一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼及其制备方法

技术领域

本发明涉及航天领域，尤其是涉及一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼及其制备方法。

背景技术

现有的同级别导弹飞行翼多为全金属结构，一般约为40-50公斤，能耗高；而复合材料拥有强度高、刚度大、质量轻、抗疲劳、耐高温、减振、可设计等特点，被广泛的应用在航空航天领域；对于金属翼柄和复合材料的连接位置，可采用一字型金属翼柄和C字型复合材料插接的设计方案，该方案的优点是承载能力强，抗变形能力强。

但该结构在金属翼柄和复合材料连接位置容易发生复合材料分层或脱粘失效，当载荷过大且金属翼柄较小时，这种缺陷尤为明显；对于高超音速结构，载荷过大且金属翼柄较小时，产品升级成为必然趋势，连接位置可靠的复合材料结构设计方法尤为重要。

因此，针对上述问题本发明急需提供一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼及其制备方法，从而实现在金属翼柄较小的前提下，搭载较大载荷且不发生复合材料分层或脱粘失效。

一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼的制备方法，包括如下步骤：

制备金属翼柄,金属翼柄包括连接段和插入段，其中插入段的上端面和下端面设有上坡面和下坡面；

制备加强泡沫板，加强泡沫板一端呈锥形设置；

在下半模内壁铺设浸渍有树脂的碳纤维，获得第一预浸料层，第一预浸料层一侧设有阶梯面；在第一预浸料层的阶梯面随形铺设浸渍有树脂的碳纤维，获得第二预浸料层，第二预浸料层一侧设有与插入段下坡面匹配的下坡面槽；将金属翼柄放入模具,金属翼柄的插入段嵌入下坡面槽中,将加强泡沫板放入模具对应位置，在插入段的上端面继续铺设浸渍有树脂的碳纤维，形成第三预浸料层，第三预浸料层的纵向剖面与第二预浸料层纵向剖面呈镜像对称；

在上半模内壁铺设浸渍有树脂的碳纤维，获得第四预浸料层；

将上半模和下半模对合，加热固化，脱模，获得带有小翼柄大载荷复合材料飞行翼；

在飞行翼的金属翼柄的插入段位置沿垂直于飞行翼方向打若干通孔，用连接件固定。

优选地，金属翼柄插入段的上端面和下端面设有上坡面和下坡面，其中，上坡面包括位于插入段弦长方向的上端面的第一上坡面、位于插入段翼展方向的上端面的连续的第二上坡面、第三上坡面和第四上坡面；下坡面包括的上端面和下端面设有上坡面和下坡面，其中，上坡面包括位于插入段弦长方向的下端面的第一下坡面、位于插入段翼展方向的下端面的连续的第二下坡面、第三下坡面和第四下坡面；

其中，第一上坡面、第一下坡面与水平面夹角为22-28°，第二上坡面、第二下坡面与水平面的夹角为6-10°；第三上坡面、第三下坡面与水平面的夹角为2-5°，第四上坡面、第四下坡面与水平面夹角为9-13°。

优选地，第二预浸料层与第三预浸料层厚度相同，且厚度y满足如下公式：

优选地，金属翼柄材质为合金。

优选地，连接件为铆钉。

优选地，第二预浸料层与第三预浸料层沿金属翼柄插入段的上端面和下端面随形铺设。

本发明还提供了一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼，包括包括金属翼柄，金属翼柄周向铺连接有复材翼片，其中，复材翼片包括分层铺设的第一预浸料层、第四预浸料层及随形铺设的第二预浸料层、第三预浸料层；复材翼片内部沿宽度布设有加强泡沫板，加强泡沫板一端向金属翼柄一端延伸且体积呈渐变缩小；还包括连接金属翼柄与复材翼片的连接件。

优选地，复材翼片材质为高性能碳纤维复合材料。

优选地，金属翼柄材质为合金。

优选地，连接件为铆钉。

本发明提供的一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼及其制备方法与现有技术相比具有以下进步：现有的同级别导弹飞行翼材质为全金属，重量大(一般约为40-50公斤)，能耗高，对于小翼柄大载荷导弹飞行翼，弹翼的复合材料翼片和金属翼柄连接区域的前缘和后缘都有明显的应力集中，翼柄后缘没有包裹会发生层间剪切失效，在金属翼柄和复合材料连接位置容易发生复合材料分层或脱粘失效；本发明所述小翼柄大载荷复合材料飞行翼复合材料与金属翼柄连接部位的纤维增强结构可以有效降低弯矩造成的纤维、金属连接部位剪切失效，在弹翼结构轻量化要求日益提高的要求下，该结构方案翼柄尺寸最小，复合材料占比最大，结构最轻；本发明所述小翼柄大载荷复合材料飞行翼制备方法不需较难的复合材料下料设计，不需要复杂的工艺过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中所述小翼柄大载荷复合材料飞行翼的结构示意图(立体图)；

图2为本发明中所述小翼柄大载荷复合材料飞行翼的金属翼柄的结构示意图(立体图)；

图3为本发明中所述小翼柄大载荷复合材料飞行翼的结构示意图(弦长方向的剖视图)；

图4为本发明中所述复材翼片与金属翼柄连接部位的金属翼柄的结构示意图(弦长方向的剖视图)；

图5为本发明中所述复材翼片与金属翼柄连接部位的金属翼柄的结构示意图(翼展方向的剖视图)；

图6为本发明中所述小翼柄大载荷复合材料飞行翼的结构示意图(翼展方向的剖视图)。

附图标记说明：

1、金属翼柄；101、连接段；102、插入段；1021、第一上坡面；1022、第二上坡面；1023、第三上坡面；1024、第四上坡面；1025、第一下坡面；1026、第二下坡面；1027、第三下坡面；1028、第四下坡面；2、加强泡沫板；3、复材翼片；301、第一预浸料层；302、第二预浸料层；303、第三预浸料层；304、第四预浸料层；4、通孔；5、连接件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“液平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼的制备方法，包括如下步骤：

