一种结构功能一体化复合材料翼面及其成型方法

技术领域

本发明涉及一种结构功能一体化复合材料翼面及其成型方法，属于复合材料设计及成型技术领域。

背景技术

复合材料机翼具有比刚度和比强度高、抗疲劳和抗腐蚀性能好等优良的力学性能，在航空、航天结构中得到了广泛的应用。在空基预警飞行器的复合材料机翼上安装天线，具有轨道高、视野大、受地表地形的遮挡小，能实现广域监视和连续覆盖功能，可长期驻留空中，收集大量稳定可靠的情报信息，对空中隐身飞行器具有下俯探测优势，较易发现隐身目标，较好地解决地/海基预警系统不足带来的防御预警漏洞。

将复合材料翼面和天线设计成一体化结构不仅能增大天线面积，而且还可以减小天线安装对飞行器气动性能的影响。因此，实现复合材料翼面和天线的结构功能一体化结构具有重要的意义，现有技术对此不能提供良好的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构功能一体化复合材料翼面及其成型方法，该翼面将天线嵌入在翼面前缘，透波天线保护罩、天线前向透波增强梁和复合材料翼面共固化一体成型，提高了结构的整体性和可靠性。

本发明采用的技术方案如下：

一种结构功能一体化复合材料翼面，包括机翼接头、复合材料翼面、天线、天线电缆通道、透波增强梁、天线上下保护罩；机翼接头与复合材料翼面固定连接；天线预埋在复合材料翼面的前缘；天线电缆通道位于复合材料翼面内部并敷设至后缘的翼根部位，机翼接头上设置出线孔，天线电缆通道从出线孔引出；透波增强梁预埋于天线前向的靠近翼面前缘的部位；复合材料翼面、透波增强梁和天线上下保护罩通过共固化成型。

进一步地，根据翼面要求的设计载荷，以及材料特性、重量和仿真计算结果，所述复合材料翼面的纤维采用碳纤维或石英纤维或玻璃纤维，树脂采用环氧树脂或氰酸酯树脂或聚醚醚酮树脂。

进一步地，所述透波材料增强梁采用复合材料，其中的纤维采用透波材料纤维，树脂采用环氧树脂或氰酸酯树脂或聚醚醚酮树脂，树脂固化条件与所述复合材料翼面相同；所述透波材料增强梁采用的复合材料的介电常数不大于4.0。

进一步地，所述天线上下保护罩采用复合材料，其中的纤维采用透波材料，树脂采用环氧树脂或氰酸酯树脂或聚醚醚酮树脂，树脂固化条件与所述复合材料翼面相同，所述天线上下保护罩采用的复合材料的介电常数不大于4.0。

进一步地，所述天线上下保护罩在边缘处设有翻边，通过同等固化条件的胶粘剂和所述复合材料翼面进行共固化，通过所述翻边增加天线上下保护罩和复合材料翼面的粘接面积。

进一步地，所述天线和所述天线电缆通道采用铝合金材料，所述天线电缆通道为圆形或方形薄壁中空结构，壁厚为1～2mm。

进一步地，所述机翼接头和所述复合材料翼面通过插接方式进行固定连接；所述机翼接头上设有轴孔和支耳孔，其中轴孔用于安装接头定位轴，支耳孔用于安装支耳定位销，以辅助实现翼面固化成型。

进一步地，所述机翼接头采用金属材料，所述金属材料为下列中的一种：不锈钢、钛合金、铝合金。

一种结构功能一体化复合材料翼面的成型方法，包括以下步骤：

进行复合材料翼面的下翼面铺层；

将机翼接头和天线电缆通道放置在预留的凹槽中，天线电缆通道从翼面前缘绕至后缘，并从机翼接头的出线孔中穿出；

进行复合材料翼面的上翼面铺层；

进行透波增强梁和天线上下保护罩的铺层；

将铺覆好的复合材料翼面、透波增强梁和天线上下保护罩进行共固化成型，并脱模，得到结构功能一体化复合材料翼面。

进一步地，所述机翼接头采用金属材料，并对插接部位进行喷砂处理，以提高金属接头和复合材料翼面的连接强度。

本发明的有益效果如下：

本发明将天线嵌入在翼面前缘，天线上下保护罩、前向增强梁和复合材料翼面选用同样的树脂，在同等固化条件下共固化一体成型，提高了结构的整体性和可靠性，减小了环境对天线的影响，可有效提高天线寿命。天线上下保护罩、前向增强梁选用石英纤维或玻璃纤维材料，复合材料翼面选用碳纤维材料，在实现天线功能的同时保证了主承力翼面的承载性能。天线前向增强梁提高了前缘的刚强度，可以对前缘天线缺口部位的扭转变形进行抑制。

