阅读说明：本技术 一种低成本的全复材飞机结构及其制作方法 (Low-cost full-composite aircraft structure and manufacturing method thereof ) 是由 孔德拴 苏昊 侯学佳 胡振球 李仁鹏 谢恺 龚地灵 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低成本的全复材飞机结构及其制作方法,主要包括平板件及设置在平板件上下两侧端面上的蒙皮,所述平板件主要包括芯材及分别复合设置在芯材上下两侧的铺层；所述平板件的上下两侧端面上分别设置有向内凹陷的第一凹槽和第二凹槽,平板件的上端面通过部分设置在第一凹槽内的第一胶接层与上蒙皮固定连接,平板件的下端面通过设置在第二凹槽内的第二胶接层与下蒙皮固定连接；所述平板件的上侧外壁上设置有采用湿法铺贴设置在平板件与第一胶接层之间的第一胶线层,平板件的下侧外壁上设置有采用湿法铺贴设置在平板件与下蒙皮之间的第二胶线层；具有无需制造零件模具,只需要简单的平板工装就可以完成大板的制造,节省了制造成本等特点。(The invention discloses a low-cost full-composite aircraft structure and a manufacturing method thereof, and the low-cost full-composite aircraft structure mainly comprises a flat piece and skins arranged on the upper and lower end faces of the flat piece, wherein the flat piece mainly comprises a core material and layers which are respectively and compositely arranged on the upper and lower sides of the core material; the upper end face and the lower end face of the flat plate piece are respectively provided with a first concave groove and a second concave groove which are inwards concave, the upper end face of the flat plate piece is fixedly connected with the upper skin through a first glue joint layer which is partially arranged in the first concave groove, and the lower end face of the flat plate piece is fixedly connected with the lower skin through a second glue joint layer which is arranged in the second concave groove; a first adhesive tape layer which is paved and adhered between the flat plate piece and the first adhesive tape layer by adopting a wet method is arranged on the outer wall of the upper side of the flat plate piece, and a second adhesive tape layer which is paved and adhered between the flat plate piece and the lower skin by adopting the wet method is arranged on the outer wall of the lower side of the flat plate piece; the method has the characteristics that the manufacture of the large plate can be completed only by a simple flat plate tool without manufacturing a part die, the manufacturing cost is saved, and the like.)

一种低成本的全复材飞机结构及其制作方法

技术领域

本发明属于飞机整机研发制造领域，具体涉及一种低成本的全复材飞机结构及其制作方法，尤其是针对小型、轻型飞机的概念验证机的结构设计和制造。

背景技术

飞机设计一般分为概念设计、初步设计和详细设计三个阶段。出于风险和成本考虑，小型和轻型飞机在概念设计阶段，通常会制造一架概念验证机，在完成必要的静力试验后开展飞行试验，用于验证概念设计阶段提出的飞机气动性能、总体参数、结构强度、系统功能和性能，另外可以验证一些新技术、新颖独特设计、新的制造技术或新材料等。这样可以在型号研发初期暴露出设计问题，评估新技术的技术成熟度，规避设计风险，为初步设计和详细设计阶段的技术决策和优化改进提供数据支持。

