一种复合材料吊挂杆件结构

技术领域

本发明属于飞机减重技术领域，涉及一种飞机吊挂盒传力结构，具体涉及一种复合材料与金属结合的杆件结构。

背景技术

飞机的发展主要以低成本、高运载能力为目标，要达到这个目标首先要解决的是结构减重问题。吊挂盒段下连杆是吊挂盒段的重要传力零件，用于连接吊挂盒段底部和机翼下翼面，传递发动机推力。传统飞机，包括B737、B777、C919飞机均采用金属材料，但随着复合材料技术的进步，相比于传统钢制连杆结构，如果吊挂连杆采用金属和复合材料相结合，可以减重50％～60％，潜在经济效益巨大。因此，发展复合材料连杆是实现飞机减重目的的关键技术之一。

现有采用复合材料的连杆结构，与钢质的同类构件相比重量降低了35％。但是对于设计人员来说，如何保证复合材料结构的设计符合纤维特性并且确保构件在使用时安全可靠是一个巨大的挑战。与金属结构相比，复合材料在载荷情况下的行为更复杂，所以不能简单地用纤维复合结构替代金属结构。

连杆作为飞机中的关键部件，其研制技术直接决定其性能，而其性能又对飞机有很大的影响，如连杆在工作过程中主要承受拉伸载荷和压缩载荷，其服役过程中的可靠性显得至关重要，尤其是复合材料筒和金属接头之间的耐久性。

发明内容

针对现有复合材料连杆的筒身和金属接头之间的耐久性差的问题，本发明提供了一种复合材料吊挂杆件结构。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种复合材料吊挂杆件结构，包括两个金属接头和一个复合材料筒身，其中：

所述复合材料筒身的两端分别与金属接头连接；

所述金属接头包括两个金属耳片和一个金属连接结构，两个金属耳片设置在金属连接结构的首端，金属连接结构的末端与复合材料筒身内筒的端部连接。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明采用的是复合材料与金属相互结合的结构，大大减轻了结构体的重量，提高了结构效率。

2、本发明的主要减重在复合材料筒身结构上，由于连杆主要承受拉力和压力，本发明设置的复合材料筒身的铺层角度能使得复合材料有效承受拉力和压力，通过螺栓连接增加连杆的筒身和金属接头之间的耐久性。

3、本发明为复合材料与金属结合的连杆一体式设计并且承受载荷的结构方案，这样能充分利用结构材料，减少结构的质量。

附图说明

图1为未缠复合材料的金属接头的结构原理图；

图2为本发明的连杆的整体结构示意图；

图3为本发明的金属接头的结构示意图；

图4为图2中金属接头的部分正面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种复合材料与金属结合的杆件结构，如图1-4所示，所述杆件结构包括两个金属接头1和一个复合材料筒身2，其中：所述复合材料筒身2的两端分别与金属接头1连接；所述金属接头1包括两个金属耳片1-1和一个金属连接结构1-2，两个金属耳片1-1设置在金属连接结构1-2的首端，金属连接结构1-2的末端与复合材料筒身2内筒的端部连接，两个金属耳片1-1和金属连接结构1-2为一体结构。

本实施方式中，利用螺栓将金属连接结构1-2和复合材料筒身2内筒的端部连接在一起。

本实施方式中，在两个金属耳片1-1之间的金属连接结构1-2端部设置螺栓孔，复合材料筒身2与金属接头1不仅仅是胶接形式，也通过螺栓来增强连接强度，从而提高此杆件的拉伸和弯曲强度。

本实施方式中，杆件结构原理示意图如图1至图4所示，当杆件受到拉力和压力时，金属耳片1-1将拉力和压力在金属连接结构1-2的末端胶接和螺栓连接的共同作用传递于复合材料筒身2，使拉力和压力能够很好的传递。

本实施方式中，杆件的设计方法如下：

对于复合材料杆件，由于尺寸限制，其复合材料筒身厚度很薄，因此复合材料杆件的结构设计尤为重要。复合材料筒身在缠绕工艺过程中的缠绕线型设计和铺层顺序设计往往先于工艺设计，造成设计与工艺脱节。铺层优化设计的结果在工艺上往往无法满足纤维稳定的要求，导致优化设计的目标无法实现，需要重新设计，并进行大量的试验工艺摸索。通过对接头缠绕轨迹的计算，可以确定理论优化设计的边界条件，大幅度减少试错试验的数量，降低成本的同时，可以得到可行的最优方案。

复合材料连杆在纤维与金属接头处的缠绕层由于连续纤维缠绕的原因，在接头附近将产生纤维堆积现象，这种纤维堆积将导致接头厚度出现不连续的非线性变化，接头附近复合材料堆高限制接头的设计尺寸，以及复合材料在缠绕过程中纤维滑线、架空等现象。此外，如何精确预测各种缠绕线型和缠绕层分布下的接头附近厚度分布，对复合材料接头有限元建模的精确性也影响极大。因此，通过对缠绕厚度的精确预测，同时对每种线型在接头处的轨迹分布进行精确计算后，可以得到每种线型在每个单元范围内的厚度堆积情况和缠绕角精确值，然后再逐点代入有限元单元中，可进行更加精确的有限元计算。

