專(zhuān)利名稱(chēng)：一種飛機(jī)機(jī)身球面框及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種飛機(jī)機(jī)身球面框及其制造方法，特別是涉及一種用單向帶預(yù)浸料材料鋪貼的飛機(jī)機(jī)身球面框及其制造方法。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料以其獨(dú)特的性能在航空航天結(jié)構(gòu)中獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用于飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)，提高先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的用量，現(xiàn)已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)，更是降低飛機(jī)研制成本、提高飛機(jī)性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段之
O球面框是飛機(jī)機(jī)身的后端框，主要承受氣密壓力作用。傳統(tǒng)球面框?yàn)榻饘巽T接結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜，裝配效率低。復(fù)合材料球面框結(jié)構(gòu)具有重量輕、制造裝配簡(jiǎn)單、耐久性高等特點(diǎn)。目前新一代飛機(jī)均使用復(fù)合材料球面框結(jié)構(gòu)，其中A380球面框的材料為碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料面板和PMI泡沫夾心，利用了樹(shù)脂膜熔浸成形(RFI)工藝和熱壓罐工藝二次固化成型，B787球面框使用中等模量碳纖維和泡沫，利用真空輔助液體成型工藝 VARTM(Vacuum-Assited Resin Transfer Molding)成型。大多現(xiàn)有球面框結(jié)構(gòu)選用碳纖維無(wú)褶皺織物作為主要材料，通過(guò)液體成型工藝 (RFI及VARTM)將樹(shù)脂注入到干態(tài)纖維織物中，其優(yōu)點(diǎn)是制造簡(jiǎn)單方便。但也正是由于其纖維變形型能好，導(dǎo)致其纖維方向偏離設(shè)計(jì)角度，且液體成形產(chǎn)品孔隙率大，纖維體積含量低，需采用較大的安全系數(shù)去設(shè)計(jì)，導(dǎo)致重量較大。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述目的，本發(fā)明提供一種飛機(jī)機(jī)身球面框的設(shè)計(jì)方法，滿(mǎn)足輕質(zhì)化、高強(qiáng)度的要求。為了解決上述問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的飛機(jī)機(jī)身球面框的制造方法，包括步驟(I).根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)要求獲取球面框的球皮曲面；(2).將所述球皮曲面劃分成多個(gè)條形部分，并按等面積法將所述條形部分展開(kāi)成平面；(3).確定所述條形部分的理論邊界和實(shí)際邊界之間的缺口 At = Rcosa (tg π / η-π/η)，其中R為球皮曲面所在球體的半徑，a為缺口位置與球體子午面的夾角，η為所述球體劃分的條形部分的個(gè)數(shù)；(4).按照所述條形部分的展開(kāi)平面的形狀結(jié)合缺口的大小來(lái)裁剪單向帶預(yù)浸料材料；(5).將裁剪后的單向帶預(yù)浸料材料鋪貼于球面框模具上；(6).進(jìn)行熱壓罐固化成型；(7).對(duì)成型后的球面框進(jìn)行補(bǔ)充機(jī)械加工。
