CN103342167B - 一种机翼复合材料缩比模型的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种机翼复合材料缩比模型的制造方法，属于复合材料结构和飞机风洞气动弹性试验模型的制造技术领域，涉及一种机翼复合材料缩比模型的制造方法。该方法根据实际飞机设计尺寸、缩比系数及复合材料性能参数，制造满足模型几何外形相似的模具，选择适当的材料参数和加工工艺参数；制造飞机机翼的复合材料缩比模型中，先制造翼梁和翼肋，再将翼梁和翼肋组合连接成为骨架，骨架与金属根肋连接，再在骨架上填充泡沫后，进行修形；使用模具将修形后含填充泡沫的骨架成型，形成上、下蒙皮。本发明以较小的重量获取较大的刚度和强度，并且能够根据不同的需要，调节机翼复合材料缩比模型的抗弯和抗扭刚度。

Description

一种机翼复合材料缩比模型的制造方法

技术领域

本发明属于复合材料结构和飞机风洞气动弹性试验模型的制造技术领域，涉及一种机翼复合材料缩比模型的制造方法，特别是用于机翼气动弹性风洞试验的复合材料缩比模型。

背景技术

飞机研制过程中，必须对机翼等结构的缩比模型进行气动弹性风洞试验，以研究飞机各主要部件，如机翼等结构的空气动力学特性，为飞机的载荷确定、强度校核以及颤振特性研究提供重要的试验数据。根据相似理论，优良的机翼缩比模型需要在几何外形、静刚度特征、重量特征等方面与原机翼结构具有相似性，这样才能更好的满足机翼气动弹性风洞试验要求，提高试验数据的可靠性。早期的飞机机翼气动弹性风洞试验多采用全金属或全实木制造的机翼缩比模型，此类模型一般采用数控加工方式制造，易于获得较高的几何外形精度，但是由于这样的缩比模型为实体结构，因而其弹性特征与实际机翼结构的弹性特征完全不同。目前，大量采用基于金属骨架结构的机翼缩比模型进行气动弹性风洞实验。此类模型主要由金属骨架、蒙皮和填充泡沫构成，其中金属骨架为单梁或多梁与肋板构成的骨架结构，是机翼缩比模型的主要承力构件，提供机翼缩比模型的绝大部分抗弯和抗扭刚度；而蒙皮和填充泡沫仅仅用于气动维形和气动力传递，对机翼缩比模型的刚度贡献极少，从而造成缩比模型的结构效率低、自身重量大，使得机翼缩比模型难以满足与机翼结构在重量特征方面的相似关系。同时，由于此类机翼缩比模型的金属骨架采用整块金属材料数控加工得到，受加工中残余应力的影响，金属骨架变形较大，造成制造完成的缩比模型难以获得较高的几何外形精度，影响机翼气动弹性风洞试验精确性。

机翼复合材料缩比模型是一种新型的机翼缩比模型形式，它在结构形式上与原机翼结构具有部分的结构相似特征，主要由蒙皮、翼梁、翼肋、填充泡沫和界面增韧层构成。其中安装在缩比模型根部的翼肋用于连接缩比模型主体和风洞洞壁或其他支撑结构；蒙皮和翼梁等构件均由树脂基纤维增强复合材料制成，且各个构件的相对位置、承载特性等与原机翼结构具有相似性；填充泡沫一方面用于排空空气，另一方面与缩比模型的蒙皮、翼梁、翼肋粘接在一起，防止风洞试验时机翼缩比模型出现结构失稳现象。各粘接界面上存在界面增韧层，以确保粘接可靠性。机翼复合材料缩比模型利用复合材料可设计性好、比模量高、易成型的优点，在模型结构上部分模拟原飞机蒙皮和骨架等承力结构的几何拓扑特征及刚度分布特征，不仅能够大大提高缩比模型的结构效率，有效降低缩比模型的结构重量；而且在载荷传递与刚度分配特征上也具有相似性，使得机翼缩比模型与原机翼结构具有了更高的相似性，更有利于飞机机翼的风洞试验研究。由于机翼复合材料缩比模型的结构复杂，其制造不仅要保证机翼缩比模型的外形几何精度，而且在很多情况下要考虑机翼缩比模型在弹性特征、质量分布特征等方面的精确性。而传统的复合材料结构制造方法，多立足于通过改善工艺过程和材料特性，尽可能提高结构的刚度和强度，这与机翼复合材料缩比模型的制造目标是不相符的。因而需要一种机翼复合材料缩比模型的制造方法，能够不仅保证机翼缩比模型的外形几何精度，而且还能够保证机翼缩比模型在刚度特征、质量特征等方面的精确性。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种机翼复合材料缩比模型的制造方法，特别是一种用于气动弹性风洞试验的机翼缩比模型的制造方法，包括缩比模型主体和用于连接风洞洞壁与缩比模型主体的金属根肋。本模型以较小的重量获取较大的刚度和强度，并且能够根据不同的需要，调节机翼复合材料缩比模型的抗弯和抗扭刚度，使模型达到指定的抗弯和抗扭刚度。

