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        小型無人飛機復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)形式分析

        2011-10-11 02:30:20王建華陳令國朱成香胡定紅
        教練機 2011年3期
        關(guān)鍵詞:芯材蒙皮壁板

        王建華,陳令國,朱成香,胡定紅

        (洪都航空工業(yè)集團,南昌 330024)

        0 引言

        小型無人飛機結(jié)構(gòu)的主要功能是保持氣動外形及艙室形狀,承受飛機氣動載荷、發(fā)射回收產(chǎn)生的集中載荷以及機載設(shè)備的質(zhì)量力,為機載設(shè)備提供一個良好安裝平臺。飛機結(jié)構(gòu)在滿足強度、剛度的前提下,還應(yīng)滿足重量輕、成本低、工藝性好等要求。

        小型無人機由于其低風(fēng)險、低成本及總體尺寸較小的特點,使一些新材料、新式構(gòu)型與新型結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用成為可能。利用先進復(fù)合材料實現(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化、采用夾芯壁板的硬殼式結(jié)構(gòu),減少機體內(nèi)部骨架支持的結(jié)構(gòu)形式,可以提高機體內(nèi)可用空間,增大設(shè)備空間、油量,同時降低結(jié)構(gòu)重量系數(shù),另外,整體壁板的結(jié)構(gòu)形式,便于實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)/功能一體化。復(fù)合材料優(yōu)良的性能、顯著的減重效益及良好的整體成型工藝性,為小型無人機減輕重量和降低制造成本提供了更大的可能性,使其逐漸成為了小型無人飛機的主體材料。

        1 小型無人機新型結(jié)構(gòu)型式

        1.1 主要結(jié)構(gòu)新型構(gòu)型與新型結(jié)構(gòu)設(shè)計

        小型無人機采用泡沫夾層結(jié)構(gòu)等新式構(gòu)型,泡沫夾層結(jié)構(gòu)重量輕、具有較大的彎曲剛度和強度。泡沫夾層結(jié)構(gòu)是承載效率較高的結(jié)構(gòu)形式,對于小型無人機,不僅一般結(jié)構(gòu)可以采用,主要承載結(jié)構(gòu)也可采用,而且,一般情況下,面板采用玻璃纖維復(fù)合材料,就能滿足強度要求。

        泡沫夾層結(jié)構(gòu)由上下薄復(fù)合材料面板、泡沫芯和膠粘劑組成,膠粘劑將面板和芯材膠接成一個整體,如圖1所示。(面板主要承受面內(nèi)拉伸、壓縮和面內(nèi)剪切;芯材支持面板承受垂直于面板的壓縮應(yīng)力,并能防止面板在側(cè)壓載荷下產(chǎn)生屈曲 (芯材承受壓縮和剪切載荷)。

        泡沫夾層結(jié)構(gòu)薄復(fù)合材料面板根據(jù)載荷大小可選用玻璃布或碳纖維:

        1)玻璃布成本低,粘接成型工藝性好,可在常溫下進行粘接固化,但強度性能相對要差一些,適用于載荷較小、重量/剛度要求較低的部件;

        2)碳纖維成本相對較高,需高溫高壓固化,熱壓罐成型,工藝復(fù)雜,但碳纖維強度性能較好,適用于載荷較大、重量/剛度要求高的部件。

        泡沫芯可選用NOMEX蜂窩、ROHACELL泡沫板和硬質(zhì)聚氨脂泡沫:

        1)NOMEX蜂窩夾芯優(yōu)點是比強度、比剛度大,價格便宜,工藝方法成熟,缺點是制造曲板較困難,蜂窩與形面貼合較難,需銑切加工,因蜂窩較軟,不易裝夾,加工困難;蜂窩為開暢式結(jié)構(gòu),蜂窩內(nèi)易積水等液體,蜂窩與內(nèi)、外玻璃鋼面板膠接成形后,不易排除,在高空底溫環(huán)境下結(jié)冰,易漲破面板,造成面板脫膠,從而破壞壁板蒙皮結(jié)構(gòu);蜂窩與壁板膠接面較小,蜂窩內(nèi)需預(yù)浸一定厚度的膠粘劑,才能保證膠接強度,蜂窩內(nèi)預(yù)浸的膠粘劑的厚度不容易控制,因此,膠接重量難以控制,這是蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)超重的主要因素之一。

