CN112249300B - 一种碳纤维复合材料翼面前缘结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料翼面前缘结构。该碳纤维复合材料翼面前缘结构，通过盒形框和蒙皮相结合的铺层结构保证轻量化前提下的整体刚度，设备接头框采用导电材料，电子设备通过设备接头框安装在翼面前缘结构，使碳纤维复合材料翼面前缘结构具有电子设备的支架功能，在使用时，设备接头框与无人机的其它金属部件(如机翼主梁)接触导电，与现有技术中采用火焰喷涂铝层相比，波动性更小，且避免了火焰喷涂铝层附加的消极重量和容易剥落的风险。

Description

一种碳纤维复合材料翼面前缘结构
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料翼面前缘结构。
背景技术
以高性能无人机为代表的新一代航空飞行器为了减重增程的需要，多采用碳纤维复合材料，而其翼面结构前缘因为其承载要求高，肋板数量多，结构形状不规整，与机体其它结构部位相比空间相对狭小，且碳纤维复合材料导电性能不理想，所以不太容易作为电子设备安装的载体，除满足结构要求外，功能上通常只作为穿线的通道，而携带的电子设备通常使用一个独立的安装支架进行安装。而电子设备的安装支架对平面度和电搭接等都有较高要求，其采用金属材料，机加保证平面度等形位公差，安装在舱体等空间较大的区域，这种支架体积较大，不参与结构整体受力，机体重量大，结构效率不高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种碳纤维复合材料翼面前缘结构，具有电子设备安装支架功能，解决现有技术中的至少一个问题。
(二)技术方案
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种碳纤维复合材料翼面前缘结构，包括作为翼面前缘结构主体的蒙皮，其特征在于：蒙皮的内部沿翼展方向设有多个盒型框，盒型框相对的两个侧壁贴覆在蒙皮的内侧，端壁位于盒型框的端部连接相对的两个侧壁，两个相邻的盒型框，其相邻的两个端壁形成翼面前缘结构的肋板，在翼展方向上多个盒型框形成多个间隔设置的肋板，在部分盒型框的侧壁上设有设备接头框，设备接头框通过螺栓副与蒙皮连接固定，设备接头框为导电材料。
优选地，设备接头框还设有铆钉铰支，铆钉铰支穿过设备接头框、盒型框的侧壁和蒙皮，铆钉铰支与螺栓副间隔设置，且两者的轴线平行。
优选地，铆钉铰支与螺栓副的轴线间距为螺栓副的螺纹大径的3.5～5.5倍。
优选地，两个相邻的盒型框，其相邻的两个端壁之间铺设单向预浸料1～4层。
优选地，盒型框采用准各向同性铺层，其端壁由侧壁的铺层折弯后连续铺覆形成。
优选地，碳纤维复合材料翼面前缘结构具有多个设备接头框，多个设备接头框分布在相应的侧壁上。
优选地，所述蒙皮内还设有安装边，所述安装边对应所述蒙皮的边缘铺设在所述盒型框的侧壁的内表面，所述安装边的最内层采用织物，其余铺层采用0°单向预浸料和织物交替，相邻的0°单向预浸料的层数不超过三层。
优选地，设备接头框具有向蒙皮的边缘延伸的延伸段，延伸段与安装边层内对接。
优选地，蒙皮采用相对中面均衡对称铺层，内外表面铺层采用1～3层平纹织物预浸料，中间铺层采用无纬布预浸料，且0°铺层的比例在45～60％之间。
优选地，设备接头框设有螺纹连接口。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
1、本发明提供的碳纤维复合材料翼面前缘结构，通过盒形框和蒙皮相结合的铺层结构保证轻量化前提下的整体刚度，设备接头框采用导电材料，电子设备通过设备接头框安装在翼面前缘结构，使碳纤维复合材料翼面前缘结构具有电子设备的支架功能，在使用时，设备接头框与无人机的其它金属部件(如机翼主梁)接触导电，与现有技术中采用火焰喷涂铝层相比，波动性更小，且避免了火焰喷涂铝层附加的消极重量和容易剥落的风险。
2、本发明提供的另一种碳纤维复合材料翼面前缘结构，采用间隔分布的多个体积较小的设备接头框，便于设计和加工，保证安装后的平面的形位精度即可保证设备的安装精度，大幅降低了生产成本，在安装设备后借助设备自身的刚度连成整体。
附图说明
本发明附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。
图1是本发明实施例中一种碳纤维复合材料翼面前缘结构的示意图；
图2是图1中碳纤维复合材料翼面前缘结构的另一角度示意图；
图3是图2的A-A剖面示意图；
图4上图2的B-B剖面示意图；
图5是图4中的C部放大示意图。
