专利名称：具有肋骨补强的圆形开口复合材料正交格栅圆柱壳的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种开口复合材料格栅结构，尤其是能够以较小重量取得较强结构承载力的具有补强肋骨的圆形开口复合材料正交格栅圆柱壳。
背景技术：
目前公知的开口复合材料正交格栅圆柱壳结构，由加筋格栅(肋骨)和被支撑壳体(蒙皮)组成，其材料是由连续纤维和有机树脂材料复合而成。壳体结构上分布相互正交的肋骨(或筋)，肋骨按正交格栅形式分布，分为轴向肋骨与环向肋骨，其布置和走向由2个方向组成一个循环。作为一个承力结构，正交肋骨是承受载荷的主要部分，蒙皮承受小部分载荷，主要起到保证外形的作用。由于安装门、窗等需求，有时需要在格栅结构特定部分开口，开口会使复合材料格栅结构产生应力集中，造成结构刚度和强度下降，影响结构的使用。传统的解决办法是使用大面积纤维复合材料蒙皮对开口进行增强，但是由于开口附近 应力状态复杂，并非全部补强蒙皮平均分担开口附近的应力集中，因此纤维复合材料补强蒙皮覆盖面积较大。为达到预期的补强效果，常需要较厚的蒙皮厚度，造成结构重量上升幅度较高。
发明内容本实用新型提供了一种具有肋骨补强的圆形开口复合材料正交格栅圆柱壳，其采用肋骨补强的方式，在开口结构的周围设置肋骨，使截面积较小而抗弯刚度较大的补强肋骨分布在圆形开口附近应力集中位置，形成一个应力传递均匀、无明显应力集中的开口格栅结构。根据有限元分析结果，减轻开口附近的应力集中现象，可以提高局部屈曲载荷、减小局部屈曲发生的可能性，从而提高结构的强度。而且，由于补强肋骨只分布在对局部屈曲强度贡献较大的部位，结构重量没有明显增加。同时，补强肋骨的厚度与正交肋骨相同，因此结构尺寸无明显变化；全部肋骨可以由缠绕工艺缠绕在刻有凹槽的模具上，之后铺设蒙皮，并一同固化，加工过程与现有结构加工过程无明显区别，因此方便在现有设计基础上进行改进。本发明的技术方案如下—种具有肋骨补强的圆形开口复合材料正交格栅圆柱壳，该格栅圆柱壳结构主要由蒙皮、正交肋骨、圆形开口和开口周围的补强肋骨构成。圆形开口的周围设置补强肋骨，使其围成一个闭合凸六边形，闭合凸六边形的各边均使用补强肋骨凸六边形的左右两边，位于圆形开口的左右两侧，这两边相切于圆形开口并与圆柱壳体的对称轴平行，左右边长与圆形开口的直径相同。凸六边形的上下两个顶点分别位于过圆形开口圆心的母线上，距离开口边缘一个格栅肋骨的间距。上下两个顶点与左右两边端点的连线构成凸六边形的其他四条边。此外，还有两根补强肋骨，均为与轴线平行的短肋骨，分别与凸六边形上下两端相连接，一端接凸六边形的上下顶点，另一端接圆形开口的边缘。[0008]所有补强肋骨处于圆形开口周围一个格栅肋骨间距内，不与正交肋骨产生额外交叉，因此不会带来由于肋骨交叉产生的工艺困难。所有补强肋骨的宽度和厚度与圆形开口复合材料格栅结构的正交肋骨尺寸相同，便于通过缠绕工艺将全部肋骨缠绕在刻有凹槽的模具上，之后铺设蒙皮，并和主体结构一同固化，采用共固化工艺可以使补强肋骨、主体结构正交肋骨和蒙皮紧密连接。本实用新型的有益效果是I、与传统蒙皮补强圆形开口复合材料正交格栅圆柱壳结构相比，本实用新型使结构载荷传递趋于平顺，可降低圆形开口周围的应力奇异性，提高局部屈曲载荷、减小局部屈曲发生的可能性，从而提高结构的整体强度。在有效提高圆形开口复合材料正交格栅圆柱壳结构强度的同时，可较大幅度控制结构重量的增加。2、本实用新型补强肋骨的厚度与正交肋骨相同，结构尺寸无明显变化；全部肋骨可以由缠绕工艺缠绕在刻有凹槽的模具上，之后铺设蒙皮，并一同固化，加工过程与现有结构无明显区别，方便在现有设计基础上进行改进。 3、本实用新型的适用范围较广，各型号飞机舱段和火箭整流罩均可适用。根据结构尺寸和载荷水平，可进行纤维复合材料的设计，选用适当的纤维如碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等，以及不同的基体材料、铺设方式，使结构刚度和强度满足要求。4、本实用新型采用复合材料，该材料对雷达波无反射作用，可制作具有隐形功能的结构。
