一種飛機整體油箱結構的製作方法
2023-08-01 07:51:41 2
一種飛機整體油箱結構的製作方法
【專利摘要】一種飛機整體油箱結構，含有複合材料製作的多個油箱內膽、前梁、後梁以及上壁板和下壁板，油箱內膽位於上壁板和下壁板之間，前梁和後梁分別連接著上壁板和下壁板的前緣和後緣，油箱內膽之間相鄰壁膠接成機翼的結構肋，所述的油箱內膽是利用複合材料預製的密封容器，油箱內膽的外壁分別與相鄰的上壁板、下壁板、前梁、後梁之間膠接固化。
【專利說明】一種飛機整體油箱結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及飛機設計技術，具體是複合材料製造的機翼整體油箱的結構設計。
【背景技術】
[0002]飛機的機翼整體油箱是利用機翼結構形成的密封空間儲存燃油的裝置，它結構簡單並能有效利用機翼空間，降低機翼載荷，是現代飛機設計中主要的油箱結構形式。現有的機翼整體油箱充分利用了結構本身形成的封閉空間加以密封，達到了既能儲存燃油，又能提供飛機升力的目的，省去了軟油箱的重量。現代整體油箱以金屬結構整體油箱為主，部分飛機整體油箱少量使用複合材料。由於複合材料具有重量輕，強度、剛度好的優越性能，在飛機上的使用率越來越高。機翼整體油箱關鍵技術在於密封儲存燃油，承受燃油系統需要的壓力，同時，它又是提供飛機升力的重要結構，承擔飛機飛行的全部升力需求。目前，先進長航時無人機均採用全複合材料機翼，大展弦比，短粗機身設計。採用複合材料機翼結構減輕飛機重量，短粗機身又要容納大量的控制、偵查、通訊、導航等設備，機身內部幾乎沒有燃油儲存空間，全複合材料機翼整體油箱是最終必然的設計選擇。國內多家單位均在開發該項目，還未有成功。究其原因，一是未利用好複合材料的性能，直接照搬以前機翼整體油箱設計，採用型架裝配的方法，裝配難度大，不易保證裝配精度；二是按以往整體油箱設計方法，主要受力結構件保證油箱油密、氣密要求，增加整體裝配精度及結構剛性要求，需要設計特殊的密封結構，製造要求高，可承擔變形能力小，而飛機飛行過程中機翼變形是不可避免的，以現有的複合材料製造技術困難較多。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是針對上述設計技術的不足而提出一種新的結構，設計既能滿足飛機使用要求，同時可以按照現有複合材料加工製造能力完成的全複合材料機翼整體油箱。
[0004]一種飛機整體油箱結構，其特徵在於含有複合材料製作的多個油箱內膽、前梁、後梁以及上壁板和下壁板，油箱內膽位於上壁板和下壁板之間，前梁和後梁分別連接著上壁板和下壁板的前緣和後緣，油箱內膽之間相鄰壁膠接成機翼的結構肋，所述的油箱內膽是利用複合材料預製的密封容器，油箱內膽的外壁分別與相鄰的上壁板、下壁板、前梁、後梁之間膠接固化。
[0005]上述的飛機整體油箱，在油箱內膽與上壁板、下壁板之間分別有一層彈性填充層。
[0006]上述的飛機整體油箱，在油箱內膽之間還有用複合材料預製的加強肋。
[0007]上述的飛機整體油箱，在油箱內膽之間還有用複合材料預製的加強梁。
[0008]上述的油箱內膽由複合材料三維編織而成，根據每個油箱內膽在機翼的位置和功能以及採取的供油方式，設置有必要的進油口、出油口、交叉輸油孔、通氣孔及其相關裝置的安裝位置。相鄰的油箱內膽之間直接貼合，形成普通肋或形成加強肋。機翼的前梁、後梁、加強梁由複合材料編織或採用模具壓制而成，根據燃油系統需要設置與油箱內膽相通的燃油通過孔，及相關裝置的安裝位置。機翼上下壁板採用複合材料蜂窩板，隨著複合材料技術的發展還會有更好的方式如柵格結構板等。最後，用彈性填充層(通常是海綿軟墊)填充油箱內膽與上下壁板之間間隙，形成軟夾層的防衝擊結構。用複合材料墊板填充普通肋、力口強肋、油箱以及各梁之間的間隙，增加整個結構的連接強度，使整個結構形成一個完整的受力件。
[0009]本發明的優點在於:
[0010]I)由複合材料製造的油箱內膽，有利於保證油箱油密和氣密要求，給機翼結構選材用膠提供了更大的空間，複合材料油箱內膽的主要功能是儲存燃油，保證油箱的密封，肋與肋之間密封更可靠，選材用膠傾向於耐燃油腐蝕，可以做耐油防腐處理；結構選材用膠主要傾向於高強度，可以充分利用現有的設計製造經驗，有利於發揮複合材料最大強度，符合複合材料失效原理，最大限度保證油箱使用功能；
[0011]2)採用成型蜂窩芯板製造機翼上下壁板代替以往金屬長桁鉚接蒙皮結構，即可滿足上下機翼壁板抗彎、抗剪受力要求，簡化上下壁板結構，更符合複合材料製造特點，可使油箱下表面平整，有利於減少油箱餘油，提高燃油利用率。同樣道理正交格柵壁板也可採用(正交格柵壁板更適於大型飛機機翼整體油箱)；
[0012]3)飛機載油係數通常在30%?60%，燃油的重量、重心變化直接影響飛機的飛行控制安全(載油係數既燃油佔飛機總重量之比)。複合材料油箱內膽的設計，有利於實現油箱分組設計，控制飛機燃油消耗重心變化，保證油箱組與組之間的密封。該特點對機翼翼展在15米以上，展弦比大於15的無人機燃油系統非常有利(由於分布在機翼的燃油距飛機重心遠，大翼展大展弦比機翼的整體油箱必須分組控制)。支持機翼增加工藝分離面分段，可以在儘可能長的翼展範圍部置油箱，有利於提高飛機載油係數，進而增加飛機有效航程;
[0013]4)採用複合材料油箱內膽，支持機翼分段製造，支持多梁機翼結構，由於油箱與油箱之間密封好，在局部油箱受損時，其他油箱不受影響。飛機整體抗毀傷能力強；
[0014]5)採用複合材料油箱內膽，在油箱與上下壁板之間可以添加海綿軟襯墊(也可根據技術發展添加其他材料襯墊)，可使整體油箱具備有以前軟油箱的防彈功能。這種結構類似防彈軟油箱，當小口徑子彈擊中油箱時，由於海綿軟襯墊的作用，油箱會先向內變形，繼而開膠，拉長抽絲斷裂，彈孔會逐漸縮小，子彈通過後，被帶出的海綿基複合材料會被油箱內壓力壓回彈孔，阻止燃油外流，從而改變以往整體油箱不防彈，怕衝擊的弱點。以往飛機油箱分組依賴肋與長桁之間密封實現，肋與長桁之間由於裝配方法的原因，不能實現完全密封，同時作為油箱下壁的機翼壁板不具有緩衝能力，受到衝擊後會產生裂紋，並由於受飛行氣動力影響會逐步擴大，進而使油箱失去儲存燃油的功能。
[0015]6)採用複合材料油箱內膽結構簡化了製造過程，由於複合材料油箱內膽具有固定的形狀和一定的剛性，在裝配製造過程中可起到定位作用，即用油箱上下前後面分別定位梁、上下壁板，簡化膠接裝配，同時避免由於結構受力件變形引起的漏油。
[0016]機機翼結構形式早有定論，本發明的主要特點在於利用油箱內膽，改善了油箱整體密封，利用結構強度改善整體油箱的耐壓特性；其原理類似於自行車輪胎或火炮炮筒的內襯管，充分發揮材料性能，內膽參與結構中受力，降低了飛機重量；利用內膽剛性，定位膠接，改變了以往機翼必須通過型架裝配保證的工藝方法，採用膠合夾具裝配，更符合複合材料加工特性，節省工時提高效率；
[0017]以下結合具體實施例及附圖對該申請作進一步詳細描述:
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1整體油箱在飛機位置示意
[0019]圖2整體油箱縱向剖面示意
[0020]圖3整體油箱橫向剖面示意
[0021]圖4普通肋結構示意
[0022]圖5加強肋結構示意
[0023]圖6是具有雙列油箱內膽的結構示意
[0024]圖7加強梁結構示意
[0025]圖8整體油箱膠接示意
[0026]圖中編號名稱:1機身、2整體油箱、3上壁板、4後梁、5填充層、6油箱內膽、7下壁板、8加強肋、9前梁、10加強梁、11夾具
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明，但並不作為對本發明做任何限制的依據。
[0028]飛機的整體油箱2也稱為機翼翼盒，固定在飛機機身I上。該整體油箱結構，含有複合材料製作的多個油箱內膽6、前梁9、後梁4以及上壁板3和下壁板7，油箱內膽6位於上壁板3和下壁板7之間，前梁9和後梁4分別連接著上壁板3和下壁板7的前緣和後緣，油箱內膽6之間還有用複合材料預製的加強肋8，所述的油箱內膽6是利用複合材料預製的密封容器，油箱內膽6的外壁分別與相鄰的上壁板3、下壁板7、前梁9、後梁4之間膠接固化。
