一种应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构的制作方法

本发明涉及一种航空应急拦阻结构，是一种应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构，具体来说，是一种应用于飞机道面拦阻系统具备抗冲击、缓冲吸能的双曲波纹夹心板。

背景技术：

随着现代人类对民航运输业需求的增加，飞机冲出跑道的事故时有发生，近十年的统计数据表明飞机发生冲出跑道端的次数逐年增加，已经对飞机和乘员安全产生严重威胁。国际民航组织规定必须设置300m的跑道端安全区。然而很多机场囿于周围建筑物、水域等地形的限制而无法延长跑道，没有足够空间设置跑道端安全区，形成了很大的安全隐患。鉴于这种情况，国际飞行员联合会建议安装一种工程材料拦阻系统(engineeredmaterialarrestingsystem,emas)来拦停冲出跑道的飞机。通常emas由轻质泡沫混凝土构成，铺设于机场跑道末端。当飞机冲出跑道进入泡沫混凝土后，在机轮的碾压下该泡沫混凝土能够快速碎化形成压溃阻力，使飞机平稳减速并最终停止，实现飞机的安全拦阻。但是泡沫混凝土存在易老化、耐水性能差及压溃后产生大量粉尘的问题。

此外，波纹夹芯板以其比强度高、比刚度大、抗冲击和耐疲劳等优点，被广泛地应用在航空航天、船舶、高速列车等工程领域。其主要由上下表层面板以及中间波纹夹芯层构成，一般通过直接胶接法或者预浸料后固化法复合而成。传统的波纹夹心板主要包括三角形波纹板、梯形波纹板以及正弦形波纹板，然而这些夹芯板并不能满足飞机道面拦阻的吸能要求且其具有典型的各向异性特性。

因此，如何在解决泡沫混凝土材料老化、耐久性及环境等问题的前提下增加波纹结构的能量吸收效率，是提高对冲出跑道飞机拦阻防护安全的当务之急。

技术实现要素：

本发明旨在提高对冲出跑道飞机有效拦阻的安全防护能力，提出一种应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构，沿机场跑道方向水平铺设于跑道末端，当飞机冲出跑道后压溃波纹结构吸收飞机动能，满足飞机道面拦阻系统的能量吸收要求，保护飞机乘员的生命安全。

本发明一种应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构，自上而下依次为上层面板、中间夹芯板与下层面板；中间夹芯板横向和纵向均呈正弦波纹状，且横向波纹方向与纵向波纹方向正交。中间夹芯板与上层面板和下层面板间通过预浸料后固化连接。

为了提高此双曲波纹夹芯板结构的能量吸收特性进一步增大其结构比吸能，可采用堆积模式，可在上层面板与下层面板间设置1个以上中间夹芯板，且相邻中间夹芯板间上下反向设置。中间夹层之间同样通过预浸料后固化连接。

本发明中上层面板、下层面板材料与中间夹芯板采用铝合金材料或者钢材，采用冷轧工艺方法制备；中间夹芯板采用3d打印技术制备。

本发明中还可在上层面板与下层面板上，设计有横纵方向的连接孔，可通过螺钉及连接板实现相邻双曲波纹夹心防护结构间的连接。

本发明的优点在于：

1、本发明应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构，不同于传统的波纹夹芯板结构，其沿结构的横向和纵向均呈正弦波纹状且横向波纹方向与纵向波纹方向正交，因此该结构具有各向同性属性。

2、本发明应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构，可通过改变波纹结构的振幅、周期、厚度以及堆积层数来调整结构的基本力学特性，构造不同能量吸收能力的结构以满足不同型号飞机拦阻的要求。

3、本发明应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构，在雨雪天气中可保证水流方向畅通及时排水，避免雨水或积雪堆积而造成的耐水性问题。

4、本发明应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构，不同于常规使用的泡沫混凝土材料，双曲夹芯层以及上下表层面板的制备工艺相对较为简洁，环保，不会产生任何废水废液减少对环境的不利影响。

5、本发明应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构，作为一种高比强度、比刚度、抗冲击的夹芯板结构可广泛应用于航空航天、船舶及汽车等工程领域。

6、本发明应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构，使用了传统的金属材料制备方法相对简单，避免了目前常用的泡沫混凝土存在的老化、耐久性差以及污染环境的问题，更适合作为飞机道面拦阻材料。