其中，在步驟(2)中，通過(guò)FiberSM軟件將所述條形部分展開(kāi)成平面。其中，在鋪貼裁剪后的單向帶預(yù)浸料材料時(shí)，通過(guò)激光在球面框模具上投射出每片單向帶預(yù)浸料材料的定位線(xiàn)，來(lái)對(duì)每片單向帶預(yù)浸料材料進(jìn)行定位，鋪貼時(shí)保證每片單向帶預(yù)浸料材料的基準(zhǔn)線(xiàn)與定位線(xiàn)重合。其中，在鋪貼裁剪后的單向帶預(yù)浸料材料時(shí)，根據(jù)球面框的厚度要求及單層單向帶預(yù)浸料材料的厚度來(lái)確定層數(shù)m，各層之間成一定角度交錯(cuò)鋪貼。優(yōu)選地，第二層和第一層之間的夾角為2 π /m，后一偶數(shù)層相對(duì)前一偶數(shù)層之間的夾角為2 π /m,后一奇數(shù)層相對(duì)前一奇數(shù)層之間的夾角為-2 π /m。優(yōu)選地，第二層和第一層之間的夾角為-2 π/m，后一偶數(shù)層相對(duì)前一偶數(shù)層之間的夾角為-2 η /m,后一奇數(shù)層相對(duì)前一奇數(shù)層之間的夾角為2 π /m。其中，所述單向帶預(yù)浸料材料采用碳纖維單向帶預(yù)浸料。本發(fā)明還提供一種飛機(jī)機(jī)身球面框，其采用上述制造方法制成。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明采用碳纖維單向帶預(yù)浸料為主要材料，通過(guò)手工鋪貼，熱壓罐固化，設(shè)計(jì)出能夠承受高強(qiáng)度壓力，大尺寸(最大截面直徑3m以上)輕質(zhì)量的球面框結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還在沒(méi)有自動(dòng)化鋪放設(shè)備(自動(dòng)鋪帶機(jī)、自動(dòng)鋪絲機(jī))的條件下，通過(guò)精確的裁片設(shè)計(jì)輔以一般定位手段保證了結(jié)構(gòu)鋪層角度，解決了大尺寸曲面結(jié)構(gòu)的精密制造問(wèn)題。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的飛機(jī)機(jī)身球面框的制造方法的流程圖
圖2是球皮曲面的示意圖3是缺口形成的不意圖4是鋪貼球皮曲面裁片的示意圖5是鋪貼2層球皮曲面裁片的示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，其示出了本發(fā)明的飛機(jī)機(jī)身球面框的制造方法的流程圖，該方法包括步驟(I).根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)要求獲取球面框的球皮曲面；(2).將所述球皮曲面劃分成多個(gè)條形部分，并按等面積法將所述條形部分展開(kāi)成平面；優(yōu)選地，利用Fibersim復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件對(duì)所述條形部分進(jìn)行展開(kāi)；(3).確定所述條形部分的理論邊界和實(shí)際邊界之間的缺口 At = Rcosa (tg π / η-π/η)，其中R為球皮曲面所在球體的半徑，a為缺口位置與球體子午面的夾角，η為所述球體劃分的條形部分的個(gè)數(shù)；(4).按照所述條形部分的展開(kāi)平面的形狀結(jié)合缺口的大小來(lái)裁剪單向帶預(yù)浸料材料；(5).將裁剪后的單向帶預(yù)浸料材料鋪貼于球面框模具上；(6).進(jìn)行熱壓罐固化成型；
(7).對(duì)成型后的球面框進(jìn)行補(bǔ)充機(jī)械加工。本發(fā)明的原理是在設(shè)計(jì)-制造過(guò)程中，需要將球皮曲面展開(kāi)成平面，以供預(yù)浸料裁剪，然后還需將裁剪后的平面材料鋪貼成曲面結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷球面展開(kāi)平面，平面鋪貼曲面的過(guò)程。由于球面是不可展球面，任何展開(kāi)平面都是一種近似展開(kāi)。曲面的展開(kāi)有多種方法， 目前工程上基本是按照等面積方法進(jìn)行展開(kāi)，本結(jié)構(gòu)采用經(jīng)線(xiàn)將球面分成若干條狀花瓣形，如圖2所示。按等面積法將條狀花瓣形展成平面。在該方法下，展開(kāi)平面的面積與球面面積相等。在平面鋪貼曲面過(guò)程中，每一展開(kāi)平面僅能沿徑向方向做單向彎曲，不能還原為原曲面，故完全按等面積法展開(kāi)的平面鋪貼時(shí)不能還原為完整的球面，會(huì)有缺口。圖3是缺口的示意圖，表示將整個(gè)球體裁剪為4塊時(shí)鋪貼的情形，由于每片平面裁片都僅能單向彎曲，不能隨形彎曲，故在將平面還原為曲面過(guò)程中，表現(xiàn)為平面彎曲后的曲面不能完全覆蓋原曲面，各個(gè)裁片的理論邊界L和實(shí)際邊界L’之間具有缺口 At。通過(guò)公式推導(dǎo)缺口 At = Rcosa (tg π/η_ π/n),其中R為球面框所在球體半徑，a為缺口位置與球體子午面的夾角，η為球體劃分裁片的個(gè)數(shù)。