采用多重仿生抗冲击复合结构的蒙皮

1.本发明属于航天航空技术领域，具体涉及一种采用多重仿生抗冲击复合结构的蒙皮。


背景技术：

2.复合材料因其优异的性能在航天航空领域得到了广泛的应用，随着制造技术的进步和生产能力的提高，飞机上越来越多的重要部件都采用复合材料进行制备，复合材料构件拥有良好的耐久性、可靠性、耐腐蚀性以及比强度等优点。客机上的蒙皮是非常重要的一个构件，蒙皮是客机的最外层，与外界直接接触，它的主要功能除了承受和传递常规的气动载荷之外，它还要保护飞机内部和乘客免受外部恶劣环境的影响，其中最常见的问题是飞机蒙皮受到冲击，例如客机在跑道上高速前进准备起飞时，跑道上散落的石子颗粒将会对客机的蒙皮造成冲击损伤；下落的冰雹同样会对客机的蒙皮造成冲击损伤；在高空飞行时鸟类或者其他物体带来的碰撞。飞机蒙皮在设计的过程中要考虑在飞行过程中可能遇到的各种类型的冲击，客机的抗冲击性能对于确保乘客和机组人员的安全至关重要。所以对客机的蒙皮进行结构设计使其增强抵抗冲击的能力，提高飞机蒙皮吸收冲击及分散冲击的能力，使其增强抵抗冲击的能力，进而减小恶劣的环境对蒙皮带来的损害是非常重要的。目前，如何在保证轻量化的基础上提高飞机蒙皮的抗冲击能力仍然是一个难题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决飞机蒙皮易受到冲击损伤的问题，提供了一种结合羽毛轴截面结构、骨结构、鹿角骨结构、墨鱼骨结构的复合结构，应用于飞机蒙皮上，来提高飞机蒙皮的抗冲击能力。
4.本发明采用的技术方案为：
5.本发明采用多重仿生抗冲击复合结构的蒙皮，包括外抗冲击层、内抗冲击层和中间吸能层。所述的外抗冲击层和内抗冲击层均由碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层和多个仿骨结构层组合而成；所述的仿骨结构层包括单向玻璃纤维波浪板、单向玻璃纤维支撑板和并排布置的多个仿骨单元；所述的仿骨单元包括碳纤维管、填充碳管和环氧树脂；所述的碳纤维管由一体成型的弧面片一、组合弧面片和两个弧面片二组成；弧面片一与组合弧面片正对，且弧面片一和组合弧面片的两端分别通过一个弧面片二连接，合围成柱面；弧面片一的内壁设有锯齿状结构；组合弧面片由两个弧面片三组成，弧面片三的内壁为凹面；所述的碳纤维管内设有密度呈由外到内逐步减少梯度分布的多根填充碳管，各填充碳管之间的间隙以及填充碳管与碳纤维管内壁之间的间隙处均设有环氧树脂；所述的单向玻璃纤维波浪板穿插绕制在并排布置的各仿骨单元之间；所述的单向玻璃纤维支撑板与单向玻璃纤维波浪板绕制在组合弧面片外壁的各部分粘合；各仿骨结构层并排层叠铺设。外抗冲击层中，最靠外一个仿骨结构层的单向玻璃纤维波浪板绕制在弧面片一外壁的各部分均与碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层粘合；内抗冲击层中，最靠内一个仿骨结构层
的单向玻璃纤维波浪板绕制在弧面片一外壁的各部分均与碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层粘合。
6.所述的中间吸能层采用热塑性树脂材料，开设有呈同心圆分布的多个通孔组，每个通孔组由沿周向均布且直径相等的多个通孔组成；由内至外，各通孔组的通孔半径逐渐变小；每个通孔内粘合有沿通孔轴向均匀分布的多块隔板；中间吸能层开设通孔的两侧分别与外抗冲击层的单向玻璃纤维支撑板和内抗冲击层的碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层粘合。
7.优选地，所述碳纤维管的外切圆直径为1mm-2mm，弧面片一和弧面片二的半径为2.5mm，弧面片三的半径为1mm-2mm；所述锯齿状结构的每个锯齿宽度为1.5mm-3mm、高度为0.4mm-1.3mm。
8.优选地，所述的碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层由多个碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层以22.5
°
的转角螺旋堆叠，并通过热压成型得到。
9.更优选地，所述的碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层由碳纤维增强环氧树脂复合纤维束编织而成。
10.更优选地，所述的碳纤维增强环氧树脂复合纤维束由多根碳纤维增强环氧树脂复合纤维缠绕而成；所述的碳纤维增强环氧树脂复合纤维由碳纤维和环氧树脂按质量比为5：5混合而成，碳纤维增强环氧树脂复合纤维的直径为7μm。
11.优选地，所述碳纤维管的加工方式为芯模热压法。
12.优选地，相邻通孔组的各通孔所在圆周的半径差为0.1mm，相邻通孔组的通孔半径差为0.1mm。
13.优选地，所述的隔板为直板，厚度为0.3mm-0.6mm，相邻隔板的间距为0.5mm-2mm。
14.优选地，所述的粘合采用环氧树脂胶黏。
15.优选地，将单向玻璃纤维波浪板和单向玻璃纤维支撑板分别替换为采用二维平纹编织的编织玻璃纤维波浪板和编织玻璃纤维支撑板，将各仿骨结构层并排层叠铺设替换为各仿骨结构层以7.2
°‑
18
°
的转角螺旋堆叠，若下一次转角超过180
°
，则结束一个周期，旋转多个周期，将隔板设置为呈正弦曲面状，正弦曲面的波长为0.75mm，振幅为0.1mm，隔板厚度为0.25mm，相邻隔板的间距为0.8mm。
16.本发明具有以下有益效果：
17.1、本发明最外层的外抗冲击层首先抵抗冲击变形，中间吸能层吸收穿过外抗冲击层的冲击能量，最内层的内抗冲击层作用同样为抗冲击变形，作为保护客机内部的最后一层屏障，抵抗外抗冲击层和中间吸能层两次弱化后的冲击力。且本发明采用多种仿生复合材料，使得蒙皮结构在拥有良好的抗冲击力的同时拥有较高的轻便性，不会影响客机的飞行速度。
18.2、本发明中外抗冲击层和内抗冲击层的整体结构仿照骨结构设计，这种结构可以提高受冲击面的抗破坏变形能力。其中，碳纤维管为主要的承担载荷结构，其管壁仿照鸟类羽毛轴截面结构，内侧锯齿状结构及外侧不同半径弧面结构结合能够有效抵抗冲击力；而填充碳管呈梯度密度分布，这种密度分布方式在节省材料的同时能够强化整个仿骨结构层的抗冲击能力。
19.3、本发明的中间吸能层首先仿照鹿角骨结构设计出呈同心圆分布的多个通孔组，
且由内至外各通孔组的通孔半径逐渐变小；大小不同的通孔起到吸收能量并且分散冲击力的作用，极大程度减缓冲击能量的扩散。而中间吸能层再仿照墨鱼骨结构，在仿照鹿角骨结构的各通孔基础上设计隔板，这些隔板将通孔分割成一个一个的空间，进一步强化中间吸能层吸收冲击能量的能力。
附图说明
20.图1为本发明的结构示意图。
21.图2为本发明中仿骨结构层的结构示意图。
22.图3为本发明中中间吸能层的结构示意图。
23.图4为本发明中各仿骨结构层螺旋堆叠的结构示意图。
24.图5为本发明中隔板呈正弦曲面状的结构示意图。
具体实施方式
25.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，所描述的实施例仅仅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，都属于本发明的保护范围。
26.如图1所示，本实施例采用多重仿生抗冲击复合结构的蒙皮，包括外抗冲击层1、内抗冲击层3和中间吸能层2。
27.如图1和图2所示，外抗冲击层1和内抗冲击层3均由碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层和多个仿骨结构层组合而成；仿骨结构层包括仿骨板结构的单向玻璃纤维波浪板101、仿骨板结构的单向玻璃纤维支撑板105和并排布置的多个仿骨单元；仿骨单元包括碳纤维管102、填充碳管103和仿基质的环氧树脂104；碳纤维管102由一体成型的弧面片一、组合弧面片和两个弧面片二组成；弧面片一与组合弧面片正对，且弧面片一和组合弧面片的两端分别通过一个弧面片二连接，合围成柱面；弧面片一的内壁设有锯齿状结构；组合弧面片由两个弧面片三组成，弧面片三的内壁为凹面；碳纤维管102内设有密度呈由外到内逐步减少梯度分布的多根填充碳管103，各填充碳管103之间的间隙以及填充碳管103与碳纤维管102内壁之间的间隙处均设有环氧树脂；单向玻璃纤维波浪板穿插绕制在并排布置的各仿骨单元之间；单向玻璃纤维支撑板105与单向玻璃纤维波浪板101绕制在组合弧面片外壁的各部分粘合；各仿骨结构层并排层叠铺设(不设置转角)。外抗冲击层1中，最靠外一个仿骨结构层的单向玻璃纤维波浪板101绕制在弧面片一外壁的各部分均与碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层粘合；内抗冲击层3中，最靠内一个仿骨结构层的单向玻璃纤维波浪板101绕制在弧面片一外壁的各部分均与碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层粘合。