7、本发明应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构，相比于常规的三角形、正弦型的波纹夹芯板结构具有更高的能量吸收效率。

8、本发明应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构，通过连接板相互接合，对于已压溃变形的双曲波纹结构，可实现快速更换操作。

附图说明

图1为本发明双曲波纹夹心防护结构示意图；

图2为本发明双曲波纹夹心防护结构的中间夹芯板结构示意图；

图3为本发明双曲波纹夹心防护结构在堆积模式下结构示意图；

图4为本发明双曲波纹夹心防护结构组装方式示意图；

图5为三角形、正弦以及双曲正弦的波纹夹芯板力位移对比图。

图中：

1-上层面板2-中间夹芯板3-下层面板

4-连接板

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构，自上而下依次为上层面板1、中间夹芯板2与下层面板3。其中，上层面板1与下层面板3的厚度均为2mm，材料为铝合金，采用冷轧工艺方法制备。中间夹芯板2中间夹心板2为双曲波纹夹芯板，同样采用铝合金材料，其长度与宽度均为0.5m，厚度为1mm。中间夹芯板2采用3d打印技术制备，与传统的波纹夹芯板相比具有复杂的外形结构，具体为：中间夹心板2横向和纵向呈现4行4列正弦波纹结构，且横向波纹方向与纵向波纹方向正交，具有各向同性属性。上述横向和纵向的正弦波纹振幅为0.2m；且横向与纵向均具有4个波峰。

上述中心夹芯板2的几何面构型遵循以下方程：

其中，x，y分别代表双曲波纹面上每一个点的沿x轴的横坐标、沿y轴的纵坐标。l1及l2分别为中间夹芯板2的长度和宽度；nx及ny为沿横向及纵向的波峰数目；f为中间夹芯板上正弦波纹的振幅，z(x)为双曲波纹面上每一个点沿z轴的法向坐标。将上述结构参数代入此方程就可以得到其几何表达式。

上述中间夹芯板2一侧的各个波峰处与上层面板1间通过预浸料后固化连接，另一侧的各个波谷处与下层面板3间同样通过预浸料后固化连接，保证其连接牢固以最大化地发挥其能量吸收特性。为了提高此双曲波纹夹芯板结构的能量吸收特性进一步增大其结构比吸能，可采用堆积模式，即在上层面板1与下层面板3间设置两个双曲波纹夹芯层，两个夹芯板2上下反向设置。上方的夹芯板2横向和纵向上各个波峰位置，分别与下方波纹夹芯板2横向和纵向上的各个波峰位置接触，且通过预浸料后固化连接，如图3所示。上方的夹芯板2与上层面板1间，以及下方的夹芯板2与下层面板3间同样通过预浸料后固化连接。为了达到不同的能量吸收标准，需合理地选择双曲波纹振幅、周期、厚度以及堆积层数，调整双曲波纹夹心板的外形提高结构的能量吸收效率。

本发明应用于飞机道面拦阻的双曲波纹夹心防护结构，沿机场跑道方向水平铺设于跑道末端，当飞机冲出跑道后压溃波纹结构吸收飞机动能，满足飞机道面拦阻系统的能量吸收要求，保护飞机乘员的生命安全。

如图4所示，本发明中在上层面板1与下层面板3上，沿各条边长方向等间隔开有连接孔；由此在铺设双曲波纹夹心防护结构时，相邻的双曲波纹夹心防护结构间边边相接设置，通过两侧开孔的连接板4，覆于相邻双曲波纹夹心防护结构相接侧边处，使连接板4两侧开孔分别与相邻双曲波纹夹心防护结构相接侧边的连接孔一一对应，并通过螺钉穿过连接板4开孔与双曲波纹夹心防护结构侧边的连接孔后固定，进而实现两块双曲波纹夹心防护结构间的固定，形成一个整体，且便于拆装，当某一个双曲波纹夹芯防护结构出现损坏或者压溃变形后可进行及时的更换。

此外为了验证本发明中提出的双曲波纹夹芯板相对于常用的三角形及正弦型的波纹夹芯板的优势，分别进行了三种波纹夹芯板在冲击载荷作用下的数值模拟研究，如图5所示的结果表明双曲正弦波纹夹芯板的初始峰值载荷且同等条件下吸收的能量最多，故而其能量吸收特性最佳。