一种复合材料盒段式抗坠毁吸能结构的制作方法

本发明涉及直升机结构设计领域，具体涉及一种复合材料盒段式抗坠毁吸能结构。

背景技术：

为了达到直升机的抗坠毁要求，通常在机身底部设计抗坠毁结构，目前机身抗坠毁结构普遍采用传统金属结构，通过金属结构的弹塑性变形吸收一定能量，但是结构付出较大的重量代价，且吸能效率低。为满足抗坠毁结构系统轻量化发展的要求，需要采用具有良好吸能特性的新材料和新结构。

对于抗坠毁结构而言，要在瞬间大变形过程中吸收大量的冲击能量，采用组合的复合材料波纹梁结构，通过复合材料的压溃吸能，具有综合性能好，重量轻等优点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种复合材料盒段式抗坠毁吸能结构，用于解决上述任一问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种复合材料盒段式抗坠毁吸能结构，其包括

波纹梁，所述波纹梁包括上凸缘、与所述上凸缘平行的下凸缘和设置于上凸缘和下凸缘之间的波形腹板，在所述波形腹板的两侧有向外延伸的左连接板和右连接板，所述波形腹板、左连接板和右连接板与上凸缘和下凸缘垂直；

连接角材，所述连接角材固定连接于相邻两个波纹梁的连接板，使得四个波纹梁以构成正方形盒段结构，且四个所述波纹梁沿正方形盒段结构中心对称；

其中，所述波纹梁及连接角材均为复合材料铺设而成。

本发明优选方案中，所述波形为正弦波。

本发明优选方案中，所述波形腹板包括至少一个整周期。

本发明优选方案中，所述左侧连接板和右侧连接板位于所述正弦波的中心线。

本发明优选方案中，所述上凸缘与波形腹板之间的拐角处填充有缓存材料，所述下凸缘与波形腹板之间的拐角处未填充材料，以及所述下凸缘与波形腹板的拐角处的铺层数少于所述上凸缘与波形腹板的拐角处的铺层数。

本发明优选方案中，所述缓冲材料为碳纤维丝。

本发明优选方案中，所述连接角材的靠近于上凸缘的一端平整，靠近于下凸缘的一端具有一定角度的切角。

本发明优选方案中，所述切角的角度为30度。

本发明的复合材料盒段式抗坠毁结构有以下优点：

本发明的复合材料盒段式抗坠毁吸能结构在通过相关重量及高度自由落体冲击抗坠毁试验中表明，采用复合材料波纹梁铆接盒段结构，通过压溃吸能，能将冲击能量吸收掉；其由复合材料波纹梁结构的耐坠吸能效果优于铝合金材料结构件，相对于传统的金属结构，重量轻；盒段与角材两两铆接，抗坠毁接触面积大，结构稳定；单个波纹梁一体成型，盒段件之间通过铆钉连接，连接简单、工艺性好。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为复合材料盒段式抗坠毁吸能结构示意图；

图2为波纹梁结构示意图；

图3为波形腹板构型示意图；

图4为波纹梁铺层示意图；

图5为连接角材切角示意图；

图6为连接角材铺层示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。

如图1所述为本发明的复合材料盒段式的直升机抗坠毁吸能结构，其主要包括四块波纹梁1和四根连接角材2，四个波纹梁1摆成正方形形状后，通过四个连接角材2将四个波纹梁1进行固定连接形成盒段结构。波纹梁1与连接角材2可以通过粘接方式固定，也可以通过铆钉方式进行固定连接，但为了达到较强的连接强度，优选地采用铆钉连接。其中波纹梁1和连接角材2均为复合材料制成，以降低结构重量。

如图2所示，波纹梁1由上凸缘11、下凸缘12和波形腹板13构成，上凸缘11和下凸缘12基本平行的分布在波形腹板13的两端，波形腹板13与上凸缘11和下凸缘12均垂直设置。波形腹板13的中部为波形，从波形的两端均向外延伸以形成左连接板132和右连接板131。在将波纹梁1进行连接时，连接角材2便连接在连接板131和132上。

