，2mm蒙皮区，如图4所示。
38.本发明的一个实施例中，所述将夹芯泡沫包覆预浸料并通过模具预增强固化，包括：
39.将每块泡沫的接头装配区和6mm蒙皮区分别包覆4层t700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/90/0/90]；
[0040]
将每块泡沫的6mm蒙皮区和5mm蒙皮区分别包覆4层t700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/0/90/90]；
[0041]
将每块泡沫的接头装配区，6mm蒙皮区，5mm蒙皮区，3mm蒙皮区，2mm蒙皮区分别包覆8层t700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/90/0/90]s。
[0042]
本发明的一个实施例中，所述在夹芯泡沫和金属接头组合的阳模上整体包覆预浸料，包括：
[0043]
在组装好的金属接头和泡沫上均匀粘贴一层胶膜；
[0044]
将金属接头和泡沫的6mm蒙皮区整体包覆厚度为1mm的t700/9368碳纤维预浸料，铺层方向为[45,0,0,-45,0,0,90,0]；
[0045]
将金属接头和泡沫的6mm、5mm蒙皮区整体包覆厚度为2mm的t700/9368碳纤维预浸料，铺层方向为[0,0,90,0,45,0,0,-45]s；
[0046]
将金属接头和泡沫的6mm、5mm、3mm蒙皮区整体包覆厚度为1mm的t700/9368碳纤维预浸料，铺层方向为[0,0,90,0,45,0,0,-45]；
[0047]
将金属接头和泡沫的6mm、5mm、3mm、2mm蒙皮区整体包覆厚度为2mm的t700/9368碳纤维预浸料，铺层方向为[-45,0,0,45,0,90,0,0]s。
[0048]
本发明的一个实施例中，采用以下步骤进行翼面固化成型：
[0049]
将铺覆好的复合材料翼面装入成型模具中，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。
[0050]
本发明的一个实施例中，成型一件应用燕尾榫结构的的复合材料主承力翼面产品，具体包括如下步骤：
[0051]
第一步，夹芯泡沫准备。
[0052]
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，泡沫沿翼面弦向分为四块，如图1所示。沿翼面展向从根部到翼尖共分为5个区域：接头装配区，6mm蒙皮区，5mm蒙皮区，3mm蒙皮区，2mm蒙皮区，如图4所示。其中的6mm等数值为蒙皮的厚度。
[0053]
第二步，泡沫干燥处理。
[0054]
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。
[0055]
第三步，泡沫包覆铺层。
[0056]
将每块泡沫的接头装配区和6mm蒙皮区分别包覆4层t700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/90/0/90]；
[0057]
将每块泡沫的6mm蒙皮区和5mm蒙皮区分别包覆4层t700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/0/90/90]；
[0058]
将每块泡沫的接头装配区，6mm蒙皮区，5mm蒙皮区，3mm蒙皮区，2mm蒙皮区分别包覆8层t700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/90/0/90]s。
[0059]
第四步，泡沫固化增强处理。
[0060]
将包覆好预浸料的四块泡沫拼接在一起，装入泡沫增强成型工装底模中，合紧上模和边条。将工装放入烘箱，烘箱温度设定130℃，达到温度后保温120min，关机、自然降温至50℃以下。
[0061]
第五步，泡沫和接头装配。
[0062]
将泡沫根部插头上的燕尾榫头缓慢推入金属接头预留空腔内部的榫眼(如图2所示)中，推至泡沫插头完全进入金属接头内部。在装配过程中，如果出现局部干涉的情况，可以对复合材料干涉区域进行修配。
[0063]
第六步：复合材料翼面铺层。
[0064]
在组装好的金属接头和泡沫上均匀粘贴一层ad-36胶膜，可以使用吹风机辅助提高胶膜粘贴的平整度；
[0065]
将金属接头和泡沫的6mm蒙皮区整体包覆厚度为1mm的t700/9368碳纤维预浸料，铺层方向为[45,0,0,-45,0,0,90,0]；
[0066]
将金属接头和泡沫的6mm、5mm蒙皮区整体包覆厚度为2mm的t700/9368碳纤维预浸料，铺层方向为[0,0,90,0,45,0,0,-45]s；
[0067]
将金属接头和泡沫的6mm、5mm、3mm蒙皮区整体包覆厚度为1mm的t700/9368碳纤维预浸料，铺层方向为[0,0,90,0,45,0,0,-45]；
[0068]
将金属接头和泡沫的6mm、5mm、3mm、2mm蒙皮区整体包覆厚度为2mm的t700/9368碳纤维预浸料，铺层方向为[-45,0,0,45,0,90,0,0]s。
[0069]
第七步，翼面固化成型。
[0070]
将铺覆好的复合材料翼面装入成型模具中，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。
[0071]
第八步，翼面脱模。
[0072]
让模具自然冷却至50℃以下进行脱模操作，得到最终成型的复合材料翼面。
[0073]
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。