图中：1：蒙皮；2：盒型框；21：侧壁；22：端壁；3：设备接头框；31：延伸段；32：螺纹连接口；4：螺栓副；5：铆钉铰支；6：安装边。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一般地，在飞行器设计领域，翼面指的是机翼或尾翼的结构及其构件组成，翼面在构造上主要包括蒙皮和翼梁、翼肋等骨架结构。其中，蒙皮形成流线型的机翼或尾翼外表面。翼面前缘指的是机翼或尾翼在翼梁之前的部分，翼展方向为两翼尖连线指示的方向。
参见图1-图4所示，本发明实施例提供的碳纤维复合材料翼面前缘结构包括作为翼面前缘结构主体的蒙皮1，蒙皮1的内部沿翼展方向设有多个盒型框2，盒型框2的外型与蒙皮1的内侧匹配，盒型框2相对的两个侧壁21贴覆在蒙皮1的内侧，端壁22位于盒型框2的端部连接相对的两个侧壁，两个相邻的盒型框2，其相邻的两个端壁22形成翼面前缘结构的肋板，在翼展方向上多个盒型框2形成多个间隔设置的肋板，在部分盒型框2的侧壁21上设有设备接头框3，设备接头框3通过螺栓副4与蒙皮1连接固定，设备接头框3为导电材料，例如，铁、钢等金属，铜合金、铝合金等合金、导电塑料、导电橡胶、导电纤维织物等复合型高分子导电材料。
该碳纤维复合材料翼面前缘结构通过盒形框和蒙皮相结合的铺层结构保证轻量化前提下的整体刚度，设备接头框3采用导电材料，电子设备通过设备接头框3安装在翼面前缘结构，使碳纤维复合材料翼面前缘结构具有电子设备的支架功能，在使用时，设备接头框3与如无人机的其它金属部件(如机翼主梁)接触导电，与现有技术中采用火焰喷涂铝层相比，波动性更小，且避免了火焰喷涂铝层附加的消极重量和容易剥落的风险。在一些实施方式中，200mm长度内的接触电阻可达0.17mΩ，远低于火焰喷涂铝层的6～16mΩ。
在一些优选地实施方式中，参见图3和图4所示，设备接头框3还设有铆钉铰支5，铆钉铰支5穿过设备接头框3、盒型框的侧壁21和蒙皮1，铆钉铰支5能够相对设备接头框3、盒型框的侧壁21和蒙皮1转动，形成一铰支点。铆钉铰支5与螺栓副4间隔设置，且两者的轴线平行。该实施方式中，设备接头框3采用一个铆钉铰支5和一个螺栓副4与其它部分连接，在保证连接强度的前提下，又有一定的转动自由度，在振动等工况条件下可以与设备实现协调变形，满足力学环境要求。优选地，铆钉铰支5与螺栓副4的轴线间距为螺栓副4的螺纹大径的3.5～5.5倍。
在一些优选实施方式中，参见图1和图2所示，采用间隔分布的多个体积较小的设备接头框3，多个设备接头框3根据电子设备安装需要设置在相应的侧壁21上，例如，在其中一个盒型框2内相对的两个侧壁21上各设备三个设备接头框3，每个侧壁21上的三个设备接头框3间隔设置，两个侧壁21上的设备接头框，两个相对设置。该实施方式中采用体积较小的设备接头框3，便于设计和加工，保证安装后的平面的形位精度即可保证设备的安装精度，大幅降低了生产成本，在安装设备后借助设备自身的刚度连成整体。
在一些优选地实施方式中，两个相邻的盒型框2，其相邻的两个端壁22之间铺设单向预浸料1～4层(图中未示出)，可增加单向的刚度和强度。
在一些优选地实施方式中，蒙皮1采用相对中面均衡对称铺层，内外表面铺层采用1～3层平纹织物预浸料，中间铺层采用无纬布预浸料，其中采用0°铺层的比例在45～60％之间，具有较高的强度。若与肋板内铺设单向预浸料1～4层的实施方式相结合，可以在提高强度的前提下最大程度避免固化变形，保证支架尺寸稳定。
在一些优选地实施方式中，盒型框2采用准各向同性铺层，其端壁22由侧壁21的铺层折弯后连续铺覆形成。
在一些优选地实施方式中，参见图1、图3、图4和图5所示，蒙皮内的边缘设有安装边6，铺层时，安装边的铺层位于盒型框的侧壁21铺层的内侧，即在铺层结构上来说，由外到内依次是蒙皮铺层、盒型框的侧壁铺层和安装边铺层。安装边6的设置用于与翼面的其它部位连接，增加结构强度。优选地，安装边6的最内层(远离蒙皮1的一层)采用织物，其余铺层采用单向预浸料和织物交替，相邻的0°单向预浸料的层数不超过三层。优选地，设备接头框3具有向蒙皮1的边缘延伸的延伸段31，延伸段31与安装边6层内对接。
在一些优选地实施方式中，设备接头框设有螺纹连接口32，用于与电子设置连接。
在一个具体地实施方式中，参见图1-图5所示，碳纤维复合材料翼面前缘结构，长度为1500mm，截面为近似等腰三角形，其底边长度为190mm，高度为230mm。
蒙皮1内侧设有四个盒型框2，在翼展方向位于两端外侧的两个盒型框2有两个面开敞，位于中间的两个盒型框2均是一个面开敞。在中间两个盒型框内2内，每个侧壁21上间隔设置两个设备接头框3，共八个设备接头框3，每个设备接头框3均具有延伸段31。每个设备接头框3通过一个φ5铆钉铰支5和一个M6的螺栓副4与蒙皮连接，装配后形成的设备安装面整体平面度不超过0.15。铆钉铰支5和螺栓副4的轴线间距为30mm。
相邻两个盒型框2的相邻端壁22之间铺单向预浸料2层(图中未示出)共同形成肋板。盒型框2采用准各向同性铺层，[(0,90)/(45,-45)/(0,90)]s，侧壁21和端壁22的铺层连续，端壁22的铺层由侧壁21的铺层折弯后连续铺覆。优选地，端壁22的厚度和侧壁21的厚度比为1：2，侧壁21厚度1.5mm，端壁22厚度3mm。