        2)在相同密度下,ROHACELL泡沫是強度和剛度最高的泡沫材料。ROHACELL泡沫板為閉孔結(jié)構(gòu),各向同性,平面和橫向、法向都有較高的剪切模量,橫向、法向變形??;100%閉孔泡沫,不易受潮和進水;可加溫軟化成型與面板貼合,成型性能好;ROHACELL泡沫板為閉孔結(jié)構(gòu),低樹脂吸收率,而降低樹脂吸收率,在一定程度上會優(yōu)化夾層結(jié)構(gòu)的重量,減少面板和芯材之間的樹脂量,使之與壁板膠接面大,膠粘劑厚度均勻,從而提高膠接強度。

        3)硬質(zhì)聚氨脂泡沫注射填充在已成型的復(fù)合材料層壓板蒙皮內(nèi),不用加工芯材外形,結(jié)構(gòu)形式、工藝方法簡單,缺點是發(fā)泡性能不穩(wěn)定,注射填充時泡沫芯材密度不易控制,容易超重,影響結(jié)構(gòu)的重心分布和結(jié)構(gòu)剛度。

        1.2 機身新型結(jié)構(gòu)形式

        無人機機體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是選擇合理的結(jié)構(gòu)型式,應(yīng)力求設(shè)計簡練、傳力合理,結(jié)構(gòu)重量輕和制造工藝性好,常規(guī)布局的機身典型結(jié)構(gòu)型式為梁式結(jié)構(gòu)和壁板式蒙皮結(jié)構(gòu)(無梁)。

        梁式結(jié)構(gòu)是常見的機身結(jié)構(gòu)形式 (如圖2所示),由縱向梁凸緣、蒙皮和橫向框組成,依據(jù)載荷情況,在機身截面周圈合理布置四根梁,上、下大梁承受總體彎矩產(chǎn)生的軸力,蒙皮只受剪,為了維持承載構(gòu)件的穩(wěn)定性,設(shè)若干框。壁板蒙皮采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu),上、下大梁為復(fù)合材料預(yù)成型結(jié)構(gòu),可以很好地滿足較復(fù)雜的機身外形面的要求??v向梁凸緣與蒙皮形成了可承受雙向彎矩的梁,以承受剪力和彎矩。而扭矩則通過閉式壁板或兩側(cè)梁的參差受剪(有口蓋時)來承受。機身上、下大梁和夾層結(jié)構(gòu)的面板主要采用玻璃纖維復(fù)合料,其結(jié)構(gòu)成本低,而且具有良好的抗疲勞特性和沖擊韌性。

        由于輕型無人機結(jié)構(gòu)較輕,載荷較小,也可考慮采用壁板式蒙皮結(jié)構(gòu),壁板蒙皮(如圖4、圖5所示)采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu),夾芯有一定高度,機身形成了可承受結(jié)構(gòu)雙向彎矩的整體梁,以承受剪力和彎矩,而扭矩則通過機身上、下壁板合攏后(如圖3所示)形成的閉式結(jié)構(gòu)來承受。上、下壁板蒙皮為復(fù)合材料預(yù)成型結(jié)構(gòu),可以很好地滿足較復(fù)雜的機身外形和內(nèi)形要求,大大減少了零件數(shù)量和裝配工作量,簡化了裝配協(xié)調(diào)關(guān)系。