由于概念设计阶段的周期一般较短，且概念设计阶段提出的很多设计方案和制造技术会优化和更改，因此要求概念验证机的制造应尽可能低成本、高效率和易更改。现有的飞机复材结构制造技术，要求在零件生产前制造大量的铺贴模具，每个具有三维几何外形的复材零件都会对应一个铺贴模。零件模具的制造成本往往比单个零件大很多，而且更改成本大，制造效率低。若出现颠覆性的结构更改，还要重新设计和生产模具。通用飞机的研制要求周期短、成本低和技术亮点突出等，因此现有的飞机复材结构制造技术已不能适应日趋激烈的通用飞机市场要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种低成本、高效率、易更改的全复材飞机结构及其制作方法,本设计和制造技术原理简单，在型号设计定型和批产前无需投入大量模具成本，生产效率高，设计更改流程简单，可以加快飞机的研制进度，降低研制成本，提升通用飞机研发单位的市场竞争力。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种低成本的全复材飞机结构，主要包括平板件及垂直设置在平板件上下两侧端面上的蒙皮，所述平板件主要包括芯材及分别复合设置在芯材上下两侧的铺层；所述平板件的上下两侧端面上分别设置有向内凹陷的第一凹槽和第二凹槽，平板件的上端面通过部分设置在第一凹槽内的第一胶接层与上蒙皮固定连接，平板件的下端面通过设置在第二凹槽内的第二胶接层与下蒙皮固定连接；所述平板件的上侧外壁上设置有采用湿法铺贴设置在平板件与第一胶接层之间的第一胶线层，所述平板件的下侧外壁上设置有采用湿法铺贴设置在平板件与下蒙皮之间的第二胶线层。

进一步地，所述第一胶接层包括设置在第一凹槽内的内胶接层及与所述内胶接层一体式连接并设置在上蒙皮与内胶接层之间的外胶接层，所述平板件与外胶接层的连接端端面上设置有第一加强胶接层。

进一步地，所述平板件与下蒙皮的连接端面上设置有第二加强胶接层。

进一步地，所述第一凹槽及第二凹槽的槽深均为5-10mm。

一种全复材飞机结构的制作方法，包括如下步骤：

（1）根据平板件的接头位置和设计排版来设计芯材，包括芯材开孔比预埋件尺寸大0.05mm，并根据设计排版来定位开孔位置；根据平板件的铺层方案和设计排版来设计铺层，包括在预埋件上、下表面设计加强层，加强层比预埋件尺寸大25mm，并根据设计排版来定位加强层的位置；

（2）将按要求设计好的芯材和铺层按复合材料零件铺贴制造方法制作大板；

（3）根据预浸料的具体幅宽和平板工装的尺寸来设计大板尺寸，并将平板件在大板上合理排版，尽可能充分利用大板，并使零件间距保持最小两倍的切割刀缝宽度，完成设计排版；

（4）在设计好排版的大板上采用水切割或复材机切割方法切割出平板件；

（5）在平板件的上下两侧端面开槽，槽深为5-10mm；

（6）采用第一胶接层将平板件的一边预先定位和胶接在上层蒙皮上，并采用湿法铺贴在平板件与第一胶接层之间设置第一胶线层；

（7）在平板件的另一侧采用湿法铺贴第二胶线层，并通过第二胶接层将平板件的另一端胶接在下层蒙皮上。

进一步地，所述芯材和铺层上设置有定位孔，在芯材设计、铺层设计及排版设计时均以该定位孔为参考基准。

本发明的有益技术效果在于：无需制造零件模具，只需要简单的平板工装就可以完成大板的制造，大大节省了制造成本；采用水切割或常规机加的方法，在大板上快速加工出零件，大大提高了零件制造效率；由于采用了平板件，当出现结构的设计更改时，只需重新铺贴大板，或直接在原有大板上机加出新的零件即可，无需更改模具，大大简化设计更改的流程；采用本方案制造的零件翻边（湿法铺贴），是随实际零件外形固化成型的，可以较好地控制胶层厚度，胶接质量得到改善，从而大大提高整个概念设计阶段的研制进度和质量。

附图说明

图1为本发明所述大板的设计排版示意图；

图2为本发明所述芯材的设计示意图；

图3为本发明所述铺层的设计示意图；

图4为本发明所述平板件胶接的结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

在本发明的描述中，需要理解的是，“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“横向”、“竖向”等术语所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，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

平板件设计制造技术，是将所有飞机除蒙皮外的内部零件，例如机身纵梁、隔板、地板结构、机翼剪切梁、肋等，简化为平板件，以省掉零件模具的设计环节和制造成本，零件制造效率得到很大提高，且平板件易于设计更改，简化了结构的设计更改流程。平板件胶接设计制造技术，是一种复材结构的连接技术，是将所有平板件胶接在蒙皮结构上，可较好地控制胶层厚度，并制造零件的翻边，是一种简单易行可控的零件装配制造技术。

