能量吸收复合面板的制作方法

本公开涉及复合面板的领域，更具体地涉及能量吸收复合面板。

背景技术：

飞行器被设计成为乘客提供碰撞保护。这通常通过使用机身结构以及防撞子系统(诸如座椅和起落装置)吸收作用在飞行器上的冲击能量来实现。除了提供能量吸收，机身结构还被设计成保持其结构完整性、在碰撞期间在乘客周围提供能生存的容积以及便于乘客在碰撞之后从飞行器逃出。军用飞行器还被设计成承受弹道冲击而不会经受灾难性结构失效。腹部结构以及在飞行器的内燃料囊周围的机身结构在碰撞冲击期间会经受非常高的横向压力载荷。内燃料囊上的弹道冲击也可以在周围机身结构上导致高的横向压力载荷。

许多现代飞行器采用复合结构来降低飞行器的重量。但是，典型的复合结构采用具有酚醛树脂芯或实心层压板的石墨面薄板，其是易碎的。因为它们是易碎的，所以内燃料箱周围的这些类型的复合结构在在飞行器碰撞和/或燃料箱上的弹道冲击期间出现的横向压力载荷下快速失效。结构失效可以对乘客的生存性具有灾难性效果。这些结构失效由于失效的主要载荷路径而使得乘客暴露于来自主要质量物品(诸如发动机、传动机构和转子系统)的潜在伤害。在燃料箱和周围结构的弹道检测期间也观察到相似的失效。

复合结构的另一潜在失效部位是飞行器腹部蒙皮面板。这些蒙皮失效尤其出现于碰撞冲击在软土和水上。由于蒙皮在横向压力载荷下失效且断裂，因此冲击载荷不会传递至作为机身能量吸收系统的部件的底层地板和龙骨梁结构。这致使较高的机身碰撞减速，而这可以导致乘客脊髓损伤。此外，在碰撞冲击在水上期间，腹部蒙皮面板的断裂在乘客可以安全撤离之前可以导致飞行器的快速下沉。因此，需要提高复合结构(诸如可用在飞行器上的复合结构)的横向压力载荷能力。

技术实现要素：

现代交通工具经常采用复合面板作为结构元件。复合面板典型地包括结合在一起的多层材料，这导致强壮但重量轻的结构。复合面板的一个实施例采用低密度芯，在该芯的各侧均结合有蒙皮面板。所述芯可以包括蜂窝状结构或一些其它材料(诸如开孔或闭孔泡沫)，并且可以包括诸如销(如例示为销拉挤泡沫)的其它增强结构。所述蒙皮面板可以采用诸如石墨碳或玻璃纤维的轻质材料。复合面板由于其重量轻和强度而期望作为构成材料。但是，典型的复合面板是易碎的并且不能支撑在交通工具碰撞或给复合面板的弹道冲击期间可能施加的横向压力载荷。例如，在交通工具的燃料箱周围使用典型的复合面板不能支撑在交通工具碰撞或给燃料箱的弹道冲击期间可能施加在燃料箱上的横向压力载荷。在这里所述的实施方式中，复合面板包括结合至泡沫芯的面薄板。泡沫芯包括由高延展性材料(诸如聚乙烯或铝)形成的瓦楞芯板。当横向压力载荷施加在复合面板上时，随着芯薄板在变形期间从其初始瓦楞形状变长为弯曲形状，会出现泡沫的芯挤碎。这允许复合面板分散施加于复合面板的横向压力载荷的能量。

一个实施方式包括一种复合面板，所述复合面板包括第一复合叠层、第二复合叠层、以及结合并插设在所述第一复合叠层和所述第二复合叠层之间的泡沫芯。所述复合面板进一步包括位于所述泡沫芯内的瓦楞芯板。所述瓦楞芯板具有比所述第一复合叠层和所述第二复合叠层高的延展性，以当在所述复合面板上作用横向压力载荷时吸收能量。

另一实施方式包括一种用于交通工具的复合结构。所述复合结构包括多个互连的复合面板，其中所述多个互连的复合面板中的至少一者包括：第一复合叠层；第二复合叠层；结合并插设在所述第一复合叠层和所述第二复合叠层之间的泡沫芯；以及位于所述泡沫芯内的瓦楞芯板。所述瓦楞芯板具有比所述第一复合叠层和所述第二复合叠层高的延展性，以当在所述多个互连的复合面板中的所述至少一者上作用横向压力载荷时吸收能量。