技术特征：

1.一种应用燕尾榫结构的复合材料主承力翼面，其特征在于，包括夹芯泡沫、金属接头和蒙皮；所述夹芯泡沫通过预制的燕尾榫的榫头与所述金属接头上预制的燕尾榫的榫眼相连接，或者所述夹芯泡沫通过预制的燕尾榫的榫眼与所述金属接头上预制的燕尾榫的榫头相连接；所述夹芯泡沫和所述金属接头的外部包覆所述蒙皮。2.根据权利要求1所述的应用燕尾榫结构的复合材料主承力翼面，其特征在于，所述蒙皮为碳纤维复合材料面板；所述夹芯泡沫为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或聚氨酯泡沫，预先机加成所需要的外形。3.根据权利要求1所述的应用燕尾榫结构的复合材料主承力翼面，其特征在于，按照主承力翼面不同区域的承载特性，所述夹芯泡沫为变厚度设计，从翼根区域到翼尖逐渐变厚，相应地，所述夹芯泡沫上下的蒙皮即复合材料面板从翼根区域到翼尖区域逐渐变薄，符合主承力翼面工作过程中受到的载荷从根部到翼尖逐渐变小的趋势变化。4.根据权利要求1所述的应用燕尾榫结构的复合材料主承力翼面，其特征在于，所述的夹芯泡沫沿翼面弦向分成多块。5.根据权利要求1所述的应用燕尾榫结构的复合材料主承力翼面，其特征在于，所述夹芯泡沫的根部和金属接头配合的区域都有凸起的插头，插入金属接头预留的空腔，通过插头和空腔的挤压传递翼面受到的载荷，以减小刚度阶跃。6.根据权利要求5所述的应用燕尾榫结构的复合材料主承力翼面，其特征在于，所述夹芯泡沫的插头的端面机加出燕尾榫的榫头，配合所述金属接头预留的空腔内壁的端面机加出的燕尾榫的榫眼；或者所述金属接头预留的空腔内壁的端面机加出燕尾榫的榫头，配合所述夹芯泡沫的插头的端面机加出的燕尾榫的榫眼。7.一种应用燕尾榫结构的复合材料主承力翼面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在夹芯泡沫和金属接头上机加出榫头形状的凸块或者榫眼形状的凹面；将夹芯泡沫包覆预浸料并通过模具预增强固化，并与金属接头机加成型出的榫眼形状的凹面或者榫头形状的凸块连接；在夹芯泡沫和金属接头组合的阳模上整体包覆预浸料并固化成型主承力翼面。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述夹芯泡沫沿翼面展向从根部到翼尖共分为5个区域：接头装配区，6mm蒙皮区，5mm蒙皮区，3mm蒙皮区，2mm蒙皮区。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述将夹芯泡沫包覆预浸料并通过模具预增强固化，包括：将每块泡沫的接头装配区和6mm蒙皮区分别包覆4层t700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/90/0/90]；将每块泡沫的6mm蒙皮区和5mm蒙皮区分别包覆4层t700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/0/90/90]；将每块泡沫的接头装配区，6mm蒙皮区，5mm蒙皮区，3mm蒙皮区，2mm蒙皮区分别包覆8层t700/9368单向碳纤维预浸料，铺层方向为[90/90/0/90]
s
。10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在夹芯泡沫和金属接头组合的阳模上整体包覆预浸料，包括：在组装好的金属接头和泡沫上均匀粘贴一层胶膜；
将金属接头和泡沫的6mm蒙皮区整体包覆厚度为1mm的t700/9368碳纤维预浸料，铺层方向为[45,0,0,-45,0,0,90,0]；将金属接头和泡沫的6mm、5mm蒙皮区整体包覆厚度为2mm的t700/9368碳纤维预浸料，铺层方向为[0,0,90,0,45,0,0,-45]
s
；将金属接头和泡沫的6mm、5mm、3mm蒙皮区整体包覆厚度为1mm的t700/9368碳纤维预浸料，铺层方向为[0,0,90,0,45,0,0,-45]；将金属接头和泡沫的6mm、5mm、3mm、2mm蒙皮区整体包覆厚度为2mm的t700/9368碳纤维预浸料，铺层方向为[-45,0,0,45,0,90,0,0]
s
。

技术总结

本发明涉及一种应用燕尾榫结构的复合材料主承力翼面及其制备方法。该主承力翼面包括夹芯泡沫、金属接头和蒙皮；所述夹芯泡沫通过预制的燕尾榫的榫头与所述金属接头上预制的燕尾榫的榫眼相连接，或者所述夹芯泡沫通过预制的燕尾榫的榫眼与所述金属接头上预制的燕尾榫的榫头相连接；所述夹芯泡沫和所述金属接头的外部包覆所述蒙皮。所述夹芯泡沫以及所述夹芯泡沫上下的蒙皮即复合材料面板可为变厚度设计，以符合主承力翼面工作过程中受到的载荷从根部到翼尖逐渐变小的趋势变化。本发明中翼面内部的夹芯泡沫通过预制的榫头/榫眼和金属接头预制的榫眼/榫头相连接，提高了连接处的抗拉强度及协调变形的能力。的抗拉强度及协调变形的能力。的抗拉强度及协调变形的能力。