在以上工作的基础上，通过联用Abaqus和迭代计算程序以及缠绕线型表，设计不同的缠绕线型，进而以应变均匀为设计目标，对各种允许线型下的变形情况进行计算并优选，达到复合材料筒身的强度和刚度优化设计，进而完成整个杆件的设计。

本实施方式中，复合材料筒身2的铺层角度为±10°。

本实施方式中，金属连接结构1-2的末端与复合材料筒身2内筒的端部采用楔形胶接和螺栓连接的共同连接方式。

本实施方式中，复合材料筒身的材质为纤维增强复合材料。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种复合材料筒身的缠绕方法，所述方法包括如下步骤：

S1、根据浸胶与胶液含量及缠绕张力对制品的影响确定张力制度，利用张力制度缠绕使各层碳纤维的初应力相等，使内模和碳纤维复合材料的变形相协调。

胶液含量的高低、变化及分布对纤维缠绕制品性能影响很大：一是直接影响对制品质量和厚度的控制；二是从强度角度看，含胶量过高，会使制品复合强度降低。含胶量过低，制品空隙率增加，使制品气密性、耐老化性能及剪切强度下降。同时也影响纤维强度的发挥。此外，胶液含量过大的变化会引起不均匀的应力分布，并在某些区域引起破坏。因此，纤维浸胶过程必须严格控制。

在纤维缠绕过程中，纤维所受的张紧力称缠绕张力，是缠绕工艺的重要参数。张力大小、各束纤维间张力的均匀性以及各缠绕层之间缠绕张力的均匀性，对制品质量影响极大。

(1)张力对制品机械性能的影响

纤维缠绕制品的强度和疲劳性能与缠绕张力有密切的关系。张力过小，制品强度偏低。由于张力小，连杆在承载时变形就大，而连杆的变形越大，其耐疲劳性能就越差；张力过大，由于纤维磨损而使其强度损失增大，制品强度下降。

缠绕张力能使树脂基体产生预应力，从而可提高基体抵抗开裂的能力。纤维缠绕结构承压时，由于应变集中，开裂首先都在垂直纤维方向的树脂基体开始。因为垂直纤维方向的允许变形比纤维方向约低10倍。缠绕张力可使纤维间的树脂产生预应力，从而提高了垂直纤维方向树脂基体的拉伸强度，亦即提高了垂直纤维方向的允许变形。

纤维之间张力的均匀性，对制品性能影响很大。各纤维束所受张力的不均匀性越大，制品强度越低。因此，缠绕制品时应尽量保持束间、束内纤维张力均匀。为此，应采用低捻度、张力均匀的纤维，并尽量保持纱片内各束纤维是平行的。

(2)张力对制品密实程度的影响

缠绕在曲面上的纤维，其缠绕张力将产生垂直于芯模表面的法向力，使制品致密的成型压力与缠绕张力成正比。

众所周知，纤维缠绕制品的孔隙率是影响其性能的重要因素，而孔隙率是随缠绕张力而变化的。张力增大，孔隙率降低，这也是增大缠绕张力能够提高制品强度的一个重要原因。

(3)张力对含胶量的影响

缠绕张力对纤维浸渍质量、制品含胶量及均匀性影响非常大。随着缠绕张力增大，含胶量降低。在湿法缠绕中，由于缠绕张力的径向分量—法向压力的作用，胶液将由内层被挤向外层，因而将出现胶液含量沿壁厚不均匀—内低外高现象。采用分层固化或预浸材料可减轻或避免这种现象。

(4)张力制度的制定

纤维是连续地一圈一圈缠绕到芯模上去的。在缠绕张力作用下，后缠上去的纤维层都对先缠上去的纤维层产生径向压力，迫使其径向发生压缩变形，从而使内层纤维变松。如果采用恒定的缠绕张力，将会使制品纤维层呈现内松外紧状态，从而使内外层纤维的初应力产生很大的差异，导致纤维不能同时承载，从而大大降低制品强度和疲劳性能。采用逐层递减的张力制度，虽然后缠上去的纤维层对先缠上去的纤维层仍有削减初张力的作用，但可控制后一层和前一层削减后的张力相同。于是，便可使从内到外的全部缠绕层具有相同的初张力，使制品强度和疲劳性能得到提高。

碳纤维复合材料连杆逐层递减的张力制度在使用时较麻烦，因此通常采用2～3层递减一次，递减幅度等于逐层递减几层的总和。通过张力制度的确定，使内模与复合材料结构层的碳纤维张力协调化，使碳纤维的使用得以优化，使碳纤维整体的工作条件和局部单层的工作条件得以和连杆整体承载的性能联系起来。