又一实施方式包括一种复合燃料箱，所述复合燃料箱包括内燃料囊以及封装所述内燃料囊的复合结构。所述复合结构包括多个互连的复合面板，其中所述多个互连的复合面板中的至少一者包括：第一面薄板；第二面薄板；结合并插设在所述第一面薄板和所述第二面薄板之间的泡沫芯；以及位于所述泡沫芯内的瓦楞芯板。所述瓦楞芯板具有比所述第一面薄板和所述第二面薄板高的延展性，以当在所述多个互连的复合面板中的所述至少一者上作用横向压力载荷时吸收能量。

已论述特征、功能和优点可以在各种实施方式中独立实现，或者可以在参照如下描述和附图可见进一步细节的其它实施方式中被组合。

附图说明

下面将参照附图仅以实施例的方式描述本发明的一些实施方式。在所有的附图中相同的附图标记代表相同的元件或相同类型的元件。

图1是在示例性实施方式中交通工具的立体图。

图2是在示例性实施方式中复合面板的侧视图。

图3a至图3d示出了在示例性实施方式中在施加横向压力载荷时图2的复合面板的变形。

图4示出了在示例性实施方式中用于图1的交通工具的复合燃料箱。

图5a至图5d示出了在示例性实施方式中采用图2的复合面板的复合燃料箱的变形。

图6示出了在示例性实施方式中用于图2的复合面板的瓦楞芯板的替代形状。

具体实施方式

附图和下面描述示出了具体示例性实施方式。应理解，本领域技术人员能够设想尽管在这里没有明确描述或显示但体现了这里所述的原理并包含在本说明书所附权利要求的考虑范围内的各种布置。另外，这里描述的任何实施例旨在有助于理解本公开的原理且应解释为并非构成限制。结果，本公开并不限于下面描述的具体实施方式或实施例，而由权利要求及其等价物限制。

图1是在示例性实施方式中交通工具100的立体图。尽管图1示出了交通工具100为旋翼飞机，但在其它实施方式中交通工具100可以包括其它类型的交通工具。例如，交通工具100可以包括其它类型的飞行器或航天器(例如，旋翼飞机、载人或无人战斗机、无人驾驶飞机等)、其它类型的陆地交通工具(例如，汽车、坦克等)和/或其它类型的水下交通工具(例如，潜水艇、自动潜航器(uav)等)。

在图1中，交通工具100被显示为包括复合面板102。例如，复合面板102可以是互连在一起以形成用于交通工具100的结构部件(例如，复合结构的一部分)的多个复合面板中的一者。结构部件是承载的。用于交通工具100的结构部件的一些实施例包括机翼、尾翼、机身、旋翼飞机的尾桁等。

尽管在图1中沿着交通工具100的腹部104示出了多个复合面板102，但复合面板102可以用于形成交通工具100的任何类型的部件，包括可以在碰撞和/或冲击期间经受横向压力载荷的部件。例如，如果交通工具100将要碰撞，则沿着交通工具100的腹部104的复合面板102可以经受横向压力载荷。在这里所述的实施方式中，复合面板102被改进以在变形期间吸收能量而非在变形期间经受脆性破坏。在下面的论述和附图中将容易明白对复合面板102的改进。在图1中还示出了交通工具100包括复合燃料箱106。例如，复合燃料箱106可以包括环绕用于交通工具100的内燃料囊(图1中未示出)的一个或多个能量吸收复合面板(例如，在结构上与复合面板102相似)。稍后将更详细地论述复合燃料箱106的细节。

图2是在示例性实施方式中复合面板102的侧视图。在该实施方式中，复合面板102包括第一复合叠层202、第二复合叠层204以及结合并插设在第一复合叠层202和第二复合叠层204之间的泡沫芯206。第一复合叠层202和第二复合叠层204可以被称为面薄板。

