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1、第六章 復(fù)合材料在無人飛機上的應(yīng)用狀態(tài) 第 9 頁 共 9 頁課題第六章 復(fù)合材料在無人飛機上的應(yīng)用狀態(tài)目的與要求明確復(fù)合材料在無人飛機上的應(yīng)用程度和現(xiàn)狀使用復(fù)合材料制造無人機是的該機種具有了特別突出的優(yōu)勢熟悉全復(fù)合材料無人機在未來戰(zhàn)爭、救災(zāi)和特殊環(huán)境下的應(yīng)用特點明確復(fù)合材料已經(jīng)成為制造無人機不可或缺的基礎(chǔ)了解復(fù)當(dāng)前國內(nèi)外無人機的發(fā)展狀態(tài)、應(yīng)用領(lǐng)域和主要特點重點使用復(fù)合材料制造無人機是的該機種具有了特別突出的優(yōu)勢熟悉全復(fù)合材料無人機在未來戰(zhàn)爭、救災(zāi)和特殊環(huán)境下的應(yīng)用特點難點明確復(fù)合材料已經(jīng)成為制造無人機不可或缺的基礎(chǔ)了解復(fù)當(dāng)前國內(nèi)外無人機的發(fā)展狀態(tài)、應(yīng)用領(lǐng)域和主要特點教具復(fù)習(xí)提問明確復(fù)合材料在

2、無人飛機上的應(yīng)用程度和現(xiàn)狀使用復(fù)合材料制造無人機是的該機種具有了特別突出的優(yōu)勢新知識點考查明確復(fù)合材料在無人飛機上的應(yīng)用程度和現(xiàn)狀使用復(fù)合材料制造無人機是的該機種具有了特別突出的優(yōu)勢布置作業(yè)課堂布置課后回憶熟悉全復(fù)合材料無人機在未來戰(zhàn)爭、救災(zāi)和特殊環(huán)境下的應(yīng)用特點明確復(fù)合材料已經(jīng)成為制造無人機不可或缺的基礎(chǔ)備注教員美國RQ-4A全球鷹無人機MFX-2 “柔性蒙皮”變形無人機 圖8 尾翼典型結(jié)構(gòu)切面 1. 概述小型無人飛機結(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)

3、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。2. 小型無人機新型結(jié)構(gòu)型式2.1. 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

4、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,

5、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

6、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。圖1 泡沫夾層結(jié)構(gòu)典型切面

7、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。2.2. 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

8、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

9、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2 梁式結(jié)構(gòu)機身典型切面 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2.3. 翼面新型結(jié)構(gòu)形式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

10、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??;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

11、材料預(yù)成型結(jié)構(gòu)(見圖 7)。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。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

12、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

13、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)。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。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。圖11 機翼整體油箱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12 機身整體油箱5. 作業(yè)5.1. 使用復(fù)合材料制造無人機所能獲得哪些優(yōu)勢?5.2. 復(fù)合材料導(dǎo)致了小型無人機出現(xiàn)了哪

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