S2、针对制品的结构特点，选择基体树脂和固化制度进行固化，固化制度包括加热的温度范围、升温速度、温度梯度、保温时间和降温冷却。

(1)加热固化

高分子物质随着聚合(固化)过程的进行，分子量增大，分子运动困难，位阻效应增大，活化能较高，因此需要加热到一定温度才能反应。由于加热可使固化反应较为彻底，因此，加热固化比常温固化的制品强度至少可提高20～25％。此外，加热固化可缩短固化时间。一般温升10℃，可提高化学反应速度2倍。

(2)升温速度

升温阶段要平稳，升温速度不应太快。否则，由于化学反应激烈，溶剂等低分子物质易急剧逸出而形成大量气泡，特别是在低沸点组分的沸点以下时(如丙酮)，为了赶出气泡，升温应慢些。过了丙酮沸点后，升温可适当快些。纤维缠绕玻璃钢制品的导热系数仅为金属的1/150，升温速度快，必然使结构各部分温差很大。特别是为使制品内部达到反应温度而又不使外表层温度过高甚至固化(不仅内部挥发物跑不出来，而且易产生很大内应力)，升温速度应严格控制。通常采用的升温速度为0.5～1℃/min。

(3)温度梯度与保温时间

指固化温度在某一温度值保温一定时间。通常在初期，有一个低温恒温阶段，利于小分子排除和初步交联反应；在最高固化温度下，要保证足够的恒温时间，以保证树脂固化反应完全。最高固化温度值取决于树脂系统，主要由DTA或DSC测定的树脂放热曲线来确定。保温时间则取决于两方面：一是树脂聚合反应所需时间；二是传热时间，即通过不稳定导热使制品内部达到最高固化温度所需的时间。目的是使树脂固化完全，并使制品各部分固化收缩均匀平衡，避免由内应力引起的变形和开裂。

(4)降温冷却

碳纤维复合材料连杆固化结束后，要缓慢降温，而不能骤冷。由于纤维缠绕制品结构中，顺纤维方向与垂直纤维方向的线膨胀系数相差4倍，制品从较高温度若不缓慢冷却，各方向部位收缩就不一致，特别是垂直纤维方向的树脂基体将承受拉应力(温度应力)，而垂直纤维方向的拉伸强度比纯树脂还低，因此，就可能发生开裂破坏。

S3、确定碳纤维复合材料结构层的纤维铺层顺序和缠绕线型，并根据纤维铺层顺序和缠绕线型、张力制度和固化制度编制纤维缠绕控制程序。

S4、根据缠绕控制程序对制品进行纤维缠绕成型，缠绕线型包括环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕，其中：

环向缠绕是芯模绕自身轴线均匀旋转，绕丝嘴绕芯模筒体轴线平行方向移动，芯模每转一周，绕丝嘴移动一个纱片宽度，如此循环下去，直到纱片均匀布满芯模筒体段表面为止。

纵向缠绕又称平面缠绕，缠绕时，缠绕机的绕丝嘴在固定的平面内做均匀速度圆周运动，芯模绕自身轴线慢速旋转，绕丝嘴每转一周，芯模旋转一个微小角度，相当于芯模表面一个纱片宽度；纱片依次连续缠绕到芯模上，各纱片均与两极孔相切，各纱片依次紧挨而不相交；纤维缠绕轨道近似为一个平面单圆封闭曲线。

螺旋缠绕是芯模绕自身轴线均匀转动，绕丝嘴沿芯模轴线方向按缠绕角所需要的速度往复运动；螺旋缠绕纤维在封头上提供经纬两个方向的强度，在筒身段提供环向和纵向两个方向的强度。

具体选择何种缠绕方式，应考虑如下影响因素：

a、制品的结构形状和尺寸

螺旋缠绕应用普遍，对于长形管状制品是理想的。平面缠绕主要用于球形、扁椭球、长径比小于4的筒形结构的缠绕。此外，也适用于两脖子直径不等结构的缠绕。对这类连杆如果采用螺旋缠绕，为保证两个脖子均匀布满，则要求在两个接头上都按各自的测地线缠绕，而这种双重缠绕角的实现是比较困难的。如果两封头不按测地线进行缠绕，就势必要增加重量。而纵向缠绕，两极孔不同，影响不大。

b、强度要求

螺旋缠绕，纤维在筒身上交叉程度相当大，从强度观点看是不利的。因为交叉点处的纤维在承载状态下有被拉直的趋势，纤维交叉程度大就容易产生分层和破坏。其次，由于纤维交叉空隙率偏高，而空隙率是使制品剪切强度降低的主要原因。纵向缠绕，纤维在筒体是不交叉的，而以完整的缠绕层依次逐层重叠，排列较好。因此，纵向缠绕可望获得高强度，并因而减轻制品质量。

c、荷载特性

当连杆受到轴向拉压载荷时，纵向缠绕灵活性较大。

综上所述，为了保证碳纤维复合材料连杆的轻量化要求，采用基于摩擦系数表征的变角度纤维轨迹规划的纤维缠绕技术和方法，以充分发挥碳纤维复合材料的高强高模特性，实现了变刚度优化设计，达到了减重的目的。