一种复合材料轻质桁架式翼肋及装配方法与流程

1.本技术属于飞机设计领域，特别涉及一种复合材料轻质桁架式翼肋及装配方法。


背景技术：

2.对于太阳能飞机或一些超轻质飞机的翼肋设计中，通常采用复合材料结构，而基于重量的严苛要求与翼肋所传递的载荷考虑，翼肋必须设计成超轻质结构，目前主要的结构形式有多孔式夹心层板翼肋、层合板翼肋和桁架式翼肋。多孔式夹心层板翼肋腹板经机加形成镂空，用以减轻结构重量，镂空形状经拓扑优化而得，且便于制造。但其由于最小加工尺寸等限制，带来的重量收益有限。并且随着翼面高度的增加，翼肋腹板也存在稳定性问题，只能通过加厚材料方式来增加腹板稳定性，带来重量成本的增加层合板翼肋一般由翼肋本体和肋支柱通过胶接或者螺接的方式组成，同样存在肋腹板失稳的问题，为提高腹板稳定性所采取加厚腹板或增加肋支柱同样带来重量成本。现有桁架式翼肋其上、下缘条为金属结构。通过紧固件实现上下缘条与桁架的连接，其重量优势并不明显。通过紧固件进行连接，对桁架与翼肋上下缘条的相对位置提出较高要求。且大量使用紧固件使得翼肋的装配工作量巨大，带来装配成本的增加。
3.因此如何同时保证翼肋的刚度和腹板的稳定性，同时降低装配难度是一个需要解决的问题。