如图1-4所示，本发明所述的一种低成本的全复材飞机结构，主要包括平板件1及垂直设置在平板件1上下两侧端面上的蒙皮，所述平板件1主要包括芯材2及分别复合设置在芯材2上下两侧的铺层3；所述平板件1的上下两侧端面上分别设置有向内凹陷的第一凹槽11和第二凹槽12，第一凹槽11及第二凹槽12的槽深均为5-10mm；平板件1的上端面通过部分设置在第一凹槽内11的第一胶接层5与上蒙皮4固定连接，平板件1的下端面通过设置在第二凹槽12内的第二胶接层6与下蒙皮7固定连接；所述平板件1的上侧外壁上设置有采用湿法铺贴设置在平板件1与第一胶接层5之间的第一胶线层8，所述平板件1的下侧外壁上设置有采用湿法铺贴设置在平板件1与下蒙皮7之间的第二胶线层9；湿法铺贴的第一胶线层8和第二胶线层9是为平板件制造翻边，以增加胶接面积，其具体外形根据蒙皮的实际外形进行制造，以更好地控制胶层厚度。

参照图4所示，所述第一胶接层5包括设置在第一凹槽11内的内胶接层51及与所述内胶接层51一体式连接并设置在上蒙皮4与内胶接层51之间的外胶接层52，所述平板件1与外胶接层52的连接端端面上设置有第一加强胶接层53；所述平板件1与下蒙皮7的连接端面上设置有第二加强胶接层61。

一种全复材飞机结构的制作方法，包括如下步骤：

（1）根据平板件1的接头位置和设计排版来设计芯材2，包括芯材开孔比预埋件尺寸大0.05mm，并根据设计排版来定位开孔位置；根据平板件1的铺层方案和设计排版来设计铺层3，包括在预埋件上、下表面设计加强层，加强层比预埋件尺寸大25mm，并根据设计排版来定位加强层的位置；芯材2设计中应嵌入层压板硬点，用于安装标准件，硬点的尺寸应比芯材开孔的尺寸小0.1mm；芯材2及铺层3的设计需要根据平板件1的设计和排版来确定；

（2）将按要求设计好的芯材2和铺层3按复合材料零件铺贴制造方法制作大板10；

（3）根据预浸料的具体幅宽和平板工装的尺寸来设计大板10的尺寸，并将平板件1在大板10上合理排版，尽可能充分利用大板10，并使零件间距保持最小两倍的切割刀缝宽度，完成设计排版；

（4）在设计好排版的大板10上采用水切割或复材机切割方法切割出平板件1；

（5）在平板件1的上下两侧端面开槽，槽深为5-10mm；

（6）采用第一胶接层5将平板件1的一边预先定位和胶接在上层蒙皮4上，并采用湿法铺贴在平板件1与第一胶接层5之间设置第一胶线层8；

（7）在平板件1的另一侧采用湿法铺贴第二胶线层9，并通过第二胶接层6将平板件1的另一端胶接在下层蒙皮7上。

参照图1-3所示，所述芯材2和铺层3上设置有定位孔13，在芯材设计、铺层设计及排版设计时均以该定位孔13为参考基准，定位孔13是设计排版、芯材设计和铺层设计的基准孔。

本发明所述的制作方法无需制造零件模具，只需要简单的平板工装就可以完成大板的制造，大大节省了制造成本；采用水切割或常规机加的方法，在大板上快速加工出零件，大大提高了零件制造效率；由于采用了平板件，当出现结构的设计更改时，只需重新铺贴大板，或直接在原有大板上机加出新的零件即可，无需更改模具，大大简化设计更改的流程；采用本方案制造的零件翻边（湿法铺贴），是随实际零件外形固化成型的，可以较好地控制胶层厚度，胶接质量得到改善，从而大大提高整个概念设计阶段的研制进度和质量。

本文中所描述的具体实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。