專利名稱:具有肋骨補強的圓形開口復合材料正交格柵圓柱殼的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種開口復合材料格柵結構，尤其是能夠以較小重量取得較強結構承載力的具有補強肋骨的圓形開口復合材料正交格柵圓柱殼。
背景技術：
目前公知的開口復合材料正交格柵圓柱殼結構，由加筋格柵(肋骨)和被支撐殼體(蒙皮)組成，其材料是由連續(xù)纖維和有機樹脂材料復合而成。殼體結構上分布相互正交的肋骨(或筋)，肋骨按正交格柵形式分布，分為軸向肋骨與環(huán)向肋骨，其布置和走向由2 個方向組成一個循環(huán)。作為一個承力結構，正交肋骨是承受載荷的主要部分，蒙皮承受小部分載荷，主要起到保證外形的作用。由于安裝門、窗等需求，有時需要在格柵結構特定部分開口，開口會使復合材料格柵結構產生應力集中，造成結構剛度和強度下降，影響結構的使用。傳統(tǒng)的解決辦法是使用大面積纖維復合材料蒙皮對開口進行增強，但是由于開口附近應力狀態(tài)復雜，并非全部補強蒙皮平均分擔開口附近的應力集中，因此纖維復合材料補強蒙皮覆蓋面積較大。為達到預期的補強效果，常需要較厚的蒙皮厚度，造成結構重量上升幅度較高。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種具有肋骨補強的圓形開口復合材料正交格柵圓柱殼，其采用肋骨補強的方式，在開口結構的周圍設置肋骨，使截面積較小而抗彎剛度較大的補強肋骨分布在圓形開口附近應力集中位置，形成一個應力傳遞均勻、無明顯應力集中的開口格柵結構。根據有限元分析結果，減輕開口附近的應力集中現象，可以提高局部屈曲載荷、減小局部屈曲發(fā)生的可能性，從而提高結構的強度。而且，由于補強肋骨只分布在對局部屈曲強度貢獻較大的部位，結構重量沒有明顯增加。同時，補強肋骨的厚度與正交肋骨相同，因此結構尺寸無明顯變化；全部肋骨可以由纏繞工藝纏繞在刻有凹槽的模具上，之后鋪設蒙皮，并一同固化，加工過程與現有結構加工過程無明顯區(qū)別，因此方便在現有設計基礎上進行改進。
本發(fā)明的技術方案如下
—種具有肋骨補強的圓形開口復合材料正交格柵圓柱殼，該格柵圓柱殼結構主要由蒙皮、正交肋骨、圓形開口和開口周圍的補強肋骨構成。圓形開口的周圍設置補強肋骨， 使其圍成一個閉合凸六邊形，閉合凸六邊形的各邊均使用補強肋骨
凸六邊形的左右兩邊，位于圓形開口的左右兩側，這兩邊相切于圓形開口并與圓柱殼體的對稱軸平行，左右邊長與圓形開口的直徑相同。凸六邊形的上下兩個頂點分別位于過圓形開口圓心的母線上，距離開口邊緣一個格柵肋骨的間距。上下兩個頂點與左右兩邊端點的連線構成凸六邊形的其他四條邊。
此外，還有兩根補強肋骨，均為與軸線平行的短肋骨，分別與凸六邊形上下兩端相連接，一端接凸六邊形的上下頂點，另一端接圓形開口的邊緣。
3[0008]所有補強肋骨處于圓形開口周圍一個格柵肋骨間距內，不與正交肋骨產生額外交叉，因此不會帶來由于肋骨交叉產生的工藝困難。所有補強肋骨的寬度和厚度與圓形開口復合材料格柵結構的正交肋骨尺寸相同，便于通過纏繞工藝將全部肋骨纏繞在刻有凹槽的模具上，之后鋪設蒙皮，并和主體結構一同固化，采用共固化工藝可以使補強肋骨、主體結構正交肋骨和蒙皮緊密連接。
本發(fā)明的有益效果是
I、與傳統(tǒng)蒙皮補強圓形開口復合材料正交格柵圓柱殼結構相比，本發(fā)明使結構載荷傳遞趨于平順，可降低圓形開口周圍的應力奇異性，提高局部屈曲載荷、減小局部屈曲發(fā)生的可能性，從而提高結構的整體強度。在有效提高圓形開口復合材料正交格柵圓柱殼結構強度的同時，可較大幅度控制結構重量的增加。
2、本發(fā)明補強肋骨的厚度與正交肋骨相同，結構尺寸無明顯變化；全部肋骨可以由纏繞工藝纏繞在刻有凹槽的模具上，之后鋪設蒙皮，并一同固化，加工過程與現有結構無明顯區(qū)別，方便在現有設計基礎上進行改進。
3、本發(fā)明的適用范圍較廣，各型號飛機艙段和火箭整流罩均可適用。根據結構尺寸和載荷水平，可進行纖維復合材料的設計，選用適當的纖維如碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等，以及不同的基體材料、鋪設方式，使結構剛度和強度滿足要求。
4、本發(fā)明采用復合材料，該材料對雷達波無反射作用，可制作具有隱形功能的結構。