技术实现要素：

4.本技术的目的是提供了一种复合材料轻质桁架式翼肋及装配方法，以解决现有技术中翼肋刚度较差及腹板容易失稳的问题。
5.本技术的技术方案是：一种复合材料轻质桁架式翼肋，包括前肋和与前肋对应设置的后肋，所述前肋与后肋的对接位置处设有主梁，所述前肋对应主梁的位置处设有前展向支撑，所述后肋对应主梁的位置处设有后展向支撑，所述前展向支撑与前肋一体设置，所述后展向支撑与后肋一体设置，所述前展向支撑与后展向支撑之间、前肋与后肋之间连接有对接角片；所述前肋与后肋内首尾设置有多组倾斜设置的碳管。
6.优选地，所述前肋与后肋均采用碳纤维复合材料。
7.优选地，所述前肋与后肋均包括外层织物和内层织物，所述外层织物的横截面为v型结构，所述内层织物倾斜设置并与外层织物之间形成三角型截面，所述三角型截面内填充有第一泡沫，所述碳管与第一泡沫相接。
8.优选地，所述碳管为三层单向带结构，所述内层织物和外层织物上设有与碳管相连的第七角片，所述碳管插入至第七角片内并且碳管与第七角片之间的间隙填充有树脂。
9.优选地，所述外层织物和内层织物的铺层顺序为0/90/0，其中0
°
为主承力方向。
10.优选地，所述对接角片包括第一角片、第二角片、第三角片和第四角片；所述第一角片和第二角片沿着前肋和后肋上方缘条的延长线设置，所述第三角片和第四角片沿着前肋和后肋下方缘条的延长线设置；所述第一角片和第二角片背靠背设置，所述第三角片和
第四角片背靠背设置；所述第一角片和第三角片均为u型结构，所述第二角片和第四角片均为片状结构，所述第一角片、第二角片、第三角片和第四角片同时连接前肋、后肋和主梁。
11.优选地，还包括辅助梁，所述辅助梁设于后肋靠近后缘的位置，所述后肋与辅助梁之间连接有第五角片和第六角片，所述第五角片和第六角片均为半环结构并套设于辅助梁上，所述前肋对应前展向支撑一侧的位置处设有全高度腹板。
12.优选地，所述前肋上的缘条在固定前缘蒙皮的连接位置处，设置有下陷结构。
13.优选地，所述后肋的后缘上设有全高度泡沫夹心。
14.作为一种具体实施方式，一种复合材料轻质桁架式翼肋装配方法，采用上述所述的翼肋，先将多根碳管和第一泡沫相互固定，形成碳管与泡沫组合体，在翼肋模具上按顺序放置外侧织物、碳管与泡沫组合体、内侧织物后固化成型，形成前肋；后肋的制造过程与前肋相同；将第一角片、第二角片、第三角片、第四角片、第五角片和第六角片分别设于与固化成型，固化成型后，而后将前肋与后肋相同定位，将第一角片、第二角片、第三角片、第四角片、第五角片和第六角片分别安装至对应位置。
15.本技术的一种复合材料轻质桁架式翼肋及装配方法，包括前肋和与前肋对应设置的后肋，前肋用于连连接前缘蒙皮，后肋用于连接后缘蒙皮，前肋与后肋的对接位置处设有主梁，主梁包括前展向支撑和后展向支撑，前展向支撑与后展向支撑之间、前肋与后肋之间连接有对接角片；前肋与后肋内首尾设置有多组倾斜设置的碳管，前展向支撑与前肋通过碳管相连，后展向支撑与后肋通过碳管相连；通过将翼肋在主梁处进行分段，与主梁配合面的精度要求，提高装配效率，降低装配难度。碳管给前肋和后肋的肋缘条提供肋平面内的支撑，并提升肋腹板的稳定性，进一步提升翼肋的强度，因此在同等强度下具有更好的刚度和重量优势，提高材料利用率，降低了整个肋结构的重量成本。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例。
17.图1为本技术整体结构爆炸示意图；
18.图2为本技术前肋爆炸结构示意图；
19.图3为本技术整体结构主视图；
20.图4为图3中a-a剖面示意图；
21.图5为图3中b-b剖面示意图；
22.图6为图3中c-c剖面示意图；
23.图7为图3中d-d剖面示意图。
24.1、前肋；2、后肋；3、第一角片；4、第二角片；5、第三角片；6、第四角片；7、第五角片；8、第六角片；9、外层织物；10、第一泡沫；11、内层织物；12、碳管；13、下陷结构；14、全高度腹板；15、主梁；16、第七角片；17、辅助梁；18、全高度泡沫夹心；19、前展向支撑；20、后展向支撑。
具体实施方式
25.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中
的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
26.一种复合材料轻质桁架式翼肋，为降低桁架肋与主梁15的连接难度，桁架肋在翼梁轴线面处沿展向进行了分段，如图1所示，包括前肋1和与前肋1对应设置的后肋2，前肋1与后肋2均采用碳纤维复合材料，在保证强度的同时质量较轻。