通過(guò)優(yōu)化η值以使Λ t在合適范圍，同時(shí)根據(jù)缺口大小對(duì)展開(kāi)平面進(jìn)行修正，并配合適當(dāng)?shù)牟闷罱?，以達(dá)到鋪貼出完整無(wú)褶皺球面的目的。確定單層曲面展開(kāi)方式后，根據(jù)結(jié)構(gòu)的厚度要求及單層預(yù)浸料材料厚度，確定層數(shù)m，然后按每層之間成一定角度完成其余層的鋪貼，這樣可以獲得更穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。在精確的裁片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過(guò)自動(dòng)下料機(jī)對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行裁剪，以保證裁剪精度， 在鋪貼時(shí)，需對(duì)每一裁片進(jìn)行精確定位，可以選用激光定位手段，在模具上準(zhǔn)確投出每片裁片的定位線(xiàn)，鋪貼時(shí)保證裁片上的基準(zhǔn)線(xiàn)與定位線(xiàn)的關(guān)系，以使鋪貼符合設(shè)計(jì)要求，提高鋪貼質(zhì)量。鋪貼完成后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，進(jìn)入熱壓罐固化，形成最終產(chǎn)品。下面詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例獲得球皮曲面后(設(shè)曲面所在球體半徑2200mm)，根據(jù)單向帶寬度(假設(shè)為 300mm)及曲面子午線(xiàn)周長(zhǎng)，確定最少需將球面劃分為11塊，對(duì)應(yīng)球皮曲面的球體的η值為 49。依據(jù)缺 DAt = Rcos a (tg Ji /n~ Ji /n),最大缺口 Δ t 為 O. 198mm( a = O,在子午面上)。由于缺口尺寸很小，所以根據(jù)子午面上最大缺口的尺寸對(duì)按等面積展開(kāi)的平面進(jìn)行修正，使其寬度增加O. 2mm,按修正后的展開(kāi)圖開(kāi)展單向帶裁剪。確定單層曲面展開(kāi)方式后，根據(jù)結(jié)構(gòu)的厚度要求及單層預(yù)浸料材料厚度，確定層數(shù)m，以選用CYC0M977-2-35% -12KHTS-134-300材料為例，材料單層厚度為O. 131_，結(jié)構(gòu)需求厚度為2mm，則需16層鋪層。按照每層夾角2 π /m確定層間旋轉(zhuǎn)角度為22. 5度，確定各個(gè)鋪層之間角度為0/±22. 5/±45/±67. 5/90。例如,第一層為O度,第二層為+22. 5,第三層為-22. 5，以此類(lèi)推。當(dāng)然，除了這種交錯(cuò)成角度設(shè)置以外，還可以是各層沿順時(shí)針或沿逆時(shí)針成一定角度錯(cuò)開(kāi)。圖5不出了 2層鋪層的不意圖,第二層為第一層旋轉(zhuǎn)22. 5度后的結(jié)果。鋪貼完成后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，進(jìn)入熱壓罐固化。出罐后，切除球皮周邊工藝余量，加工出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開(kāi)口，形成最終產(chǎn)品。本發(fā)明以碳纖維單向帶預(yù)浸料為主要材料，通過(guò)手工鋪貼，熱壓罐固化，設(shè)計(jì)出能
5夠承受高強(qiáng)度壓力，大尺寸(最大截面直徑3m以上)輕質(zhì)量的結(jié)構(gòu)。該方法還在沒(méi)有自動(dòng)化鋪放設(shè)備(自動(dòng)鋪帶機(jī)、自動(dòng)鋪絲機(jī))的條件下，通過(guò)精確的裁片設(shè)計(jì)輔以一般定位手段保證了結(jié)構(gòu)鋪層角度，解決了大尺寸曲面結(jié)構(gòu)的精密制造問(wèn)題。本發(fā)明中所述具體實(shí)施案例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施案例而已，并非用來(lái)限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。即凡依本發(fā)明申請(qǐng)專(zhuān)利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種飛機(jī)機(jī)身球面框的制造方法，其特征在于，包括步驟(1).