圖I是本發(fā)明開口補強區(qū)域的局部放大圖。
圖2是本發(fā)明補強肋骨結構示意圖。
圖中圓形虛線表示結構開口范圍，粗實線表示補強肋骨，點橫線表示復合材料格柵結構的其他正交肋骨。
圖3是本發(fā)明實施例的立體圖。
圖4是蒙皮與肋骨的鏈接方式示意圖。
具體實施方式
以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施例。
如圖I,圖中點I、點2分別為圓形開口的上下頂點；點3位于點I上方,距離點I 一個正交肋骨間距；點4、點8位于點I左右兩側，距離點I 一個圓形開口半徑的距離；點6 位于點2下方，距離點2 —個正交肋骨間距；點5、點7位于點2左右兩側，距離點2 —個圓形開口半徑的距離；順序連接點3-4-5-6-7-8-3，形成本發(fā)明肋骨補強的凸六邊形；此外還需用補強肋骨連接點I-點3、點2-點6，組成兩根短肋骨。
如圖2,圖中圓形虛線表示結構開口范圍,粗實線表示補強肋骨，點橫線表示復合材料格柵結構的其他正交肋骨。
如圖3，圖中該結構可按功能分為三部分，一-外蒙皮、二 -正交肋骨、三-圓形開口附近的補強肋骨。其中的圓形開口復合材料正交格柵圓柱殼結構的具體尺寸如下柱殼半徑為800mm,長度為1600mm,蒙皮厚度2mm ;軸向均勻分布40根肋骨,環(huán)向分布13根肋骨，軸向和環(huán)向肋骨將圓柱殼分割成小正方形蒙皮，肋骨厚度為10mm，寬度為5mm;殼體中間存在一個直徑250mm的圓形開口。整個殼體由T600碳纖維制成。
根據有限元分析的結果顯示，無補強的圓形開口復合材料正交格柵圓柱殼結構軸向承載力為I. 87e6N，采用本發(fā)明方式補強的結構承載力可達到2. 50e6N，承載力提高 33. 75%，結構重量僅增加0.32fa。而在圓形開口附近采用邊長500mm，厚度5mm的傳統(tǒng)蒙皮補強，僅使結構承載力提高2. 27e6N，提高比例21. 82%，結構重量增加4.37fa。本發(fā)明補強效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)補強結構。
權利要求
1.一種具有肋骨補強的圓形開口復合材料正交格柵圓柱殼，其特征是該格柵圓柱殼主要由蒙皮、正交肋骨、圓形開口和開口周圍的補強肋骨構成；圓形開口的周圍設置補強肋骨，使其圍成一個閉合凸六邊形，閉合凸六邊形的各邊均使用補強肋骨；凸六邊形的左右兩邊，位于圓形開口的左右兩側，這兩邊相切于圓形開口并與圓柱殼體的對稱軸平行，左右邊長與圓形開口的直徑相同。凸六邊形的上下兩個頂點分別位于過圓形開口圓心的母線上，距離開口邊緣一個格柵肋骨的間距。上下兩個頂點與左右兩邊端點的連線構成凸六邊形的其他四條邊。此外，還有兩根補強肋骨，均為與軸線平行的短肋骨，分別與凸六邊形上下兩端相連接，一端接凸六邊形的上下頂點，另一端接圓形開口的邊緣。所有補強肋骨處于圓形開口周圍一個格柵肋骨間距內，不與正交肋骨產生額外交叉。
2.如權利要求
I所述的圓形開口復合材料正交格柵圓柱殼，其特征是所有補強肋骨的寬度和厚度與正交肋骨尺寸相同。
3.如權利要求
I或2所述的圓形開口復合材料正交格柵圓柱殼的加工方法，其特征是 通過纏繞工藝將全部肋骨纏繞在刻有凹槽的模具上，之后鋪設蒙皮，并和主體結構一同固化。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種具有肋骨補強的圓形開口復合材料正交格柵圓柱殼，這種格柵圓柱殼結構是由蒙皮、正交肋骨、圓形開口和開口周圍的補強肋骨構成。對于該種圓形開口格柵結構，在開口周圍以特定方式設置肋骨，補強肋骨除圍成一個閉合凸六邊形外，還具有兩根與軸線平行的短肋骨，分別與六邊形上下兩端相連接。該補強設計使結構載荷傳遞趨于平順，降低開口周圍的應力奇異性，可以以較小結構重量增加為代價，取得優(yōu)秀的結構承載力提高效果，可用于飛機艙段、火箭整流罩等對結構重量要求較高的結構。
文檔編號F42B15/00GKCN102602528SQ201210057049
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月6日
發(fā)明者任明法, 孫直, 石姍姍 申請人:大連理工大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan