一种无人直升机复杂形状复合材料整体油箱结构的制作方法

本发明涉及一种无人直升机复杂形状复合材料整体油箱结构，属于飞行器复合材料结构设计领域。

背景技术：

油箱设计作为直升机设计当中的关键步骤，其优劣性直接关系到飞行安全。现有的直升机燃油箱主要包括金属油箱、塑料油箱、尼龙或耐油橡胶软油箱，但金属油箱的结构重量过大，塑料油箱密封性较差，而尼龙或耐油橡胶软油箱易受到温度的影响且需要特定的固定方式安装到油箱舱中。此外，以往的油箱多为放置在机身内部的单独部件，这增加了不必要的重量，降低了机身内部空间利用率，所以将油箱设计成外部蒙皮结构的一部分有利于提升内部空间利用率。但以往的油箱材料要么过重，要么强度刚度太低，不适合做成轻质的蒙皮结构。复合材料的比刚度、比强度高，且便于做成适宜气动载荷的复杂构型，所以本发明提供了一种高强度、高刚度、轻质量的复杂形状复合材料整体油箱结构设计方法，旨在为无人直升机油箱设计提供参考。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：克服传统直升机油箱的不足，提供一种高强度、高刚度、轻质量的无人直升机复杂形状复合材料整体油箱结构。

本发明技术解决方案是：一种无人直升机复杂形状复合材料整体油箱结构，包括油箱盖、油箱体、加油口、出油口、供油口、回油口、油位测量器、铜网和左右口盖，其中油箱体分为中段、侧面、底部、前裙边、后裙边、左裙边和右裙边；所述油箱放置在旋翼下、桨毂周围，油箱盖和侧面为直升机中机身上侧蒙皮结构，油箱体底部放置在中机身内部桁架上；所述油箱体通过左右裙边与无人直升的中机身下侧蒙皮、机身内部桁架螺栓连接，通过前后裙边分别与前后机身蒙皮螺栓连接，通过底部与出油口、供油口、回油口和油位测量器盲孔法兰螺栓连接，在螺栓连接处添加密封胶，通过中段、侧面与油箱盖胶接连接，通过侧面与左右口盖间接连接，即侧面与左右金属型材胶接连接，左右金属型材再与左右口盖螺栓连接，裁剪掉远离螺栓连接区域的金属型材部分以减轻结构重量；油箱盖与加油口胶接连接；铜网布置在侧面、前裙边、后裙边、左裙边、右裙边和油箱盖上，为胶接连接。

所述油箱结构具有流线复杂曲面外形，保证了飞行器的气动外形，且油箱盖有整流作用，有利于减小飞行阻力。

考虑了因汽油在高温下易挥发导致油箱内压升高的现象，使所述油箱内部可承受30kpa以内的气密压强，同时在加油口上布置通气孔，以防止油箱内压非常大而导致爆炸的发生，使得该油箱可在高温条件下使用。

所述油箱结构采用编织布复合材料泡沫夹层结构，保证了大曲面构型下的纤维铺叠精度，使得油箱在承受各种工况载荷和30kpa的内压下结构最大应变小于5000με，最大变形位移小于10mm，且大大减轻了结构重量；所述油箱体的中段和油箱体拐角处的形状过于复杂，泡沫切割难度过大，均采用层合板结构，油箱体存在从泡沫夹层结构到层合板结构的过渡区域。

所述油箱内表面涂抹抗静电涂层，以防止因内部油摩擦导致的静电电流过大而出现的烧灼甚至爆炸现象的发生。

所述后裙边曲率和面积都较大，但受载较少，为了保持其刚度和减轻重量，将后裙边设计为4层层合结构，同时在纵向上设计泡沫压梗，在螺栓孔下部局部区域增厚。

采用复合材料真空袋辅助成型工艺，油箱盖和油箱体分开制作，油箱体的整体成型工艺使得其铺层方向需统一规划以方便实际铺叠，即复合材料先围成侧面、前裙边、后裙边、左裙边和右裙边，从裙边处回来铺成底部，再从底部铺到侧面。