附图说明

图1为根据本发明的一实施例示出的结构功能一体化复合材料翼面的整体结构示意图。

图2为根据本发明的一实施例示出的机翼接头的结构示意图。

图3为根据本发明的一实施例示出的天线上下保护罩的结构示意图。

图4为根据本发明的一实施例示出的结构功能一体化复合材料翼面的成型方法的步骤流程图。

图中：10-机翼接头，11-插接部位，12-出线孔，13-轴孔，14-支耳孔；20-复合材料翼面；30-天线；40-天线电缆通道；50-透波增强梁；60-天线上下保护罩，61-翻边；70-前缘；80-后缘。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。

本发明利用复合材料共固化特性和可设计性，将天线预埋在翼面前缘，将天线电缆通道在翼面内部敷设至后缘(背风面)的翼根部位，天线靠近翼面前缘的部位预埋透波增强梁，透波增强梁可以提高复合材料翼面前缘部位的刚强度，透波增强梁、天线上下保护罩和翼身复合材料选用相同固化条件的树脂并和翼身共固化成型。

图1为本发明一个实施例的结构功能一体化复合材料翼面的示意图。该结构功能一体化复合材料翼面包含机翼接头10、复合材料翼面20、天线30、天线电缆通道40、透波增强梁50、天线上下保护罩60。图1中还示意了该结构功能一体化复合材料翼面的前缘70和后缘80。

所述的机翼接头10，根据翼面要求的设计载荷，根据材料特性、重量和仿真计算结果等综合要求选用不锈钢或钛合金或铝合金等金属材料。

所述的复合材料翼面20，根据翼面要求的设计载荷，根据材料特性、重量和仿真计算结果等综合要求选用碳纤维或石英纤维或玻璃纤维等纤维材料，树脂选用环氧树脂或氰酸酯树脂或聚醚醚酮树脂。

所述的天线30和天线电缆通道40，优选采用铝合金材料，其中天线电缆通道为圆形或方形薄壁中空结构，通道壁厚为1～2mm。

所述的透波增强梁50，预埋于天线的前向，即靠近翼面前缘的部位，用于提高复合材料翼面在天线开口位置的刚强度。该透波增强梁的纤维采用石英纤维或玻璃纤维等透波材料，树脂选用环氧树脂或氰酸酯树脂或聚醚醚酮树脂，树脂固化条件和复合材料翼面20相同，天线前向预埋透波材料增强梁所用的复合材料的介电常数优选不大于4.0。

所述的天线上下保护罩60，采用复合材料，其中的纤维采用石英纤维或玻璃纤维等透波材料，树脂选用环氧树脂或氰酸酯树脂或聚醚醚酮树脂，树脂固化条件和复合材料翼面20相同，天线上下保护罩所用的复合材料的介电常数优选不大于4.0。

所述的机翼接头10和复合材料翼面20为插接结构，如图2所示，通过插接部位11与复合材料翼面20实现插接。机翼接头10为金属接头，需要在后缘区域开孔，即设置出线孔12，将天线电缆通道40从机翼接头10的后缘部分的出线孔12引出。机翼接头10上还设有轴孔13和支耳孔14，其中轴孔13用于安装接头定位轴，支耳孔14用于安装支耳定位销，辅助实现翼面固化成型。

所述的天线上下保护罩60，如图3所示，需在边缘处(左右或后端)有一定面积的翻边61，通过同等固化条件的胶粘剂和翼面20进行共固化。翻边61可以增加保护罩和复合材料翼面的粘接面积)。