本发明采用的技术方案是：一种飞机的机翼复合材料缩比模型的制造方法：根据上述机翼复合材料缩比模型的结构形式，其制造按照先制造翼梁1和翼肋2，然后将翼梁1和翼肋2组合连接成为骨架，骨架与金属根肋3连接，然后再在骨架上安装填充泡沫5，然后对填充泡沫进行修形，最后使用模具和修形后的含泡沫的骨架共同成型上、下蒙皮4、6，并同时将上下蒙皮与含泡沫的骨架连接成为一体。具体制造方法如下：

一、模具制造方法

（1）蒙皮模具的制造方法：蒙皮有上、下蒙皮4、6，对应有上下蒙皮模具的制造，材料选用金属合金，加工方法为数控加工，要求是模具内表面形面满足树脂传递模塑工艺的要求；在模具上加工出定位骨架的装置，开槽或者用定位块，上下蒙皮模具闭模之后在模具上加工出出入浇口，出入浇口位置的选择是经RTM-Worx软件优化流道后得到的，优化的原则是尽可能保证树脂能够很好的浸渍纤维增强材料；

（2）翼梁模具的制造方法：翼梁的模具采用数控加工的金属合金模具或在阳模基础上翻制的玻璃钢模具，翼梁和翼肋端部多加工出一段定位块，与蒙皮模具加工出的槽相互配合用于定位，确保骨架和蒙皮模具保持准确的位置关系；

二、翼梁1和翼肋2的制造方法

翼梁1的结构形式为自由曲面的变截面梁，梁截面为矩形、工字形或C字形；翼梁的制造工艺采用树脂传递模塑工艺，首先将增强纤维排列成一定形状，然后放入已加工好的翼梁模具中，在翼梁模具闭合锁紧后，通过压力将树脂注入密闭的模腔，树脂在浸渍增强纤维的同时将空气赶出，在模具充满树脂后，通过室温或加温固化，固化反应进行完全后，打开模具取出构件；翼肋2为等厚度板结构，其制造成型工艺由金属材料数控加工或由木质材料加工制成，或由树脂基纤维增强复合材料材料制成，制造成型后，使用线锯切割出符合设计要求的轮廓外形；

三、金属根肋3的制造方法

采用数控加工，金属根肋定位方法采用销定位，具有能与其他支撑结构相连接的功能；

四、骨架定位装配方法

骨架的装配采用手工湿法成型工艺并配合真空袋，加温或常温固化；

五、泡沫填充粘接方法

泡沫填充装配采用复合材料湿法连接，涂抹不饱和聚酯树脂腻子使得泡沫外孔封闭，在骨架上安装填充泡沫5，然后对填充泡沫进行修形；

六、增加界面增韧提高连接强度方法

翼梁1、翼肋2以及填充泡沫5之间采用粘接方式连接在一起，在各个部件粘接界面上涂覆不饱和聚酯树脂，然后在其上面均匀铺洒3~8mm的短切纤维，以此增加界面增韧层以提高连接强度；