[0029]以下結合上面介紹對本發明製造細節進行闡述。本發明是結合軟油箱與整體油箱特點產生的一種新的設計，因此具有兩者各自優點，採用複合材料內膽，相當擁有一個軟油箱，它承擔燃油儲存密封功能，由於它具有剛度強度，並與結構件膠接在一起，無需像軟油箱使用撐框保證外形，同時可以像整體油箱一樣承擔結構部分載荷，在加工和裝配中起定位作用。
[0030]在油箱內膽與上壁板3、下壁板7之間分別有一層彈性填充層5。其他間隙採用複合材料墊板或複合材料纖維填充。
[0031]根據結構設計的任務需要，不同位置機翼結構肋強度有不同的要求，因此，設計有普通肋，加強肋兩種結構形式，如圖4所示，普通肋結構由兩側油箱內膽6外壁直接貼合形成，沒有其他加強結構，該膠接結構相貼合處如有高度不足的間隙，必須採用複合材料墊板補齊，過度圓角形成的空隙應採用纖維填滿，以防膠接時形成空腔，氣泡等缺陷。該結構主要應用於該處沒有外部連接要求，且該處不是應力集中點的結構。作為機翼受力連接交點部位時局部強度要求高，普通肋結構就不滿足結構強度要求，為此，必須設計加強肋。加強肋如圖5所示，加強肋由兩個油箱內膽6中間膠結加強肋8構成，用以提高局部強度，達到上述裝置安裝受力要求。該膠接結構相貼合處如有高度不足產生的間隙，必須採用複合材料墊板補齊，過度圓角形成的空隙應採用纖維填滿，以防膠接時形成空腔，氣泡等缺陷。
[0032]根據機翼總體設計要求，在機翼展弦比大，機翼面積大，整個機翼相對厚度小，通常採用多梁結構，採用前、中、後梁，其中中梁為加強梁，用於增加機翼強度。根據這種結構要求，設計了如圖6、圖7所示三梁結構(多梁結構同理)，用於多梁結構機翼。其構成是前後梁中間增加加強梁10，油箱內膽6分成前後兩排布置，油箱之間根據需要連通，前梁9、加強梁10、後梁4上應制相應的通過孔，保證燃油系統功能。
[0033]本發明的加工裝配方案如下:
[0034]1、油箱內膽6的加工:推薦採用三維編織方法成型，其步驟如下，按燃油系統要求設計油箱內膽與各連接零件端面開孔設計固定芯棒，在三維編制設備上成型。根據國內外公開發布的資料，三維編製成型的零件已經非常複雜，該零件製造工藝性應可以保證。
[0035]2、前梁和後梁加工的方案，推薦採用三軸編織方法成型，也可採用模具成型。這是通用的做法。
[0036]3、機翼的上壁板3和下壁板7採用夾蜂窩芯可以解決壁板承受拉伸和壓縮及剪切和彎曲的綜合作用下不失穩，可以採用蜂窩芯加工成型膠接製造。
[0037]4、裝配方法，以下壁板7在夾具11上定位，安裝前梁9和後梁4以及內膽6，對於油箱內膽與上、下壁板之間的間隙可以用複合材料墊找平後固化成型，如圖所示，在油箱內膽與下壁板間，在油箱內膽與上壁板間加軟海綿墊彈性填充層5。
[0038]5、裝配誤差分析，整個裝配過程如果直接膠接不調整，製造誤差既為各零件誤差和，高度上既梁、上、下壁板製造誤差和，按現有技術水平應不超過1mm，如需提高裝配精度，可用調整複合材料墊高度控制上壁板的外形高度。外形與以前一樣，裁剪精度可以保證。
【權利要求】
1.一種飛機整體油箱結構，其特徵在於含有複合材料製作的多個油箱內膽、前梁、後梁以及上壁板和下壁板，油箱內膽位於上壁板和下壁板之間，前梁和後梁分別連接著上壁板和下壁板的前緣和後緣，油箱內膽之間相鄰壁膠接成機翼的結構肋，所述的油箱內膽是利用複合材料預製的密封容器，油箱內膽的外壁分別與相鄰的上壁板、下壁板、前梁、後梁之間膠接固化。
2.如權利要求1所述的飛機整體油箱，其特徵在於在油箱內膽與上壁板、下壁板之間分別有一層彈性填充層。
3.如權利要求1或2所述的飛機整體油箱，其特徵在於在油箱內膽之間還有用複合材料預製的加強肋。
4.如權利要求3所述的飛機整體油箱，其特徵在於在油箱內膽之間還有用複合材料預製的加強梁。
【文檔編號】B65D25/02GK104369857SQ201410546198
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月15日 優先權日:2014年10月15日
【發明者】徐波 申請人:中航飛機股份有限公司西安飛機分公司