本发明的一个实施例中，提供一种结构功能一体化复合材料翼面的成型方法，其流程如图4所示，包括以下步骤：

进行复合材料翼面的下翼面铺层；

将机翼接头和天线电缆通道放置在预留的凹槽中，天线电缆通道从翼面前缘绕至后缘，并从机翼接头的出线孔中穿出；

进行复合材料翼面的上翼面铺层；

进行透波增强梁和天线上下保护罩的铺层；

将铺覆好的复合材料翼面、透波增强梁和天线上下保护罩进行共固化成型，并脱模，得到结构功能一体化复合材料翼面。

本发明的一个实施例中，在所述进行复合材料翼面的下翼面铺层之前，进行预处理，包括机翼接头喷砂、合布、预吸胶、裁布等，从而得到剪裁好的无纬布，以便进行后续的铺层操作。其中，喷砂优选采用石英砂，可以增加接头插接部位的表面粗糙度，提高金属接头和复合材料的粘接强度。然后采用树脂预浸料进行合布，根据工艺文件要求进行铺层，形成无纬布铺层组。然后将合好的无纬布铺层组进行预吸胶。然后利用数控裁布机对吸胶后的无纬布进行下料裁剪，得到剪裁好的无纬布。

本发明的一个实施例中，所述喷砂优选采用20目～40目的石英砂，气压0.4MPa～0.7MPa。

本发明的一个实施例中，进行所述合布时采用的铺层方式为[45/-45/0/0]、〔0/0/-45/45〕、〔45/0/0/-45〕、〔0/0/0/45〕〔0/0/-45/90〕〔90/-45/0/0〕〔45/0/0/0〕〔-45/0/0/45〕，形成无纬布铺层组。

本发明的一个实施例中，所述预吸胶包括：预吸胶时在合好的无纬布上下表面按顺序分别放置1层四氟布1层吸胶纸1层四氟布1层真空袋薄膜，无纬布吸胶时需要进行密封处理；吸完胶的预浸料组也需要保存在密封袋内；然后启动压机进行打压，加压完成后保温一定时间，然后将预压好的无纬布铺层组从压机上取下，自然冷却后备用。

本发明的一个实施例中，按照工艺文件和跟踪卡的铺层顺序在底模铺覆剪裁好的无纬布，按照样板的编号顺序进行铺覆，完成下翼面铺层后，将机翼接头的插接部位表面均匀粘贴一层胶膜(例如AD-36胶膜等)，并将机翼接头和铝制天线电缆通道放置在样板预留的凹槽中，电缆通道从翼面前缘绕至后缘，再从机翼接头的后缘出线孔穿出，最后按照铺层顺序完成上翼面铺层。

本发明的一个实施例中，所述进行透波增强梁和天线上下保护罩的铺层，具体包括：按照工艺文件和跟踪卡的铺层顺序完成透波增强梁的铺层，将天线放入底模预留的限位中，将铺覆好的透波增强梁嵌入到天线和翼身前缘部位预留的限位中，再在前缘部位进行天线上下保护罩的铺层，保护罩铺层方法是整体包覆多层预浸料(例如QW100/9368预浸料)，铺覆顺序按照裁布的下料样板编号进行铺覆，铺覆基准为前缘预留的翻边位置。

本发明的一个实施例中，所述将铺覆好的复合材料翼面、透波增强梁和天线上下保护罩进行共固化成型，包括：将铺覆好的翼面装入模压成型模具中，安装机翼接头定位轴和支耳定位销，用吊车抬起上模放入下模模腔中，在上下模的合模面四个角垫上垫片；然后，检测热压机及测温探头工作应正常，用吊车把模具吊到压机台面上，压机上面板与上模具接触。在模具上模和下模的测温孔中分别插入一根热电偶，设定压机温度(例如设定为90℃)，对模具进行加热，待模具升温到设定的温度，取下限位垫片，加压使上下模具合严模；再次设定压机温度(例如设定为130℃)，待模具升温到设定的温度后进行保温一定时间。

本发明的一个实施例中，所述脱模包括：从模具上取出测温热电偶，然后用吊车将模具从压机上卸下，放在模具车上，自然或风扇进行降温；然后取走上模上的紧固螺钉，用将翼型部位的各个边条取下，再用吊车将上模移去，从模具的正面敲击下接头定位轴，直至把定位轴从底模、制件中取出，然后拔出支耳定位销，轻击接头区域的各个部位，把制件从模具中取出。