在一些实施方式中，第一复合叠层202和第二复合叠层204可以由一层或多层纤维增强聚合物层片形成。第一复合叠层202和第二复合叠层204可以包括通过聚合物基质材料结合在一起的增强纤维材料制成的一个或多个薄板或垫。聚合物基质材料可以包括任何合适的热固性树脂(例如，环氧树脂)或热塑性塑料。在一些实施方式中，第一复合叠层202、第二复合叠层204以及泡沫芯206可以被连续地铺放和固化以形成复合面板102。例如，第一复合叠层202和第二复合叠层204可以包括一个或多个用聚合物基质材料预浸的增强纤维材料薄板(例如，预浸料坯)，其可以被称为干铺。作为另一实施例，第一复合叠层202和第二复合叠层204可以包括一个或多个增强纤维材料薄板，并且将聚合物基质施加于增强纤维材料薄板。这可以被称为湿铺。此外，第一复合叠层202和第二复合叠层204的结构特性可以由用于形成第一复合叠层202和第二复合叠层204的底层纤维材料和聚合物基质材料的抗拉强度限定。在一些实施方式中，第一复合叠层202和/或第二复合叠层204可以包括石墨复合叠层。

泡沫芯206可以按期望包括任何合适的泡沫材料。例如，泡沫芯206可以包括复合泡沫芯材料、开孔或闭孔泡沫、弹道泡沫等。另外，泡沫芯206的结构特性可以由用于形成泡沫芯206的底层材料的抗拉强度限定。

在该实施方式中，复合面板102还包括嵌在泡沫芯206内的瓦楞芯板208。在该实施方式中的瓦楞芯板208具有正弦波的形状，但在其它实施方式中瓦楞芯板208可以具有其它形状。通常，瓦楞芯板208具有比第一复合叠层202和第二复合叠层204高的延展性。例如，瓦楞芯板208可以由均是高延展性材料的聚乙烯或铝形成，而第一复合叠层202和/或第二复合叠层204可以由具有低延展性的石墨复合材料形成。当向复合面板102施加横向压力载荷210时，复合面板102会变形。随着复合面板102变形，瓦楞芯板208变长或伸展，这会吸收横向压力载荷210的能量。随着瓦楞芯板208变长或伸展，泡沫芯206也被挤压，这也会吸收横向压力载荷210的能量。

图3a至图3d示出了在示例性实施方式中在施加横向压力载荷时复合面板102的变形。图3a示出了在变形之前的复合面板102。随着在施加横向压力载荷210时复合面板102开始变形，瓦楞芯板208开始变长或伸展并且泡沫芯206开始挤压(见图3b)。瓦楞芯板208的变长和泡沫芯206的挤压吸收横向压力载荷210的一些能量。随着复合面板102进一步变形，第一复合叠层202和/或第二复合叠层204开始失效(见图3c)。例如，因为第一复合叠层202和/或第二复合叠层204由诸如石墨复合材料的低延展性材料形成，第一复合叠层202和/或第二复合叠层204会随着复合面板102变形由于脆性断裂而偏转或破裂。第一复合叠层202和/或第二复合叠层204的偏转或破裂也吸收横向压力载荷210的一些能量。随着复合面板102更进一步变形，瓦楞芯板208继续变长，而从横向压力载荷210吸收能量(见图3d)。

再次参照图2，可以根据在变形期间复合面板102的期望性能而改变复合面板102的各种特征。调整第一复合叠层202的厚度212和/或调整第二复合叠层204的厚度214可以允许调整在施加横向压力载荷210时复合面板102的变形特性。可以改变瓦楞芯板208的幅度216和/或频率，以调整在施加横向压力载荷210时复合面板102如何变形。例如，如果减少瓦楞芯板208的幅度216和/或频率，则在瓦楞芯板208变长和/或泡沫芯206被挤压之前减少了复合面板102的变形半径。可以改变瓦楞芯板208的厚度218以控制瓦楞芯板208的延展性。而且，可以改变复合面板102的总厚度220，以调整在施加横向压力载荷210时复合面板102如何变形。

如前面所述，可以将一个或多个复合面板102互连以形成交通工具100的结构部件。例如，该结构部件可以包括沿交通工具100的腹部104的一个或多个蒙皮面板。如果交通工具100将要碰撞或经受冲击，则复合面板102吸收来自碰撞或冲击的能量，从而提高交通工具100的乘客的生存性。随着由一个或多个复合面板102形成的复合结构在变形期间吸收能量而不是如典型的夹心板那样灾难性地破裂或失效，提高了交通工具100响应于碰撞或冲击的性能。