蒙皮1为整体结构，其铺层如下：内外表面铺层采用1～3层平纹织物预浸料，中间铺层采用无纬布预浸料，且0°铺层的比例在45～60％之间，具体铺层为[02/902/02/90]s。
安装边6为内表面的附加铺层，宽度75mm,厚度0.75mm,具体铺层为：[(0,90)/03/(0,90)]与设备接头框2的外加延伸段采用层内对接。
设备接头框3为只有一个面开敞的盒形结构，延伸段31的厚度为0.75mm。
需要说明的是，参见图1所示，盒型框是指由侧壁、端壁组成的具有腔体的盒型框架结构，且至少具有一个与腔体连通的敞口。当盒型框位于蒙皮内最边缘时，可设置两个敞口(与位于中间的盒型框相比，减少一个端壁)。
还需要说明的是，设备接头框是由几个面围绕面成的具有敞口的腔体的框结构，能够容纳电子设备或电子设备的一部分，以实现电子设备的连接固定。
另外需要说明的是，螺栓副4至少包括一螺栓和与一与螺栓相配合的螺母，在本发明中主要起到加强固定设备接头框3的作用。
值得说明的是，图1-图5中均是为翼面前缘各部结构而提供的示意图，在固化成型后，不同部分的相邻铺层会成型为一体，例如安装边6和延伸段31之间、安装边6和延伸段与盒型框2之间、盒型框2和蒙皮1之间、两个相邻的端壁22之间，本领域技术人员应当理解复合材料固化成型的特性，不应以此限定本发明。
最后应说明的是：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的说明，本领域的普通技术人员应当理解：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
此外，在不脱离本发明的范围的情况下，对前述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，并不使相应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。

Claims (7)

1.一种碳纤维复合材料翼面前缘结构，包括作为翼面前缘结构主体的蒙皮，其特征在于：所述蒙皮的内部沿翼展方向设有多个盒型框，所述盒型框相对的两个侧壁贴覆在所述蒙皮的内侧，端壁位于所述盒型框的端部连接相对的两个侧壁，两个相邻的所述盒型框，其相邻的两个端壁形成翼面前缘结构的肋板，在翼展方向上多个所述盒型框形成多个间隔设置的肋板，在部分所述盒型框的侧壁上设有设备接头框，所述设备接头框通过螺栓副与所述蒙皮连接固定，所述设备接头框为导电材料，所述碳纤维复合材料翼面前缘结构具有多个设备接头框，多个设备接头框分布在相应的所述侧壁上，所述设备接头框为只有一个面开敞的盒形结构，所述蒙皮内还设有安装边，所述安装边对应所述蒙皮的边缘铺设在所述盒型框的侧壁的内表面，所述安装边的最内层采用织物，其余铺层采用0°单向预浸料和织物交替，相邻的0°单向预浸料的层数不超过三层；
所述设备接头框具有向所述蒙皮的边缘延伸的延伸段，所述延伸段与所述安装边层内对接。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料翼面前缘结构，其特征在于：所述设备接头框还设有铆钉铰支，所述铆钉铰支穿过所述设备接头框、盒型框的侧壁和所述蒙皮，所述铆钉铰支与所述螺栓副间隔设置，且两者的轴线平行。
3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料翼面前缘结构，其特征在于：所述铆钉铰支与所述螺栓副的轴线间距为所述螺栓副的螺纹大径的3.5~5.5倍。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料翼面前缘结构，其特征在于：两个相邻的所述盒型框，其相邻的两个端壁之间铺设单向预浸料1~4层。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料翼面前缘结构，其特征在于：所述盒型框采用准各向同性铺层，其端壁由侧壁的铺层折弯后连续铺覆形成。
6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料翼面前缘结构，其特征在于：所述蒙皮采用相对中面均衡对称铺层，内外表面铺层采用1~3层平纹织物预浸料，中间铺层采用无纬布预浸料，且0°铺层的比例在45~60%之间。
7.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料翼面前缘结构，其特征在于：所述设备接头框设有螺纹连接口。
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