七、蒙皮成型树脂传递模塑方法

蒙皮的制造工艺也采用树脂传递模塑成型工艺，首先在下蒙皮模具中将形成结构的增强纤维按要求排列成一定形状，放置已经装配好的骨架和泡沫芯，压实压紧，然后用相同的方法在上蒙皮模具中铺设增强纤维，最后把模具闭合锁紧，通过压力将树脂注入闭合模，待模具充满树脂后，通过室温或加温固化，固化反应进行完全后，打开模具，对成型好的蒙皮进行修形；在此过程中也同时完成了蒙皮与骨架和泡沫芯之间的装配，最终连接成为一体；此工艺使骨架和蒙皮之间的装配更加紧密，连接的更好。

树脂传递模塑成型工艺制造蒙皮和翼梁所用树脂是环氧树脂或乙烯基树脂或不饱和聚酯树脂；所用增强纤维是由玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或两种制成的短切纤维毡或具有平面编织结构的织物；填充泡沫为酯类或胺类有机物闭孔泡沫，存在与蒙皮、翼梁和翼肋围成的空间内。

制造蒙皮和翼梁的另一种方法是根据需求采用真空袋辅助，即将铺叠好的增强纤维密闭在真空袋与模具之间，然后抽真空形成负压促使树脂浸渍增强纤维材料。真空辅助能够进一步改善树脂的流动性，使纤维含量更高，树脂对纤维的浸渍更好。

本发明的效果和益处是：该制造方法不仅能够保证机翼缩比模型的外形几何精度，而且还能够保证机翼缩比模型在刚度特征、质量特征等方面的精确性。该技术制造的机翼复合材料缩比模型与原机翼结构具有更高的相似性，更有利于飞机机翼的风洞试验研究。

附图说明

图1为某机机翼复合材料缩比模型的骨架结构示意图，图中：1是翼梁；2是翼肋。

图2为蒙皮成型和模型整体装配示意图，图中：3是金属根肋；4是上蒙皮；5是填充泡沫；6是下蒙皮。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。本发明在材料上采用了纤维增强树脂基复合材料，通过调整基体树脂与增强纤维的类型和含量百分比，可以获得满足设计要求的力学性能的复合材料。所以在制造过程中，凡是涉及树脂固化成型的过程，均要在固化成型后，通过称重法初步检验构件的树脂纤维比例是否适当，然后通过性能检测，由模型实验目的决定。一般检验构件柔度或模态频率，检测构件的性能是否达到要求。

此机翼复合材料缩比模型几何外形是真实机翼的几何缩比外形，至少包括：上、下蒙皮、一根沿展向连续不断的翼梁、三个沿弦向安装且与翼梁相交的翼肋、用于连接风洞洞壁与缩比模型主体的金属根肋、用于填充内部空腔的填充泡沫、以及用于加强连接的界面增韧层。上、下蒙皮和翼梁由树脂基纤维增强复合材料制成，树脂可以是环氧树脂、乙烯基树脂或不饱和聚酯树脂，增强纤维可以是由玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或两种制成的短切纤维毡或具有平面编织结构的织物。各部件使用的增强纤维类型、增强纤维铺设方向、增强纤维与树脂比例以及铺层厚度均可以在全面积上或局部面积上调节。蒙皮包含至少一层具有第一纤维方向的全面积铺层和至少一层具有第二纤维方向的全面积铺层。翼肋可以由金属材料或木质材料制成，也可以由树脂基纤维增强复合材料材料制成。翼肋中安装在根部的翼肋部分称根肋，全部采用金属制成，且具有能与其他支撑结构相连接的功能。填充泡沫为酯类或胺类有机物闭孔泡沫，填充在蒙皮、翼梁和翼肋围成的空间内。蒙皮、翼梁、翼肋以及填充泡沫之间采用粘接方式连接在一起，各个部件粘接界面上存在界面增韧层以提高连接强度。