        圖3 壁板式機身典型切面

        圖4 機身上壁板

        圖5 機身下壁板

        1.3 翼面新型結(jié)構(gòu)形式

        1.3.1 機翼新型結(jié)構(gòu)形式

        小型無人機機翼或較大型無人機安定面等大型翼面,載荷較大,一般采用梁式壁板結(jié)構(gòu)或硬殼式壁板結(jié)構(gòu)。

        梁式壁板結(jié)構(gòu)主要由上下壁板蒙皮、前后梁和若干翼肋組成。蒙皮只受剪,夾芯可采用蜂窩夾芯,法向有較高的剪切模量,面內(nèi)抗壓能力較強,維持壁板面內(nèi)剛度,防止失穩(wěn);總體彎曲載荷引起的軸力主要由前后梁緣條來傳遞,剪力由梁腹板傳遞,扭矩由壁板和前后梁組成的閉室來傳遞。翼肋支持壁板翼面和梁腹板并傳遞局部集中力載荷,維持承力構(gòu)件剛度。

        硬殼式壁板結(jié)構(gòu)主要由上下壁板蒙皮、前后梁、和若干翼肋組成。壁板不僅承剪,而且承受由總體彎曲產(chǎn)生的拉壓軸力,夾芯可采用ROHACELL泡沫板,ROHACELL泡沫板為閉孔結(jié)構(gòu),各向同性,平面和橫向、法向都有較高的剪切模量,橫向、法向變形小;梁緣條面積很小,梁的作用主要是承受梁腹板內(nèi)的剪力,只起墻的作用。翼肋支持壁板翼面和梁腹板并傳遞局部集中力載荷,維持承力構(gòu)件剛度。

        蒙皮壁板結(jié)構(gòu),通常設(shè)計為結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜的薄面板復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu),大大減少了零件數(shù)量和裝配工作量,簡化了裝配協(xié)調(diào)關(guān)系。

        翼梁可采用硬鋁合金結(jié)構(gòu)(見圖6)和復(fù)合材料預(yù)成型結(jié)構(gòu)(見圖7)。

        1)硬鋁合金結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,工藝方法成熟,但金屬結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料壁板粘接性能較差,在使用過程中易剝離,梁彎邊與壁板內(nèi)形的吻合性較差,間隙不均勻,影響膠接質(zhì)量和重量。同時,由于載荷較小,一般采用板彎件,成本較低,但無法進行等強度設(shè)計,會損失一定重量。

        2)復(fù)合材料預(yù)成型結(jié)構(gòu)則可以很好地滿足較復(fù)雜的機身外形面的要求,根據(jù)應(yīng)力水平,可以方便地采用變厚度結(jié)構(gòu),進行等強度設(shè)計,既能滿足結(jié)構(gòu)強度要求,又能最大限度的降低結(jié)構(gòu)重量,同時翼梁采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu),其材料各項性能(包括粘接性能、熱膨脹系數(shù))與壁板接近,翼梁彎邊與機翼壁板軟膠接,可大大提高翼梁與機翼壁板的粘接強度,降低熱脹冷縮對膠結(jié)面的影響。

        這種結(jié)構(gòu)形式一般適用于機翼等大型翼面,協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜、結(jié)構(gòu)承載能力強。

        1.3.2 平尾、垂尾新型結(jié)構(gòu)形式

        小型無人機平尾、垂尾等中型翼面,一般采用夾層壁板墻式結(jié)構(gòu)。夾層壁板墻式結(jié)構(gòu)由上下壁板蒙皮、墻和若干翼肋組成,有單墻或多墻形式。彎曲載荷主要由壁板來傳遞,剪力由墻傳遞,扭矩由夾層壁板和墻組成的閉室來傳遞。翼肋支持夾層壁板翼面并傳遞局部集中力載荷。在夾層壁板墻式結(jié)構(gòu)中,由于夾層壁板既要承受正應(yīng)力,又要承受剪應(yīng)力,因此設(shè)計為可承受面內(nèi)正應(yīng)力的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。翼墻為復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)或木質(zhì)層板結(jié)構(gòu)。

        這種結(jié)構(gòu)形式一般適用于平尾、垂尾等中型翼面(見圖8),協(xié)調(diào)關(guān)系相對簡單,結(jié)構(gòu)承載能力較強。