在一些实施方式中，复合面板102可用于形成复合燃料箱106(见图1)。例如，复合燃料箱106可以包括被复合面板102环绕的、用于交通工具100的内燃料囊。在用于交通工具100的内燃料囊周围使用复合面板102降低了在内燃料囊上碰撞冲击或弹道冲击期间在交通工具100的内燃料囊周围的灾难性结构失效的可能性。

图4示出了在示例性实施方式中用于交通工具100的复合燃料箱106。在该实施方式中，由多个互连的复合面板102封装交通工具100的内燃料囊(未示出)。如果交通工具100在内燃料囊402上经受碰撞或弹道冲击，由于复合面板102变形并吸收能量，因此使用复合面板102封装内燃料囊防止或降低了在内燃料囊周围的灾难性结构失效的机会。这通过消除可能使乘客暴露于潜在伤害的主要载荷路径的失效而提高了交通工具100的乘客的生存性。例如，如果内燃料囊被弹道抛射物撞击，则在内燃料囊中生成导致内燃料囊膨胀的内流体动压力，从而在用于形成复合燃料箱106的复合面板102上施加压力。使用复合面板102环绕内燃料囊从内流体动压力吸收能量，这消除了在采用复合面板102的燃料箱周围的结构失效。

图5a至图5d示出了在示例性实施方式中当冲击复合燃料箱内的内燃料囊时复合燃料箱106的变形。对复合燃料箱106的内燃料囊的冲击可以来自于对内燃料囊的弹道冲击或来自于在交通工具100碰撞时对内燃料囊的冲击。图5a示出了在变形之前的复合燃料箱106，在该图中可见内燃料囊502。随着复合燃料箱106在流体动压力下开始变形，瓦楞芯板208开始变长或伸展并且泡沫芯206开始挤压(见图3b和图5b)。瓦楞芯板208的变长和泡沫芯206的挤压吸收流体动压力的一些能量。随着复合面板102进一步变形，第一复合叠层202和/或第二复合叠层204开始失效(见图3c和图5c)。例如，因为第一复合叠层202和/或第二复合叠层204由诸如石墨复合材料的低延展性材料形成，所以第一复合叠层202和/或第二复合叠层204会随着复合面板102变形由于脆性断裂而偏转或破裂。第一复合叠层202和/或第二复合叠层204的偏转或破裂也吸收流体动压力的一些能量。随着复合燃料箱106更进一步变形，瓦楞芯板208继续变长，而从横向压力载荷210吸收能量(见图3d)。

尽管在一些实施方式中瓦楞芯板208可以具有正弦波的形状，但也可以按期望使用其它形状。图6示出了在示例性实施方式中用于复合面板102的瓦楞芯板208的替代形状。在该实施方式中，瓦楞芯板208具有帽形截面形状。帽形截面类似于具有陡边和平顶的帽子。尽管这里描述了具体实施方式，但范围并不限于这些具体实施方式。相反，范围由所附权利要求及其任何等价物限定。

根据本公开的一方面，提供了一种复合面板，所述复合面板包括：第一复合叠层；第二复合叠层；结合并插设在所述第一复合叠层和所述第二复合叠层之间的泡沫芯；以及位于所述泡沫芯内的瓦楞芯板，其中所述瓦楞芯板具有比所述第一复合叠层和所述第二复合叠层高的延展性，以当在所述复合面板上作用横向压力载荷时吸收能量。