以某机机翼气动弹性风洞试验的复合材料缩比模型为例结合附图，对本发明作进一步的说明。图1为某机机翼复合材料缩比模型的骨架结构示意图，其中包含多根横向翼梁1和横向翼肋2。图2为蒙皮成型和模型整体装配示意图，其中包含上蒙皮4与下蒙皮6的成型和骨架与蒙皮装配成一体。制造过程分为翼梁1制造、翼肋2制造，翼梁1、翼肋2装配成骨架，金属根肋3与骨架连接，填充泡沫5，上蒙皮4与下蒙皮6制造和整体装配。对于涉及树脂固化成型的过程，构件制造后均需进行性能检测和误差补偿，确保合格。

根据实际飞机设计尺寸、缩比系数及复合材料性能参数，制造满足模型几何外形相似的模具，选择适当的材料参数和加工工艺参数。上下蒙皮模具的材料选用金属合金，加工方法为数控加工，在蒙皮模具上加工出定位装置槽和出入浇口。翼梁模具的材料选用金属合金，加工方法为数控加工。翼梁和翼肋端部多加工出一段定位块，与蒙皮模具加工出的槽相互配合用于定位。

翼梁1截面为C型，材料为碳纤维和环氧树脂，采用金属阳模和真空袋辅助的RTM成型工艺，保证加压消泡和加温固化，温度为60~80℃。翼肋2为等厚度板结构，材料为木质材料，用线锯切割出所需要的轮廓外形。根肋3材料为金属合金，采用数控加工，定位采用销定位。

骨架的装配在下蒙皮模具上进行，装配时，先在下蒙皮模具上制作辅助定位蒙皮，此蒙皮主要置于梁肋与蒙皮的结合处，为翼梁、翼肋提供定位。采用环氧树脂将翼梁、翼肋粘接后加温固化，温度为60~80℃。骨架间填充泡沫，用不饱和聚酯树脂腻子将填充泡沫与骨架粘合，加温固化，温度为60~80℃，固化后修形。

上蒙皮4和下蒙皮6的制造和模型整体装配是同时进行的，根据性能需要，上蒙皮4和下蒙皮6为变厚度蒙皮，成型时为充分保证模型几何外形的精确，以下蒙皮模具为基础，在上面铺设增强纤维，然后放置好装配好并已经修形后的骨架与填充泡沫5，压实压紧，在增强纤维与骨架之间衬垫短切纤维，对于蒙皮变厚度区域，保证顶层和底层为整张纤维，过渡区域夹在中间，形成表面平滑过渡。然后用相同的方法在上蒙皮模具中铺设增强纤维，最后把模具闭合锁紧，通过压力将树脂注入上下蒙皮闭合模，待模具充满树脂后，通过室温或加温固化，固化反应进行完全后，打开模具，对成型好的蒙皮进行修形，完成机翼缩比模型的制造。

本发明的机翼复合材料缩比模型以较小的重量获取较大的刚度和强度，并且能够根据不同的需要，调节机翼复合材料缩比模型的抗弯和抗扭刚度，使机翼复合材料缩比模型达到指定的抗弯和抗扭刚度。

Claims (3)

1.一种飞机机翼的复合材料缩比模型的制造方法，其特征在于，根据实际飞机设计尺寸、缩比系数及复合材料性能参数，制造满足模型几何外形相似的模具，选择适当的材料参数和加工工艺参数；制造飞机机翼的复合材料缩比模型中，按照先制造翼梁(1)和翼肋(2)，再将翼梁(1)和翼肋(2)组合连接成为骨架，骨架与金属根肋(3)连接，然后再在骨架上填充泡沫(5)后，进行修形；最后，使用模具将修形后含填充泡沫的骨架成型，形成上、下蒙皮(4、6)，并将上、下蒙皮(4、6)与含填充泡沫的骨架连接成为一体；模型制造方法的具体步骤如下：

一、蒙皮模具制造方法

(1)蒙皮模具的制造方法：蒙皮有上、下蒙皮(4、6)，对应有上下蒙皮模具的制造，材料选用金属合金，加工方法为数控加工，要求是模具内表面形面满足树脂传递模塑工艺的要求；在模具上加工出定位骨架的装置，开槽或者用定位块，上下蒙皮模具闭模之后在模具上加工出出入浇口，出入浇口位置的选择是经RTM-Worx软件优化流道后得到的，优化的原则是尽可能保证树脂能够很好的浸渍纤维增强材料；