28.如图1和图3所示，中间吸能层2采用热塑性树脂材料(peek材料)，综合仿照鹿角骨结构和墨鱼骨结构；首先仿照鹿角骨结构，开设有呈同心圆202分布的多个通孔组，每个通孔组由沿周向均布且直径相等的多个通孔201组成；由内至外，各通孔组的通孔半径逐渐变小；仿照墨鱼骨结构，每个通孔内粘合有沿通孔轴向均匀分布的多块隔板203，将通孔隔断成一个个小的圆柱空间结构。中间吸能层2开设通孔的两侧分别与外抗冲击层1的单向玻璃
纤维支撑板105和内抗冲击层3的碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层粘合。
29.作为一个优选实施例，碳纤维管102的外切圆直径为2mm，弧面片一和弧面片二的半径为2.5mm，弧面片三的半径为1.6mm；锯齿状结构的每个锯齿宽度为2mm、高度为1mm。
30.作为一个优选实施例，碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层由多个碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层以22.5
°
的转角螺旋堆叠，并通过热压成型得到。
31.更优选地，碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层由碳纤维增强环氧树脂复合纤维束编织而成。
32.更优选地，碳纤维增强环氧树脂复合纤维束由多根碳纤维增强环氧树脂复合纤维缠绕而成；碳纤维增强环氧树脂复合纤维由碳纤维和环氧树脂按质量比为5：5混合而成，碳纤维增强环氧树脂复合纤维的直径为7μm。
33.作为一个优选实施例，碳纤维管102的加工方式为芯模热压法，即采用硅胶气囊芯模来支撑碳纤维预浸料，随后在外部通过热压固化的方式成型。
34.作为一个优选实施例，相邻通孔组的各通孔所在圆周的半径差为0.1mm。
35.作为一个优选实施例，相邻通孔组的通孔半径差为0.1mm。
36.作为一个优选实施例，隔板的厚度为0.5mm，相邻隔板的间距为1mm。
37.作为一个优选实施例，粘合采用环氧树脂胶黏。
38.作为一个优选实施例，将单向玻璃纤维波浪板101和单向玻璃纤维支撑板105分别替换为采用二维平纹编织的编织玻璃纤维波浪板和编织玻璃纤维支撑板，将各仿骨结构层并排层叠铺设替换为各仿骨结构层以12
°
的转角螺旋堆叠，转角达到180
°
为一个周期，旋转多个周期，如图4所示，将隔板设置为呈正弦曲面状，正弦曲面的波长为0.75mm，振幅为0.1mm，隔板厚度为0.25mm，相邻隔板的间距为0.8mm，如图5所示。

技术特征：
1.采用多重仿生抗冲击复合结构的蒙皮，包括外抗冲击层、内抗冲击层和中间吸能层，其特征在于：所述的外抗冲击层和内抗冲击层均由碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层和多个仿骨结构层组合而成；所述的仿骨结构层包括单向玻璃纤维波浪板、单向玻璃纤维支撑板和并排布置的多个仿骨单元；所述的仿骨单元包括碳纤维管、填充碳管和环氧树脂；所述的碳纤维管由一体成型的弧面片一、组合弧面片和两个弧面片二组成；弧面片一与组合弧面片正对，且弧面片一和组合弧面片的两端分别通过一个弧面片二连接，合围成柱面；弧面片一的内壁设有锯齿状结构；组合弧面片由两个弧面片三组成，弧面片三的内壁为凹面；所述的碳纤维管内设有密度呈由外到内逐步减少梯度分布的多根填充碳管，各填充碳管之间的间隙以及填充碳管与碳纤维管内壁之间的间隙处均设有环氧树脂；所述的单向玻璃纤维波浪板穿插绕制在并排布置的各仿骨单元之间；所述的单向玻璃纤维支撑板与单向玻璃纤维波浪板绕制在组合弧面片外壁的各部分粘合；各仿骨结构层并排层叠铺设；外抗冲击层中，最靠外一个仿骨结构层的单向玻璃纤维波浪