在油箱盖与油箱体内侧的复合材料层合板的层间布置防油膜，以保证增强复合材料的防油性能。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明具有高强度、高刚度、轻质量的优点。本发明的高强度可以承受30kpa的内压，高刚度保证在各种工况，尤其是30kpa下变形位移小于10mm，高强度、高刚度通过泡沫夹层结构来实现，轻质通过泡沫夹层结构和利用中机身上侧的蒙皮实现。

(2)以往油箱为单独部件，放置在机身内部，这增加了不必要的重量，降低了空间利用率。而本发明油箱结构放置在无人直升机的旋翼下、桨毂周围，为直升机蒙皮结构的一部分，避免了内部油箱不必要的重量，使得直升机内部空间容易布置、空间利用率高。

(3)该油箱特殊的放置位置使得其对桨毂主轴有保护，使得油箱中的油有利于增加结构刚度，同时油箱左右两侧布置的口盖，便于直升机旋翼桨毂主轴的检查和维修，而以往油箱放置在机身内部，没有此优点；

(4)该油箱结构具有复杂曲面外形，保证了飞行器的气动外形，且油箱盖有整流作用，有利于减小飞行阻力，而以往油箱放置在机身内部，没有此优点；

(5)该油箱与无人直升机中机身间设计了两条传力路径，即底部放置在裹橡胶垫的中机身内部桁架上和左右裙边与中机身内部桁架螺栓连接，这种多传力路径保证油箱结构的安全，也减少了螺栓连接的数量，便于拆卸。而以往油箱与机身结构件多为一种传力路径，即类似于裙边的螺栓连接，且这种连接强度较强，不便于拆卸，破损安全性比该油箱差。

附图说明

图1为本发明实施例提供的复合材料整体油箱结构示意图；

图2为本发明实施例提供的复合材料整体油箱结构俯视示意图；

图3为本发明实施例提供的复合材料整体油箱结构侧视示意图，其中(a)为图2中a-a截面的剖面示意图，(b)为(a)中b处的放大视图，(c)为(a)中c处的放大视图，放大倍数均为10倍；

图4为本发明实施例提供的铜网示意图；

图5为本发明实施例提供的金属型材示意图；

图6为本发明实施例提供的加油口与油箱盖胶接连接示意图；

图7为本发明实施例提供的出油口、供油口、回油口与油箱底部盲孔法兰螺栓连接示意图；其中(a)为这种盲孔法兰螺栓连接的整体示意图，(b)为油口、供油口和回油口的法兰示意图，(c)为这种盲孔法兰螺栓连接的剖视图,(d)为油口、供油口和回油口的垫片示意图；

图8为本发明实施例提供的复合材料整体油箱结构的后裙边示意图。

其中，1-后裙边，2-油箱盖，3-加油口，4-铜网，5-左金属型材，6-中段，7-前裙边，8-右口盖，9-右裙边，10-侧面，11-底部，12-供油口，13-回油口，14-出油口，15-油位测量器，16-左裙边，17-左口盖，18-右金属型材，19-加油口的通气孔，20-油口、供油口和回油口的法兰，21-油口、供油口和回油口的垫片，22-后裙边的泡沫压梗，23-后裙边的钉孔处的局部增强。

具体实施方式

如图1、2、3所示，本发明一种无人直升机复杂形状复合材料整体油箱结构，包括油箱盖2、油箱体、加油口3、出油口14、供油口12、回油口13、油位测量器15、铜网4、左金属型材5、右金属型材18、左口盖17、右口盖8等部件。虽然油箱体为一体成型部件，但其过于复杂，将其分为中段6、侧面10、底部11、前裙边7、后裙边1、左裙边16、右裙边9七个部分，便于分析和说明。油箱盖与油箱体、加油口和铜网三个部件均为胶接连接；油箱体与出油口、供油口、回油口以及油位测量器四个部件为盲孔法兰螺栓连接，与铜网和左右金属型材两类部件为胶接连接，与中机身内部金属桁架为螺栓连接；左右金属型材分别与左右口盖胶接连接。