(2)翼梁模具的制造方法：翼梁的模具采用数控加工的金属合金模具或在阳模基础上翻制的玻璃钢模具，翼梁和翼肋端部多加工出一段定位块，与蒙皮模具加工出的槽相互配合用于定位，确保骨架和蒙皮模具保持准确的位置关系；

二、翼梁和翼肋制造方法

翼梁(1)的结构形式为自由曲面的变截面梁，梁截面为矩形、工字形或C字形；翼梁的制造工艺采用树脂传递模塑工艺，首先将增强纤维排列成一定形状，然后放入已加工好的翼梁模具中，在翼梁模具闭合锁紧后，通过压力将树脂注入密闭的模腔，树脂在浸渍增强纤维的同时将空气赶出，在模具充满树脂后，通过室温或加温固化，固化反应进行完全后，打开模具取出构件；翼肋为等厚度板结构，其制造成型工艺由金属材料数控加工或由木质材料加工制成，或由树脂基纤维增强复合材料材料制成，制造成型后，使用线锯切割出符合设计要求的轮廓外形；

三、金属根肋(3)制造方法

金属根肋(3)制造方法采用数控加工，根肋定位方法采用销定位，能与其他支撑结构相连接；

四、骨架定位装配方法

骨架的装配采用手工湿法成型工艺，并配合真空袋，加温或常温固化；翼梁、翼肋形成骨架部分的装配在蒙皮阴模上进行，装配前，将金属根肋定位固定于蒙皮成形模具上，按照骨架外形对泡沫进行修形，采用填料封闭泡沫表面的微小气孔；先在蒙皮阴模上刻线用于辅助梁的定位，制作位于梁肋与蒙皮阴模之间的辅助定位蒙皮为翼梁、翼肋提供定位，采用环氧树脂将梁、肋粘接并在梁肋结合处采用联结角片加固，骨架根肋粘接金属镶嵌件后加温固化；

五、填充泡沫和粘接方法

填充泡沫装配采用复合材料湿法连接，涂抹不饱和聚酯树脂腻子使得泡沫外孔封闭，在骨架上安装填充泡沫，然后对填充泡沫进行修形；

六、增加界面增韧提高连接强度方法

翼梁、翼肋以及填充泡沫之间采用粘接方式连接在一起，在各个部件粘接界面上涂覆不饱和聚酯树脂，然后在其上面均匀铺洒3～8mm的短切纤维，以此增加界面增韧层以提高连接强度；

七、上、下蒙皮(4、6)的成型工艺

上、下蒙皮的制造工艺采用树脂传递模塑成型工艺，上、下蒙皮包含至少一层具有第一纤维方向的全面积铺层和至少一层具有第二纤维方向的全面积铺层，形成增强纤维结构；首先在下蒙皮模具中将形成增强纤维结构中，放置已经装配好的骨架和填充泡沫，压实压紧，然后用相同的方法在上蒙皮模具中铺设增强纤维，最后把模具闭合锁紧，通过压力将树脂注入闭合模，待模具充满树脂后，通过室温或加温固化，固化反应进行完全后，打开模具，对成型好的蒙皮进行修形；完成蒙皮与骨架和填充泡沫之间的装配，连接成为一体。

2.根据权利要求1所述的飞机机翼的复合材料缩比模型的制造方法，其特征在于：制造蒙皮和翼梁所用树脂是环氧树脂或乙烯基树脂或不饱和聚酯树脂；所用增强纤维是由玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或两种制成的短切纤维毡或具有平面编织结构的织物；填充泡沫为酯类或胺类有机物闭孔泡沫，存在与蒙皮、翼梁和翼肋围成的空间内。

3.根据权利要求1或2所述的飞机机翼的复合材料缩比模型的制造方法，其特征在于：制造蒙皮和翼梁的另一种方法是根据需求采用真空袋辅助，即将铺叠好的增强纤维密闭在真空袋与模具之间，然后抽真空形成负压促使树脂浸渍增强纤维材料。