27.前肋1与后肋2的对接位置处设有主梁15，前肋对应主梁的位置处设有前展向支撑19，后肋对应主梁的位置处设有后展向支撑20，前展向支撑19与后展向支撑20之间、前肋1与后肋2之间连接有对接角片；前肋1与后肋2内首尾设置有多组倾斜设置的碳管12(结合图5)，前展向支撑19与前肋1通过碳管12相连，后展向支撑20与后肋2通过碳管12相连。在与碳管12的连接处，前肋1和后肋2在肋平面内外伸形成第七角片16，实现对碳管12根部的支撑。
28.通过将翼肋在主梁15处进行分段，与主梁15配合面的精度要求，提高装配效率，降低装配难度。碳管12的位置根据梁的位置及拓扑优化结果协调，从而给前肋1和后肋2的肋缘条提供肋平面内的支撑，并提升肋腹板的稳定性，进一步提升翼肋的强度，因此在同等强度下具有更好的刚度和重量优势，提高材料利用率，降低了整个肋结构的重量成本。
29.如图2-4所示，优选地，前肋1与后肋2均包括外层织物9和内层织物11，外层织物9的横截面为v型结构，内层织物11倾斜设置并与外层织物9之间形成三角型截面，三角型截面内填充有第一泡沫10，碳管12与第一泡沫10相接。
30.第一泡沫10的设置能够增加前肋1和后肋2的肋缘条对碳管12的支持刚度，同时也提高肋缘条自身的面外刚度。
31.外层织物9和内层织物11的铺层顺序均为0/90/0，其中0
°
为主承力方向，增加90
°
为碳管12提供了环向刚度，便于制造加工，同时起到防止碳管12劈裂的作用。
32.结合图5，优选地，碳管12为三层单向带结构，通过采用复合材料碳管12，可以充分发挥圆管结构特有的高抗失稳承载特性，从而减轻结构重量成本。碳管12插入至第七角片16内并且碳管12与第七角片16之间的间隙填充有树脂，提升对碳管12连接的封闭性和强度，如图6中阴影部分所示。
33.结合图1，优选地，对接角片包括第一角片3、第二角片4、第三角片5和第四角片6；第一角片3和第二角片4沿着前肋1和后肋2上方缘条的延长线设置，第三角片5和第四角片6沿着前肋1和后肋2下方缘条的延长线设置；第一角片和第二角片背靠背设置，第三角片和第四角片背靠背设置；第一角片和第三角片均为u型结构，第二角片和第四角片均为片状结构，第一角片、第二角片、第三角片和第四角片同时连接前肋、后肋和主梁。在前肋1与后肋2分别通过碳管12与前展向支撑19和后展向支撑20连接后，通过第一角片3、第二角片4、第三角片5和第四角片6能够简单高效地实现对前肋1和后肋2的固定。
34.优选地，还包括辅助梁17，辅助梁17设于后肋2靠近后缘的位置，后肋2与辅助梁17之间连接有第五角片7和第六角片8，第五角片7和第六角片8均为半环结构并套设于辅助梁17上，该设计能够实现对辅助梁17固定高效的固定。结合图7，前肋1对应前展向支撑19一侧的位置处设有全高度腹板14，全高度腹板14能够更好的承接与梁之间的载荷传递。
35.优选地，前肋1上的缘条在固定前缘蒙皮的连接位置处，设置有下陷结构13，以保证固定前缘安装后整个机翼的气动外形光顺。
36.优选地，后肋2的后缘较小，在后肋2的后缘上设有全高度泡沫夹心18，能够进一步增加后缘的结构刚度。
37.本技术中所示的主梁15和辅助梁17截面为圆形，但本发明对梁截面形状并不限制，也可适用于其他截面形状的梁。在前肋1前缘的前墙连接处，同样设置局部全高度腹板14(结合图3)，对前墙提供支撑。肋缘条可给太阳能电池板或其他薄蒙皮结构提供支撑。
38.作为一种具体实施方式，一种复合材料轻质桁架式翼肋装配方法，具体步骤如下：先将多根碳管12和第一泡沫10相互固定，形成碳管12与泡沫组合体，在翼肋模具上按顺序放置外侧织物9、碳管12与泡沫组合体、内侧织物11后固化成型，形成前肋1；后肋2的制造过程与前肋1相同；将第一角片3、第二角片4、第三角片5、第四角片6、第五角片7和第六角片8分别设于与固化成型，固化成型后，而后将前肋1与后肋2相同定位，将第一角片3、第二角片4、第三角片5、第四角片6、第五角片7和第六角片8分别安装至对应位置。
39.通过上述方法可以得出，采用该装配方法能够快速稳定地对前肋1和后肋2进行安装固定。