根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)要求獲取球面框的球皮曲面；(2).將所述球皮曲面劃分成多個(gè)條形部分，并按等面積法將所述條形部分展開(kāi)成平面；(3).確定所述條形部分的理論邊界和實(shí)際邊界之間的缺口At = Rcosa (tgJi/n-ji/ η)，其中R為球皮曲面所在球體的半徑，α為缺口位置與球體子午面的夾角，η為所述球體劃分的條形部分的個(gè)數(shù)；(4).按照所述條形部分的展開(kāi)平面的形狀結(jié)合缺口的大小來(lái)裁剪單向帶預(yù)浸料材料；(5).將裁剪后的單向帶預(yù)浸料材料鋪貼于球面框模具上；(6).進(jìn)行熱壓罐固化成型；(7).對(duì)成型后的球面框進(jìn)行補(bǔ)充機(jī)械加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制造方法，其特征在于，在步驟(2)中，通過(guò)FiberSM軟件將所述條形部分展開(kāi)成平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的制造方法，其特征在于，在鋪貼裁剪后的單向帶預(yù)浸料材料時(shí)，通過(guò)激光在球面框模具上投射出每片單向帶預(yù)浸料材料的定位線(xiàn)來(lái)對(duì)每片單向帶預(yù)浸料材料進(jìn)行定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的制造方法，其特征在于，在鋪貼裁剪后的單向帶預(yù)浸料材料時(shí)，根據(jù)球面框的厚度要求及單層單向帶預(yù)浸料材料的厚度來(lái)確定層數(shù)m，各層之間成一定角度交錯(cuò)鋪貼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法，其特征在于，第二層和第一層之間的夾角為2π/ m，后一偶數(shù)層相對(duì)前一偶數(shù)層之間的夾角為2 π/m，后一奇數(shù)層相對(duì)前一奇數(shù)層之間的夾角為-2 31 /m。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法，其特征在于，第二層和第一層之間的夾角為-2π / m，后一偶數(shù)層相對(duì)前一偶數(shù)層之間的夾角為-2 π /m，后一奇數(shù)層相對(duì)前一奇數(shù)層之間的夾角為2 31 /m。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的制造方法，其特征在于，所述單向帶預(yù)浸料材料采用碳纖維單向帶預(yù)浸料。
8.一種飛機(jī)機(jī)身球面框，其采用根據(jù)權(quán)利要求I到7中任一項(xiàng)所述的制造方法制成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種飛機(jī)機(jī)身球面框的制造方法，包括步驟根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)要求獲取球皮曲面；將所述球皮曲面劃分成多個(gè)條形部分，并按等面積法將所述條形部分展開(kāi)成平面；確定所述條形部分的理論邊界和實(shí)際邊界之間的缺口Δt＝Rcosα(tgπ/n-π/n)，其中R為球皮曲面所在球體的半徑，α為缺口位置與球體子午面的夾角，n為所述球體劃分的條形部分的個(gè)數(shù)；按照所述條形部分的展開(kāi)平面的形狀結(jié)合缺口的大小來(lái)裁剪單向帶預(yù)浸料材料；將裁剪后的單向帶預(yù)浸料材料鋪貼于球面框模具上；進(jìn)行熱壓罐固化成型；進(jìn)行補(bǔ)充機(jī)械加工。本發(fā)明還提供一種飛機(jī)機(jī)身球面框，其采用上述方法制成。本發(fā)明的飛機(jī)機(jī)身球面框能夠滿(mǎn)足輕質(zhì)化、高強(qiáng)度的要求。
文檔編號(hào)B29C70/44GK102582091SQ20121000157
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者周良道, 宮占峰, 李萍 申請(qǐng)人:中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司, 中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院