图I是本实用新型开口补强区域的局部放大图。图2是本实用新型补强肋骨结构示意图。图中圆形虚线表示结构开口范围，粗实线表示补强肋骨，点横线表示复合材料格栅结构的其他正交肋骨。图3是本实用新型实施例的立体图。图4是蒙皮与肋骨的链接方式示意图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。如图1，图中点I、点2分别为圆形开口的上下顶点；点3位于点I上方,距离点I 一个正交肋骨间距；点4、点8位于点I左右两侧，距离点I 一个圆形开口半径的距离；点6位于点2下方，距离点2 —个正交肋骨间距；点5、点7位于点2左右两侧，距离点2 —个圆形开口半径的距离；顺序连接点3-4-5-6-7-8-3，形成本实用新型肋骨补强的凸六边形；此外还需用补强肋骨连接点I-点3、点2-点6，组成两根短肋骨。如图2,图中圆形虚线表示结构开口范围,粗实线表示补强肋骨，点横线表示复合材料格栅结构的其他正交肋骨。如图3，图中该结构可按功能分为三部分，一-外蒙皮、二 -正交肋骨、三-圆形开口附近的补强肋骨。其中的圆形开口复合材料正交格栅圆柱壳结构的具体尺寸如下柱壳半径为800mm,长度为1600mm,蒙皮厚度2mm ;轴向均勻分布40根肋骨,环向分布13根肋骨，轴向和环向肋骨将圆柱壳分割成小正方形蒙皮，肋骨厚度为10mm，宽度为5mm;壳体中间存在一个直径250mm的圆形开口。整个壳体由T600碳纤维制成。根据有限元分析的结果显示，无补强的圆形开口复合材料正交格栅圆柱壳结构轴向承载力为I. 87e6N，采用本实用新型方式补强的结构承载力可达到2. 50e6N，承载力提高33. 75%，结构重量仅增加0.32。而在圆形开口附近采用边长500mm，厚度5mm的传统蒙皮
补强，仅使结构承载力提高2. 27661提高比例21.82%，结构重量增加4. 37。本实用新型补强效果明显优于传统补强结构。
权利要求1.一种具有肋骨补强的圆形开口复合材料正交格栅圆柱壳，其特征是该格栅圆柱壳主要由蒙皮、正交肋骨、圆形开口和开口周围的补强肋骨构成；圆形开口的周围设置补强肋骨，使其围成一个闭合凸六边形，闭合凸六边形的各边均使用补强肋骨； 凸六边形的左右两边，位于圆形开口的左右两侧，这两边相切于圆形开口并与圆柱壳体的对称轴平行，左右边长与圆形开口的直径相同；凸六边形的上下两个顶点分别位于过圆形开口圆心的母线上，距离开口边缘一个格栅肋骨的间距；上下两个顶点与左右两边端点的连线构成凸六边形的其他四条边； 此外，还有两根补强肋骨，均为与轴线平行的短肋骨，分别与凸六边形上下两端相连接，一端接凸六边形的上下顶点，另一端接圆形开口的边缘； 所有补强肋骨处于圆形开口周围一个格栅肋骨间距内，不与正交肋骨产生额外交叉。
2.如权利要求I所述的圆形开口复合材料正交格栅圆柱壳，其特征是所有补强肋骨的宽度和厚度与正交肋骨尺寸相同。
3.如权利要求I或2所述的圆形开口复合材料正交格栅圆柱壳的加工方法，其特征是通过缠绕工艺将全部肋骨缠绕在刻有凹槽的模具上，之后铺设蒙皮，并和主体结构一同固化。
专利摘要本实用新型涉及一种具有肋骨补强的圆形开口复合材料正交格栅圆柱壳，这种格栅圆柱壳结构是由蒙皮、正交肋骨、圆形开口和开口周围的补强肋骨构成。对于该种圆形开口格栅结构，在开口周围以特定方式设置肋骨，补强肋骨除围成一个闭合凸六边形外，还具有两根与轴线平行的短肋骨，分别与六边形上下两端相连接。该补强设计使结构载荷传递趋于平顺，降低开口周围的应力奇异性，可以以较小结构重量增加为代价，取得优秀的结构承载力提高效果，可用于飞机舱段、火箭整流罩等对结构重量要求较高的结构。
文档编号B64C1/12GK202464120SQ20122008157
公开日2012年10月3日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者任明法, 孙直, 欧进萍, 石姗姗 申请人:大连理工大学