所述复合面板在这里被进一步公开，其中，所述第一复合叠层和所述第二复合叠层包括石墨复合叠层；并且所述瓦楞芯板包括聚乙烯。

所述复合面板在这里被进一步公开，其中，所述第一复合叠层和所述第二复合叠层包括石墨复合叠层；并且所述瓦楞芯板包括铝。

所述复合面板在这里被进一步公开，其中，基于所述复合面板在变形期间承受所述横向压力载荷的预定能力来选择所述瓦楞芯板的厚度。

所述复合面板在这里被进一步公开，其中，当穿过贯穿所述复合面板的宽度的剖面观察时，所述瓦楞芯板的形状包括正弦波。

所述复合面板在这里被进一步公开，其中，基于所述复合面板在变形期间承受所述横向压力载荷的预定能力来选择所述正弦波的频率。

所述复合面板在这里被进一步公开，其中，基于所述复合面板在变形期间承受所述横向压力载荷的预定能力来选择所述正弦波的幅度。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于交通工具的复合结构，所述复合结构包括多个互连的复合面板，其中所述多个互连的复合面板中的至少一者包括：第一复合叠层；第二复合叠层；结合并插设在所述第一复合叠层和所述第二复合叠层之间的泡沫芯；以及位于所述泡沫芯内的瓦楞芯板，其中所述瓦楞芯板具有比所述第一复合叠层和所述第二复合叠层高的延展性，以当在所述多个互连的复合面板中的所述至少一者上作用横向压力载荷时吸收能量。

所述复合结构在这里被进一步公开，其中，所述第一复合叠层和所述第二复合叠层包括石墨复合叠层；并且所述瓦楞芯板包括聚乙烯。

所述复合结构在这里被进一步公开，其中，所述第一复合叠层和所述第二复合叠层包括石墨复合叠层；并且所述瓦楞芯板包括铝。

所述复合结构在这里被进一步公开，其中，基于所述多个互连的复合面板中的所述至少一者在变形期间承受所述横向压力载荷的预定能力来选择所述瓦楞芯板的厚度。

所述复合结构在这里被进一步公开，其中，当穿过所述多个互连的复合面板中的所述至少一者的宽度的剖面观察时，所述瓦楞芯板的形状包括正弦波。

所述复合结构在这里被进一步公开，其中，基于所述多个互连的复合面板中的所述至少一者在变形期间承受所述横向压力载荷的预定能力来选择所述正弦波的频率。

所述复合结构在这里被进一步公开，其中，基于所述多个互连的复合面板中的所述至少一者在变形期间承受所述横向压力载荷的预定能力来选择所述正弦波的幅度。

所述复合结构在这里被进一步公开，其中，所述复合结构形成交通工具的结构部件。

所述复合结构在这里被进一步公开，其中，所述复合结构封装飞行器的燃料囊。

根据本公开的又一方面，提供了一种复合燃料箱，所述复合燃料箱包括：内燃料囊；以及封装所述内燃料囊的复合结构，所述复合结构包括多个互连的复合面板，其中所述多个互连的复合面板中的至少一者包括：第一面薄板；第二面薄板；结合并插设在所述第一面薄板和所述第二面薄板之间的泡沫芯；以及位于所述泡沫芯内的瓦楞芯板，其中所述瓦楞芯板具有比所述第一面薄板和所述第二面薄板高的延展性，以当在所述多个互连的复合面板中的所述至少一者上作用横向压力载荷时吸收能量。

所述复合燃料箱在这里被进一步公开，其中，所述第一面薄板和所述第二面薄板包括石墨复合叠层；并且所述瓦楞芯板包括聚乙烯。

所述复合燃料箱在这里被进一步公开，其中，所述第一面薄板和所述第二面薄板包括石墨复合叠层；并且所述瓦楞芯板包括铝。

所述复合燃料箱在这里被进一步公开，其中，基于所述多个互连的复合面板中的所述至少一者在变形期间承受所述横向压力载荷的预定能力来选择所述瓦楞芯板的厚度。

所述复合燃料箱在这里被进一步公开，其中，当穿过所述多个互连的复合面板中的所述至少一者的宽度的剖面观察时，所述瓦楞芯板的形状包括正弦波。

所述复合燃料箱在这里被进一步公开，其中，基于所述多个互连的复合面板中的所述至少一者在变形期间承受所述横向压力载荷的预定能力来选择所述正弦波的频率。

所述复合燃料箱在这里被进一步公开，其中，基于所述多个互连的复合面板中的所述至少一者在变形期间承受所述横向压力载荷的预定能力来选择所述正弦波的幅度。

关于联邦赞助研究或研发的声明

本发明是在由国防部授予的合同号为w911w6-16-2-0002在政府支持下完成的。政府在本发明中具有一定权益。