在设计结构和材料选择上，油箱主要采用编织布复合材料泡沫夹层结构，在满足强度和刚度的情况下，大大减轻了结构重量和保证了大曲面构型下的纤维铺叠精度。由于中段6和油箱体拐角处的形状过于复杂，泡沫切割难度过大，所以这些部分均采用层合板结构，且油箱体存在从泡沫夹层结构到层合板结构的过渡区域。

在载荷传递路径设计上，油箱载荷主要源于内部油的压力，设计两种传力路径以保证油箱结构的安全，即底部桁架支撑和左右裙边螺栓连接，前者为主要传载路径。底部11放置在中机身内部桁架上，桁架包裹橡胶垫，通过橡胶垫的变形来缓冲向下的载荷；左裙边16、右裙边9与中机身内部桁架螺栓连接，主要承受横向、纵向和正向过载时的载荷，经过有限元计算，左右裙边分别布置4个均布的螺栓即可满足设计要求。这种多传力路径保证油箱结构的安全，也减少了螺栓连接的数量，便于拆卸。

在工艺方式选择上，采用复合材料真空袋辅助成型工艺，油箱盖和油箱体分开制作。油箱体的整体成型工艺使得中段6、侧面10、底部11和前裙边7、后裙边1、左裙边16、右裙边9的铺层方向需统一规划以方便实际铺叠。油箱体为复杂曲面，为了减小铺叠中纤维方向的误差，采用编织物复合材料而非单向带复合材料。

在结构防漏油设计上，第一油箱盖与油箱体间、油箱盖与油口间(如图6所示)采用胶接连接；第二油箱体与油口采用盲孔法兰螺栓连接(如图7所示)，橡胶垫片放置在油箱体外侧，以防止在油箱内被油腐蚀而失效，垫片在出油口周围凸起，与出油口凹坑配合，以提升密封性能，法兰布置在油箱内部，法兰上螺栓孔为盲孔，通过螺栓与各油口连接，在螺栓孔内布置密封胶，以增加密封性，油位测量器与油箱体连接方式与出油口相同，在此不再赘述；第三油箱盖与油箱体内侧的复合材料层合板的层间布置防油膜，以此达到油箱不渗漏的效果；

在防电荷堆积设计上，油箱表面铺设一层铜网(示意构型如图4所示)，铜网与油箱表面胶接连接，由于复合材料导电性差而金属导电性强，所以主要在在裙边螺栓连接区域和旋翼桨毂附近布置铜网，将电流引流到中机身金属骨架上，以期不因电荷堆积而烧坏复合材料，使得该油箱结构在雷雨天气也能使用；油箱内表面涂抹抗静电涂层，以防止因内部油摩擦导致的静电电流过大而出现的烧灼甚至爆炸现象的发生；

在结构气密性和内压控制设计上，由于汽油载高温下易挥发，所以油箱应承受一定的气密压强，例如内部可承受30kpa，同时在加油口上布置通气孔19，如图6所示，以防止油箱内压非常大而导致爆炸的发生，使得该油箱在高温下也能使用。

在桨毂可维护性设计上，油箱两侧分别布置口盖，油箱体与金属型材5或右金属型材18胶接连接，金属型材再与左口盖17或右口盖8螺栓连接。为了减轻金属型材的重量，裁剪掉远离螺栓连接区域的部分，其示意构型如图5。

如图8所示，为本发明后裙边1，由于后裙边只起到油箱与后机身的连接作用，所以只设计为4层层合结构。但由于后裙边曲率和面积都较大，为了保持其刚度，在纵向设计后裙边的泡沫压梗22，并在螺栓孔下后裙边的钉孔处的局部增强23。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。