40.以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种复合材料轻质桁架式翼肋，其特征在于：包括前肋(1)和与前肋(1)对应设置的后肋(2)，所述前肋(1)与后肋(2)的对接位置处连接主梁(15)，所述前肋对应主梁的位置处设有前展向支撑(19)，所述后肋对应主梁的位置处设有后展向支撑(20)，所述前展向支撑(19)与后展向支撑(20)之间、前肋(1)与后肋(2)之间连接有对接角片；所述前肋(1)与后肋(2)内首尾设置有多组倾斜设置的碳管(12)，所述前展向支撑(19)与前肋(1)通过碳管(12)相连，所述后展向支撑(20)与后肋(2)通过碳管(12)相连。2.如权利要求1所述的复合材料轻质桁架式翼肋，其特征在于：所述前肋(1)与后肋(2)均采用碳纤维复合材料。3.如权利要求2所述的复合材料轻质桁架式翼肋，其特征在于：所述前肋(1)与后肋(2)均包括外层织物(9)和内层织物(11)，所述外层织物(9)的横截面为v型结构，所述内层织物(11)倾斜设置并与外层织物(9)之间形成三角型截面，所述三角型截面内填充有第一泡沫(10)，所述碳管(12)与第一泡沫(10)相接。4.如权利要求3所述的复合材料轻质桁架式翼肋，其特征在于：所述碳管(12)为三层单向带结构，所述内层织物(11)和外层织物(9)上设有与碳管(12)相连的第七角片(16)，所述碳管(12)插入至第七角片(16)内并且碳管(12)与第七角片(16)之间的间隙填充有树脂。5.如权利要求3所述的复合材料轻质桁架式翼肋，其特征在于：所述外层织物(9)和内层织物(11)的铺层顺序为0/90/0，其中0
°
为主承力方向。6.如权利要求1所述的复合材料轻质桁架式翼肋，其特征在于：所述对接角片包括第一角片(3)、第二角片(4)、第三角片(5)和第四角片(6)；所述第一角片(3)和第二角片(4)沿着前肋(1)和后肋(2)上方缘条的延长线设置，所述第三角片(5)和第四角片(6)沿着前肋(1)和后肋(2)下方缘条的延长线设置；所述第一角片(3)和第二角片(4)背靠背设置，所述第三角片(5)和第四角片(6)背靠背设置；所述第一角片(3)和第三角片(5)均为u型结构，所述第二角片(4)和第四角片(6)均为片状结构，所述第一角片(3)、第二角片(4)、第三角片(5)和第四角片(6)同时连接前肋(1)、后肋(2)和主梁(15)。7.如权利要求1所述的复合材料轻质桁架式翼肋，其特征在于：还包括辅助梁(17)，所述辅助梁(17)设于后肋(2)靠近后缘的位置，所述后肋(2)与辅助梁(17)之间连接有第五角片(7)和第六角片(8)，所述第五角片(7)和第六角片(8)均为半环结构并套设于辅助梁(17)上，所述前肋(1)对应前展向支撑(19)一侧的位置处设有全高度腹板(14)。8.如权利要求1所述的复合材料轻质桁架式翼肋，其特征在于：所述前肋(1)上的缘条在固定前缘蒙皮的连接位置处，设置有下陷结构(13)。9.如权利要求1所述的复合材料轻质桁架式翼肋，其特征在于：所述后肋(2)的后缘上设有全高度泡沫夹心(18)。10.一种复合材料轻质桁架式翼肋装配方法，采用如权利要求1-9任一所述的翼肋，其特征在于：先将多根碳管(12)和第一泡沫(10)相互固定，形成碳管(12)与泡沫组合体，在翼肋模具上按顺序放置外侧织物(9)、碳管(12)与泡沫组合体、内侧织物(11)后固化成型，形成前肋(1)；后肋(2)的制造过程与前肋(1)相同；将第一角片(3)、第二角片(4)、第三角片(5)、第四角片(6)、第五角片(7)和第六角片(8)分别设于与固化成型，固化成型后，而后将前肋(1)与后肋(2)相同定位，将第一角片(3)、第二角片(4)、第三角片(5)、第四角片(6)、第五角片(7)和第六角片(8)分别安装至对
应位置。

技术总结
本申请属于飞机设计领域，为一种复合材料轻质桁架式翼肋及装配方法，包括前肋和与前肋对应设置的后肋，前肋用于连连接前缘蒙皮，后肋用于连接后缘蒙皮，前肋与后肋的对接位置处设有主梁，主梁包括前展向支撑和后展向支撑，前展向支撑与后展向支撑之间、前肋与后肋之间连接有对接角片；前肋与后肋内首尾设置有多组倾斜设置的碳管，前展向支撑与前肋通过碳管相连，后展向支撑与后肋通过碳管相连；通过将翼肋在主梁处进行分段，与主梁配合面的精度要求，提高装配效率，降低装配难度。碳管给前肋和后肋的肋缘条提供肋平面内的支撑，并提升肋腹板的稳定性，进一步提升翼肋的强度，因此在同等强度下具有更好的刚度和重量优势，提高材料利用率，降低了整个肋结构的重量成本。降低了整个肋结构的重量成本。降低了整个肋结构的重量成本。


技术研发人员：李嘉玺 赵洁 杨殿国
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/3/24