        圖6 機翼典型結(jié)構(gòu)切面一

        圖7 機翼典型結(jié)構(gòu)切面二

        圖8 尾翼典型結(jié)構(gòu)切面

        1.3.3 副翼、方向舵新型結(jié)構(gòu)形式

        副翼、方向舵等小型操縱舵面,一般采用全高度泡沫夾芯結(jié)構(gòu)。全高度泡沫夾芯結(jié)構(gòu)主要由上下蒙皮、前后梁和少量翼肋組成。彎曲載荷主要由被內(nèi)部泡沫芯材密集支撐的蒙皮來傳遞,剪力由墻傳遞,扭矩由蒙皮和前后墻組成的閉室來傳遞。由于有泡沫芯材對蒙皮的密集支持,因此除端部安排翼肋外,其它翼肋相對可以較少或取消,其數(shù)量與型式依據(jù)蒙皮穩(wěn)定性和局部集中力載荷傳遞的需要合理布置。在全高度泡沫夾芯結(jié)構(gòu)中,蒙皮為復(fù)合材料層壓板,厚度一般較薄,在泡沫芯材的密集支持下,既承受正應(yīng)力,又承受剪應(yīng)力。翼墻和翼肋為復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)或木質(zhì)層板結(jié)構(gòu)。

        全腔填充泡沫夾芯結(jié)構(gòu)由復(fù)合材料蒙皮和硬質(zhì)泡沫塑料芯材組成,無梁,少量肋(主要是端肋)。其承力原理類似于夾層結(jié)構(gòu)梁,泡沫芯材起到腹板的作用。

        這種結(jié)構(gòu)形式一般適用于副翼、方向舵等操縱舵面,翼面較小,結(jié)構(gòu)簡單,重量輕。(見圖9、圖10)

        圖9 副翼結(jié)構(gòu)典型切面

        圖10 方向舵結(jié)構(gòu)典型切面

        1.4 整體油箱新型結(jié)構(gòu)形式

        復(fù)合材料整體壁板具有良好的氣密性;復(fù)合材料面板材料及縫內(nèi)膠有耐油性,不容易腐蝕;整體壁板有較好的隔熱性能和較高的結(jié)構(gòu)剛度,既是承力結(jié)構(gòu),又是整體油箱壁板,可充分利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu),大大減輕結(jié)構(gòu)重量;其材料各項性能(包括粘接性能、熱膨脹系數(shù))接近,不會因熱脹冷縮,而破壞膠結(jié)面、產(chǎn)生裂縫,各部件連接采用膠接(無機械連接),則解決了因機械連接產(chǎn)生的密封問題。

        1.4.1 機翼整體油箱

        某型無人機機翼整體油箱(見圖11)在前、后梁之間,左、右3肋以內(nèi),充分利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)(前、后梁,左、右3肋,上、下壁板),梁、肋與壁板采用膠接形式(無機械連接),密封性能良好。

        1.4.2 機身整體油箱

        某型小型無人機機身整體油箱(見圖12)主要由3、6框(油箱端框)和上、下壁板及機翼下壁板組成,它們均為機身主要承力構(gòu)件,其連接采用膠接形式(無機械連接),密封性很好。

        圖11 機翼整體油箱

        圖12 機身整體油箱

        2 結(jié) 語

        先進復(fù)合材料及新型結(jié)構(gòu)形式的廣泛使用(復(fù)合材料使用量達到90%以上),使無人飛機結(jié)構(gòu)重量系數(shù)這一重要指標(biāo)得以實現(xiàn),將小型無人機結(jié)構(gòu)重量系數(shù)控制在20%~22%左右,可騰出足夠重量空間讓給燃油、有效載荷、武器和補償隱身帶來的重量。

        在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,不僅要滿足受力要求,還應(yīng)與結(jié)構(gòu)功能化設(shè)計和隱身設(shè)計融合在一起,即應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)功能化設(shè)計和隱身設(shè)計的相容性。利用先進復(fù)合材料,將各種功能化設(shè)計和隱身技術(shù)融合到飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化,滿足無人飛機輕結(jié)構(gòu)、長航程、高隱身的技術(shù)要求。

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