本发明的一个实施例中，成型一件结构功能一体化翼面产品，包括如下步骤：

第一步，机翼接头喷砂。

机翼接头采用金属接头，对金属接头的插接部位进行喷砂，对非喷砂区域进行保护，防止喷砂时石英砂溅落。喷砂采用20目～40目的石英砂，气压0.4MPa～0.7MPa，喷砂方向尽量与喷砂表面的法向方向保持一致并喷匀，避免在某一处长时间逗留。喷砂的作用是增加接头插接部位的表面粗糙度，提高金属接头和复合材料的粘接强度。

第二步，合布。

用GW700S/9368中温环氧树脂预浸料进行合布，即进行铺层，根据工艺文件要求，采用的铺层方式为[45/-45/0/0]、〔0/0/-45/45〕、〔45/0/0/-45〕、〔0/0/0/45〕〔0/0/-45/90〕〔90/-45/0/0〕〔45/0/0/0〕〔-45/0/0/45〕，形成无纬布铺层组。

第三步，预吸胶。

将合好的无纬布铺层组进行预吸胶，预吸胶时在合好的无纬布上下表面按顺序分别放置1层四氟布1层吸胶纸1层四氟布1层真空袋薄膜。无纬布吸胶时需要进行密封处理，采用双面胶将上下真空袋膜粘成一个整体的密封袋。吸完胶的预浸料组也需要保存在密封袋内，直到裁布前才允许打开。

启动压机，抬起压机上模板，将合好的预浸料放在钢垫板上，合严，打压压力为1.0MPa～1.5MPa，从加压完成开始计时，保温时间为1min～2min。到保温时间后，将预压好的无纬布铺层组从压机上取下，自然冷却后备用。

第四步，裁布。

根据翼面裁布机用下料样板的电子文件，利用数控裁布机对第三步吸胶后的无纬布进行下料裁剪，同时对天线前向增强梁和天线上下保护罩所用的QW100/9368预浸料进行下料裁剪。其中0°方向为翼面展向方向。

第五步，翼身铺层。

将各边条及翼尖挡块装在底模的相应位置上，各边条先装定位销钉，然后用螺钉固定；翼尖挡块的顶紧螺钉拧紧。

按照工艺文件和跟踪卡的铺层顺序在底模铺覆第四步剪裁好的无纬布，按照样板的编号顺序进行铺覆，完成下翼面铺层后，将机翼接头的插接部位表面均匀粘贴一层AD-36胶膜，并将机翼接头和铝制天线电缆通道放置在样板预留的凹槽中，电缆通道从翼面前缘绕至后缘，再从机翼接头的后缘出线孔穿出，最后按照铺层顺序完成上翼面铺层。

第六步，透波增强梁和天线上下保护罩铺层。

按照工艺文件和跟踪卡的铺层顺序完成透波增强梁的铺层，将天线放入底模预留的限位中，将铺覆好的透波增强梁嵌入到天线和翼身前缘部位预留的限位中，再在前缘部位进行天线上下保护罩的铺层，保护罩铺层方法是整体包覆10层QW100/9368预浸料，铺覆顺序按照第四步裁布的下料样板编号进行铺覆，铺覆基准为前缘预留的翻边位置。

第七步，翼面固化成型。

将铺覆好的翼面装入模压成型模具中，安装机翼接头定位轴和支耳定位销，用吊车抬起上模放入下模模腔中，在上下模的合模面四个角垫上2mm的垫片。

检测热压机及测温探头工作应正常。用吊车把模具吊到压机台面上，压机上面板与上模具接触。在模具上模和下模的测温孔中分别插入一根热电偶，插入深度不低于150mm。压机温度设定90℃，对模具进行加热。待模具升温到90℃，取下2mm的限位垫片，加压(3～5)MPa，使上下模具合严模。再将压机温度设定130℃，待模具升温到130℃,保温120min。

第八步，脱模。

从模具上取出测温热电偶，然后用5t吊车(配备承载5t以上的吊带)将模具从压机上卸下，放在模具车上。自然或风扇降温至40℃以下。

利用气动风炮取走上模上的紧固螺钉，用六角扳手将翼型部位的各个边条取下，再用5t吊车(配备承载5t以上的吊带)将上模移去。从模具的正面用铜棒敲击下接头定位轴，直至把定位轴从底模、制件中取出。用拔销器拔出支耳定位销。用橡胶锤轻击接头区域的各个部位，并另外安排两人分别站在翼尖和翼中位置，把制件从模具中取出。

最后说明的是：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说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对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；而这些修改或者替换，并不使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。