制备金属翼柄1,金属翼柄1包括连接段101和插入段102，其中插入段102的上端面和下端面设有上坡面和下坡面；

制备加强泡沫板2，加强泡沫板2一端呈锥形设置；

在下半模内壁铺设浸渍有树脂的碳纤维，获得第一预浸料层301，第一预浸料层301一侧设有阶梯面；在第一预浸料层301的阶梯面随形铺设浸渍有树脂的碳纤维，获得第二预浸料层302，第二预浸料层302一侧设有与插入段102下坡面匹配的下坡面槽；将金属翼柄1放入模具,金属翼柄1的插入段102嵌入下坡面槽中,将加强泡沫板2放入模具对应位置，在插入段102的上端面继续铺设浸渍有树脂的碳纤维，形成第三预浸料层303，第三预浸料层303的纵向剖面与第二预浸料层302纵向剖面呈镜像对称；

在上半模内壁铺设浸渍有树脂的碳纤维，获得第四预浸料层304；

将上半模和下半模对合，加热固化，脱模，获得带有小翼柄大载荷复合材料飞行翼；

在飞行翼的金属翼柄1的插入段102位置沿垂直于飞行翼方向打若干通孔4，用连接件5固定。

本发明提供的一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼的制备方法，通过不同方向铺覆预浸料层的方法，在不需较难的复合材料下料设计、不需要复杂的工艺过程的前提下，复合材料与金属翼柄连接部位的纤维增强结构可以有效降低弯矩造成的纤维、金属连接部位剪切失效，在弹翼结构轻量化要求日益提高的要求下，该结构方案翼柄尺寸最小，复合材料占比最大，结构最轻。

如图4、图5所示，金属翼柄1插入段102的上端面和下端面设有上坡面和下坡面，其中，上坡面包括位于插入段102弦长方向的上端面的第一上坡面1021、位于插入段102翼展方向的上端面的连续的第二上坡面1022、第三上坡面1023和第四上坡面1024；下坡面包括102的上端面和下端面设有上坡面和下坡面，其中，上坡面包括位于插入段102弦长方向的下端面的第一下坡面1025、位于插入段102翼展方向的下端面的连续的第二下坡面1026、第三下坡面1027和第四下坡面1028；

其中，第一上坡面1021、第一下坡面1025与水平面夹角为22-28°，第二上坡面1022、第二下坡面1026与水平面的夹角为6-10°；第三上坡面1023、第三下坡面1027与水平面的夹角为2-5°，第四上坡面1024、第四下坡面1028与水平面夹角为9-13°。

本发明提供的金属翼柄1，通过不同坡度的上下坡面的设计，避免飞行翼使用过程中由于应力集中的问题造成在金属翼柄和复合材料连接位置容易发生复合材料分层或脱粘失效，上下坡面使得金属翼柄1与预浸料层的连接更紧密，增加飞行翼的使用寿命。

本发明提供的一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼的制备方法中，第二预浸料层(302)与第三预浸料层(303)厚度相同，且厚度y满足如下公式：

在现有技术中，飞行翼所受正应力σ满足

本发明提供的一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼的制备方法中，金属翼柄1材质为合金。

本发明提供的一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼的制备方法中，连接件5为铆钉。

如图3所示，第二预浸料层302与第三预浸料层303沿金属翼柄1插入段102的上端面和下端面随形铺设。

本发明提供的一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼的制备方法中，通过在大部分区域铺层沿翼展方向，而小部分区域沿金属翼柄1随形铺设预浸料层的方式，使得飞行翼在受力时，更不易发生复合材料分层及脱粘失效，保证了金属翼柄1与复材翼片3连接位置复合材料以及复合材料与金属截面粘结的可靠性。

本发明还提供了一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼，包括金属翼柄1，金属翼柄1周向铺连接有复材翼片3，其中，复材翼片3包括分层铺设的第一预浸料层301、第四预浸料层304及随形铺设的第二预浸料层302、第三预浸料层303；复材翼片3内部沿宽度布设有多个紧密排列的加强泡沫板2，各加强泡沫板2一端向金属翼柄1一端延伸且体积呈渐变缩小；还包括连接金属翼柄1与复材翼片3的连接件5。

本发明提供的一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼，通过分区域不同方向铺覆预浸料层的方法，在不需较难的复合材料下料设计、不需要复杂的工艺过程的前提下，复合材料与金属翼柄连接部位的纤维增强结构可以有效降低弯矩造成的纤维、金属连接部位剪切失效，在弹翼结构轻量化要求日益提高的要求下，该结构方案翼柄尺寸最小，复合材料占比最大，结构最轻。

本发明提供的一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼中，复材翼片3材质为高性能碳纤维复合材料。

本发明提供的一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼中，金属翼柄1材质为合金。

本发明提供的一种小翼柄大载荷复合材料飞行翼中，连接件5为铆钉。

本发明获得的可载器件的轻质复合材料飞行翼，静力加载试验测试后，荷载≥16000N。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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范围。