如图3所示，在波形腹板13中，波形可以为任意波，但是优选地为正弦波，正弦波构型可以保证波形腹板13在竖向受力(图2中所示角度)时提供较强度支撑刚度。在波纹梁1构成的盒段结构中，若需要较大结构的盒段，可以将波形腹板13中的波形延迟，即将波形由一个整周期成倍的延长到n个整周期(n为自然数)。在此基础上，设置在波形腹板13两侧端点的左连接板132和右连接板131沿着正弦波的轴线(中心线)设置。连接角材2则设置成一直角型角材，通过连接角材2将相邻的且相互垂直设置的波纹梁1连接上。

如图4所示为波纹梁1构造，波纹梁1中上凸缘11、下凸缘12与波纹腹板13采用一体固化成型，在上凸缘11与波形腹板13的拐角处填充缓冲材质3，在本实施例中缓冲材质3为碳素。铺层顺序见图中所示，图中b为5224/ew110c/44玻璃布预浸料、c1为5224/cf3052/39滩布预浸料、c2为5224/ccf300/38碳布单向预浸料，其后跟随的为材料的铺层角度，在下凸缘12与波形腹板13的拐角处未填充材料，且此拐角处复合材料层较少，其少于上凸缘11与波形腹板13的拐角处的复合材料层。如图5所示，在波纹梁1上下凸缘基本呈平行状态，而连接角材2为复合材料件支撑的连接件，其上端平整与上凸缘11基本平衡，而其下端呈一定角度的切角α，切角α为边缘与下凸缘12所夹角度，在本发明中切角α为30°角，在此角度下本发明的盒段结构具有最优的缓冲性能。连接角材2的铺层参见图6所示。

需要说明的是，本发明中的复合材料构成的波形梁1和连接角材2的铺层及角度设置不限于本实施例中所示。

本发明的复合材料盒段式抗坠毁吸能结构中波纹梁1和连接角材2都为一体固化成型，通过铆钉铆接成盒段结构，其具有如下优点：

1)波纹形腹板，通过在冲击过程中的失效模式来吸收大量能量，同时减缓冲击力的幅值，上下凸缘与波形腹板在拐角处通过填充缓冲材料和减少铺层，诱发局部破坏，实现连续压溃的失效模式；

2)连接角材在下端设置切角时，使得冲击破坏时，连接角材与波纹梁同步破坏，不形成硬点，且不提前破坏，保证波纹梁的侧向稳定性。

本发明的复合材料盒段式抗坠毁吸能结构在通过相关重量及高度自由落体冲击抗坠毁试验中表明，采用复合材料波纹梁铆接盒段结构，通过压溃吸能，能将冲击能量吸收掉；其由复合材料波纹梁结构的耐坠吸能效果优于铝合金材料结构件，相对于传统的金属结构，重量轻；盒段与角材两两铆接，抗坠毁接触面积大，结构稳定；单个波纹梁一体成型，盒段件之间通过铆钉连接，连接简单、工艺性好。

以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种复合材料盒段式抗坠毁吸能结构，其包括：波纹梁，所述波纹梁包括上凸缘、与所述上凸缘平行的下凸缘和设置于上凸缘和下凸缘之间的波形腹板，在所述波形腹板的两侧有向外延伸的左连接板和右连接板，所述波形腹板、左连接板和右连接板与上凸缘和下凸缘垂直；连接角材，所述连接角材固定连接于相邻两个波纹梁的连接板，使得四个波纹梁以构成正方形盒段结构，且四个所述波纹梁沿正方形盒段结构中心对称；其中，所述波纹梁及连接角材均为复合材料铺设而成。本发明的复合材料盒段式抗坠毁吸能结构具有重量轻、吸能效果好、工艺方便等优点。

技术研发人员：范光华;常成;陶国敏;周小明;杨东雷
受保护的技术使用者：中国直升机设计研究所
技术研发日：2017.12.03
技术公布日：2018.05.18