板绕制在弧面片一外壁的各部分均与碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层粘合；内抗冲击层中，最靠内一个仿骨结构层的单向玻璃纤维波浪板绕制在弧面片一外壁的各部分均与碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层粘合；所述的中间吸能层采用热塑性树脂材料，开设有呈同心圆分布的多个通孔组，每个通孔组由沿周向均布且直径相等的多个通孔组成；由内至外，各通孔组的通孔半径逐渐变小；每个通孔内粘合有沿通孔轴向均匀分布的多块隔板；中间吸能层开设通孔的两侧分别与外抗冲击层的单向玻璃纤维支撑板和内抗冲击层的碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层粘合。2.根据权利要求1所述采用多重仿生抗冲击复合结构的蒙皮，其特征在于：所述碳纤维管的外切圆直径为1mm-2mm，弧面片一和弧面片二的半径为2.5mm，弧面片三的半径为1mm-2mm；所述锯齿状结构的每个锯齿宽度为1.5mm-3mm、高度为0.4mm-1.3mm。3.根据权利要求1所述采用多重仿生抗冲击复合结构的蒙皮，其特征在于：所述的碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层由多个碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层以22.5
°
的转角螺旋堆叠，并通过热压成型得到。4.根据权利要求3所述采用多重仿生抗冲击复合结构的蒙皮，其特征在于：所述的碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层由碳纤维增强环氧树脂复合纤维束编织而成。5.根据权利要求4所述采用多重仿生抗冲击复合结构的蒙皮，其特征在于：所述的碳纤维增强环氧树脂复合纤维束由多根碳纤维增强环氧树脂复合纤维缠绕而成；所述的碳纤维增强环氧树脂复合纤维由碳纤维和环氧树脂按质量比为5：5混合而成，碳纤维增强环氧树脂复合纤维的直径为7μm。6.根据权利要求1所述采用多重仿生抗冲击复合结构的蒙皮，其特征在于：所述碳纤维管的加工方式为芯模热压法。7.根据权利要求1所述采用多重仿生抗冲击复合结构的蒙皮，其特征在于：相邻通孔组的各通孔所在圆周的半径差为0.1mm，相邻通孔组的通孔半径差为0.1mm。8.根据权利要求1所述采用多重仿生抗冲击复合结构的蒙皮，其特征在于：所述的隔板为直板，厚度为0.3mm-0.6mm，相邻隔板的间距为0.5mm-2mm。9.根据权利要求1所述采用多重仿生抗冲击复合结构的蒙皮，其特征在于：所述的粘合
采用环氧树脂胶黏。10.根据权利要求1至7中任一项所述采用多重仿生抗冲击复合结构的蒙皮，其特征在于：将单向玻璃纤维波浪板和单向玻璃纤维支撑板分别替换为采用二维平纹编织的编织玻璃纤维波浪板和编织玻璃纤维支撑板，将各仿骨结构层并排层叠铺设替换为各仿骨结构层以7.2
°‑
18
°
的转角螺旋堆叠，若下一次转角超过180
°
，则结束一个周期，旋转多个周期，将隔板设置为呈正弦曲面状，正弦曲面的波长为0.75mm，振幅为0.1mm，隔板厚度为0.25mm，相邻隔板的间距为0.8mm。

技术总结
本发明公开了一种采用多重仿生抗冲击复合结构的蒙皮，其外抗冲击层和内抗冲击层均由碳纤维增强环氧树脂复合材料编织层合层和多个仿骨结构层组合而成；仿骨结构层包括单向玻璃纤维波浪板、单向玻璃纤维支撑板和多个仿骨单元；仿骨单元包括碳纤维管、填充碳管和环氧树脂；碳纤维管仿照骨结构和羽毛轴截面设计，碳纤维管内填充碳管呈梯度密度分布；中间吸能层仿照鹿角骨结构开设有呈同心圆分布的多个通孔组，由内至外，各通孔组的通孔半径逐渐变小，并仿照墨鱼骨结构，采用隔板将通孔分割成单独的小空间。本发明采用多种仿生复合材料，使得蒙皮结构在面对恶劣环境带来的冲击时拥有更高的抗破坏、吸收能量和分散能量的能力，且拥有较高的轻便性。且拥有较高的轻便性。且拥有较高的轻便性。


技术研发人员：杨肖 李广基 胡丽燕 牛士超 邵纯 倪敬 张雪峰
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/6/12