无人机复合材料构件低成本快速模具制造

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先进复合材料在无人机上的应用及关键技术

先进复合材料在无人机上的应用及关键技术

120研究与探索Research and Exploration ·工艺与技术中国设备工程 2018.11 (上)1 先进复合材料在无人机上的应用优势1.1 重量轻不可否认,无论是在强度还是刚度等性能上,复合材料都比普通材料具有更大的优势,且复合材料的可塑性相对较强,目前已经在航空领域得到了非常重要的应用,例如在我国的民用飞机B-787中,其复合材料含量已经高达50%。

其中,复合材料的重量轻是其得到广泛应用的重要优势之一。

重量会在很大程度上限制飞机的整体性能。

无人机的设计中虽然没有关于“人”的相关设备与装置,然而其增加了通信与控制中心的重量。

与此同时,目前无人机的侦察方式已经由战术型向战略型转变,从而能够有效替代有人机,实现对区域的实时监控。

减小无人机重量是提升无人机使用寿命、续航时间的重要措施。

相较于有人机,设计人员无需顾虑人类的生理需求,只需最大程度提升飞机的航行时间即可,与铝合金相比,先进复合材料的强度竟高于其十倍,因此,高强度又轻巧的复合材料是满足无人机性能设计的最佳选择。

1.2 提升机体隐身能力复合材料的应用能够在很大程度上提升机体的隐身能力。

首先,由于聚合物不具有导电性,因此,其能够避免探测波散射场的形成;其次,复合材料的应用对于结构与功能有效结合来说起着非常重要的作用,例如通过对结构型隐身材料的应用,能够大大降低机体对雷达探测波的反射;最后,复合材料的应用可以实现机体的整体性,从而通过光滑、一体化的结构设计达到隐身的目的,避免接缝、钉子等不光滑设计导致对探测波的散射。

总而言之,这些设计有效提升了无人机的隐蔽性。

1.3 使用寿命长相较于有人机,无人机的存储时间应该更长,因此,这要求制造材料需要具有较强的防腐蚀性、刚度以及强度等。

与一般材料相比,复合材料的性能则更加优异,例如环氧基体,这是在无人机中应用最为广泛的材料之一,其具有非常强大的抗酸性、耐碱性以及抗溶性等,且强度与刚度等性能也远高于普通金属材料,例如碳纤维复合材料的密度仅为钢的五分之一,但强度却是其五倍,是铝的四倍。

第4章 无人机复合材料基础构件设计

第4章  无人机复合材料基础构件设计

复合材料夹层结构细节设计(2)
2)芯子增强设计:当夹层结构由于垂面载荷 作用或强度、刚度要求等原因,需要芯子增强时, 一般采取充填树脂胶、局部芯子加密、加入垫块或 成型件等办法增强芯子。
复合材料夹层结构细节设计(3)
3)蜂窝夹层结构防潮密封设计: (1)面板表面涂密封剂,如H101~H103封孔剂,W06 2Ⅱ 底漆和Wof-1Ⅱ面漆。 (2)密封所有水分可能浸入蜂窝芯格的通道。 (3)适当增加复合材料面板厚度,提高抗冲击分层能力, 可减少水分浸入通道。
泡沫聚合物夹芯结构的破坏模式有面材剥离、 局部出现剪切裂纹、夹芯破碎等几种形式。另外, 高聚物结构对成型性能影响明显,增加面板表面的 粗糙度和适当加大粘合压力,可改善层压复合材料 的成型性。
蜂窝夹芯材材的性能特点
蜂窝式结构的夹芯材料作为一种应用广泛的轻质材料, 可吸收更高冲击能量,并且具有高的结构完整性和刚性。从 吸能的角度看,由两个或三个基板组成的锥形板是最有效的 设计具有优良的吸能特性。结构密度是影响结构耐撞性能的 关键因素;夹芯层高度对结构的耐撞性影响不大,但是增加 结构夹芯层的高度结构使吸能增加。
(3)减震性能: 泡沫铝是一种轻质高阻尼材料,应用于减震结 构中。
聚合物泡沫材料的性能特点
聚合物泡沫材料具有质量轻、比强度高、抗疲 劳性能好、具有良好的冲击吸能特性以及隔音、绝 热和减震性能。与其他材料相比,聚合物泡沫作为 夹芯材料的芯材构成复合结构的材料,不但降低了 成本,而且还提高了材料的整体力学性能和尺寸稳 定性,增强了抗冲击性能。
复合材料加筋板定义和分类
1)复合材料加筋板的定义 在层合板垂直于面板方向使用加筋条,以提高面板 和整体结构的承载能力,加筋条和面板为整体结构
2)复合材料加筋板的分类 (1)按应用部件划分,可分为机翼壁板、尾翼壁 板、机身壁板、舱门壁板等。 (2)按形状特征划分,可分为单曲度壁板(如机 翼、尾翼壁板)、双曲度壁板等。 (3)按结构形式划分,可分为单向加筋板、格栅 壁板、多腹板壁板等。

复合材料模具来了,你还在用金属模具吗?

复合材料模具来了,你还在用金属模具吗?

复合材料模具来了,你还在用金属模具吗?先进复合材料以其比强度和比模量高、热膨胀系数小、可设计性好、易于整体成型等一系列突出的优点在航空航天结构上得到了广泛应用, 现已成为航空航天四大结构材料之一。

复合材料在航空航天部门的广泛应用极大地促进了航空航天技术的发展,反过来,也促进了复合材料成型模具技术的进步。

模具是制造复合材料构件的基础,直接影响其最终状态和质量。

复合材料构件的外形、尺寸及与其他构件的配合精度等要靠模具保证,这些都决定了模具在复合材料构件制造过程中起着举足轻重的作用。

1复合材料模具传统复合材料成型模具由金属材料制作,主要原因是金属具有高强度、高刚度、尺寸稳定性好、加工性好,适用于大批量生产等优点。

随着复合材料构件外形准确性和尺寸精度的不断提高,原有金属模具材料的性能已经不能很好地满足高精度成型模具的需要。

在这种背景下,复合材料模具(本文指碳纤维复合材料模具)应运而生,并且得到了迅速发展。

目前,在欧美发达国家的航空航天部门,复合材料模具的应用已经相当普遍。

在国内,除了中航工业哈飞采用复合材料模具比较早、使用比较多之外,其他企业以及航天部门用得还比较少。

但是,随着高性能复合材料航空航天结构件的大量应用,各有关研究院所和企业积极研究和试验使用复合材料模具,因此复合材料模具也很快会成为国内复合材料构件的主要成型模具。

2复合材料模具的主要优点热膨胀性能匹配复合材料模具最大优点是热膨胀系数小,且与复合材料的热膨胀系数比较相匹配,从而可以获得外形准确性和尺寸精度符合设计要求的构件。

为了更深入地认识模具材料的热膨胀性能对复合材料构件质量的影响,首先分析在复合材料构件固化成型过程中,模具与构件之间相互关系发生变化的过程:开始加热时,随着温度的升高,模具受热膨胀,其尺寸跟着增大,这时的构件坯料还是软的,所以它也跟着模具一起增大;继续升温,在树脂体系的凝胶温度下,受热膨胀的模具与构件坯料具有相同的尺寸,这时的树脂体系只有部分固化,性能还比较低;当加热到最后的固化温度时,模具和半固化的构件坯料以各自的热膨胀率膨胀,如果它们的热膨胀率不同,构件中将产生内应力;在保温阶段,构件在已经膨胀到最大尺寸的模具中得到进一步固化;保温结束后,从固化温度开始冷却至室温的过程中,模具和构件都以各自的收缩率收缩。

真空复模项目二无人机底座硅胶模具制作

真空复模项目二无人机底座硅胶模具制作

2. 浇注口的类型 (1)直接浇注口 (2)中心浇注口 (3)侧浇注口 (4)环形浇注口 (5)轮辐式浇注口
3. 浇注口位置设计原则 (1)满足流体力学的要求,在浇注时成型材料能够迅速地充满型腔。 (2)浇注口开设在塑件断面较厚的部位,使浇注材料从厚料断面流入薄 料断面,以保证充模完全。 (3)必须尽量减少熔接痕迹。 (4)浇注口位置的选择应有利于排除型腔中的空气。
确定浇注口棒的放置高度
3. 将垫片取出,用两块胶板作为横梁,使用 502 胶水将浇注口棒与胶板粘 牢,制作完成的无人机底座硅胶模具模框。
固定原型件
无人机底座硅胶模具模框
学习目标
1. 认识硅胶的组成与性能。 2. 能熟练计算和称量硅胶与固化剂。 3. 能熟练操作相应设备搅拌硅胶。 4. 能熟练操作真空注型机进行硅胶脱泡。 5. 能熟练操作恒温鼓风干燥箱固化硅胶模具。
模框尺寸的设计原则
任务实施
一、任务准备
1. 车间准备 2. 分组 3. 强化安全文明生产意识
二、安全文明生产检查
三、浇注口的设计
1. 为减少浇注口痕迹对塑件外观的影响,浇注口采用直接浇注口,位置应 选在内侧平面上,如图所示。
浇注口位置
2. 选择浇注口棒直径,用钢锯锯裁长度约 200mm 的 ABS 棒作为预留浇注 口棒,如图所示。用压刀将浇注口位置刮磨粗糙,以便于粘固预留浇注口棒, 如图所示。再用 502 胶水粘住预留浇注口棒,如图所示。
加工预留浇注口棒
刮磨浇注口位置
粘预留浇注口棒
四、排气棒的安装
1. 先用水口钳剪裁长度约 32mm 的 ABS 棒作为预留排气棒,如图所示。 2. 选择较高位、难排气位作为预留排气孔位置,用 502 胶水粘上排气棒。 如图所示为粘完排气棒的原型件。

复合材料构件成型模具数字化设计与制造技术

复合材料构件成型模具数字化设计与制造技术

复合材料构件成型模具数字化设计与制造技术摘要:复合材料构件成型模具数字化设计与制造技术,在当代航空复合材料发展阶段具备重要意义,在该项技术帮助下,复合材料构件成型质量会大幅提升,帮助企业控制制造成本,让主体制造周期变得更短,促使我国航空制造技术朝着现代化方向发展。

另外,复合材料具备比强度高、耐高温等特点,与航空航天技术发展需求一致。

本文以实际工作开展情况为基础,对复合材料构件模具数字化设计与制造内容进行总结。

关键词:复合材料;模具:数字化在数字化设计与制造发展过程中,能够为模具加工精度以及配合协调提供有利条件。

复合材料成型模具数字化设计制造阶段,技术人员需要将模具外部形状、内部材料等信息整合到一起,根据模具数字化设计、数字化仿真分析等内容,执行模具设计和制造任务,此时,复合材料成型之后,便不需要进行过多加工便能满足具体设计需求。

因此,企业和技术人员应提升复合材料构件模具数字化设计与制造技术重视程度,助力企业获得更多发展机会。

1.复合材料成型模具概述相比于金属材料制造过程,复合材料制作的灵活性优势更加明显。

例如,树脂基复合材料在成型制作时,涉及到的方式在30种以上。

其中,最为常见的方式包括手工成型、缠绕成型以及真空袋成型等等。

由于成型方式不同,对于模具结构形式以及模具材料要求也不一致,具备代表性的模具结构有缠绕成型模具、金属框架式模具以及RMT成型模具等。

缠绕成型阶段,需要利用合适的芯模强化复合材料构件成型质量。

为了让芯模设计更加合理,保证纤维损伤降低到最低状态,设计人员应尽可能控制好构件尺寸,将其内部残余应力尽可能消除。

当艺模处于重复使用状态时,还需要确保证制件得到固话后,让构件和芯模处于完整状态,只有这样,才能保证芯模以及制件保持相互分离。

另外,在金属框架式模具应用时,可完成复合材料热压罐成型任务,该过程对于模具型板尺寸精度以及表面质量等要求较高,同时还要将其传热优势展示出来。

另外,RTM成型工艺在应用时,应保证上下模具配合精度较高,确定好注射口以及排气孔等位置所在,该过程对于模具密封性以及复合材料构件脱模装置要求很高[1]。

无人机机翼成型方法

无人机机翼成型方法

无人机机翼成型方法主要包括复合材料成型和手工制作两种方式。

复合材料成型是一种高效、高强度的制作方法,主要用于工业级或专业级无人机。

这种方法主要采用预浸料成型法和自动复合成型法等工艺,可以大幅提高机翼的质量和强度,同时实现轻量化。

在复合材料成型过程中,会将预浸了树脂的纤维制成所需的形状,经过固化和加工后制成物件。

这种方法的优点是高质量、高强度、高刚度等,被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。

手工制作方法则相对简单,主要适用于小型无人机或者模型飞机。

这种方法可以通过切割泡沫块材形成内衬模型,然后根据内衬模型制作上模具和下模具,使用薄膜隔离后进行预合模、裁剪、铺设机翼蒙皮材料、合模、固化等步骤,最后取出机翼产品。

以上信息仅供参考,如需了解更多信息,建议查阅无人机书籍或咨询无人机专业人士。

无人机复合材料结构设计与制造技术PPT课件(共8章)第6章 固定翼无人机复合材料机翼尾翼设计

无人机复合材料结构设计与制造技术PPT课件(共8章)第6章  固定翼无人机复合材料机翼尾翼设计
(3)虚拟化。利用计算机辅助工程(CAE)虚拟 仿真技术对材料和工艺数据进行数学与力学建模。
复合材料翼面结构综合设计的方法
(1)用位移有限元法进行结构静、动响应分析。 (2)采用亚音速升力面理论中的空间偶极子一马蹄涡格网法计
算非定常气动力,用v-g法计算颤振速度。 (3)采用核函数法计算气动力影响系数。 (4)对尺寸限、应力、应变、位移、振频、舵面效率、发散速
结构 动力学
刚体 飞行力学
惯性力
气动弹性系统稳定性
系统稳定性是指自由响应的收敛性,它是控制系统自身 的固有特性,取决于系统本身的结构和参数,与输入无关。 判别平衡状态稳定性的准则有:
(1)静力学准则。又称为微扰动准则,其要点是假设在 分支点附近存在一个相差无限小的平衡状态,它同原平衡状 态的差别可以看成微扰动(即变分),列出微扰动的微分方 程,问题就归结为微分方程的本征值问题,解出本征值,便 可得到系统失稳的条件。
翼面结构综合设计的过程
复合材料气动弹性剪裁优化设计是利用复合材 料层合板的刚度方向性和耦合效应控制翼面结构气 动弹性变形,以提高静、动气动弹性特性的一种以 最小重量为设计目标的优化设计方法。
(1)工程化。固定翼无人机是设计出来的,大量 的工程设计经验需要进行数值表达。
(2)流程化。设计的质量必须靠严格的流程保证 ,而非个人的能力发挥,这就要求固定翼无人机设 计中实现基于工具的流程化。
机翼气动载荷分布及其变形图
固定翼无人机的飞行性能参数主要影响机翼的 受载严重程度,翼载荷越大,机翼受的弯矩越大, 机翼的相对厚度较小,机翼结构设计的难度越大
气动载荷沿翼展和翼弦方向的分布图
机翼在气动载荷作用下的变形图
机翼结构设计的基本任务
机翼结构设计的基本任务是在飞机总体设计的 基础上,设计出能满足各项要求的机翼结构。具体 地说,机翼的结构设计是指根据给定的原始依据, 按照机翼结构设计准则,合理地选择机翼结构昀受 力型式,布置机翼结构的主要受力构件,确定结构 元件的数量和尺寸。

低成本复合材料结构飞机的高效率设计与制造——平板式零件

低成本复合材料结构飞机的高效率设计与制造——平板式零件

低成本复合材料结构飞机的高效率设计与制造——平板式零件摘要:通用飞机种类多、数量大、用途广。

世界各国愈发重视通用飞机的应用。

相比于欧美,我国的通用飞机产业尚处于起步阶段,成本控制作为制约通航产业发展的难题之一,亟待解决,提出一种高效率的设计与制造一体化技术迫在眉睫。

本文将介绍一种平板式零件设计和制造一体化技术,从源头设计即开始控制全生产链成本。

关键词:通用飞机;复合材料;低成本;平板式零件引言近年来我国通用飞机产业呈现井喷式发展的趋势,市场迅速扩张(截止2018年底,我国已有370家在营通用航空公司;预计至2020年,我国通用机场数目将达到500以上,通用航空起将达到5000架以上),国家支持力度不断加大(中国民航2019年通航发展专项资金预算总额为4.41亿元)。

然而机遇与挑战往往是共存的,在市场快速扩张的同时,我国通用飞机设计和制造商也面临一个刻不容缓的难题——如何低成本、高效率地设计和制造复合材料飞机以进一步提高市场竞争力?虽然复合材料与传统的金属材料相比,在比强度、比模量、耐腐蚀性能和耐疲劳性能等上都具有绝对优势,但是复合材料自身材料成本高、模具成本高,此外还需考虑由于设计和制造过程较为复杂,人工成本难免随之提高。

目前行业内已存在一些复合材料通用飞机低成本制造技术,如自动铺贴设备、OOA预浸料固化、自动下料剪裁技术等。

本文将重点分析平板式零件的设计与制造,以实现进一步大幅度降低成本。

1、平板式零件的高效率设计与制造1.1平板式零件的高效率设计设计决策将决定>70%的制造成本。

所以在初步设计阶段就应该定下低成本制造的目标,并梳理出决定低成本制造工艺的关键要求,之后还需进行必要的研发性试验以辅助验证设计。

平板式零件主要设计步骤如下所述:a)根据强度要求确定铺层需求。

对于非关重件,整体可采用通用2C2或2C1夹芯结构铺层设计;对于关重件,可根据载荷分布计算结果按需设置局部加强(层压板)。

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光 系

第1 期
的 , 度可 取 1 m. 厚 0m
糊 制完 成 后 , 有 7天 以上 的脱 模 时 间 , 模 应 让 具 足够 熟化 , 其 固化 完全 , 免脱 模后 的变形 。 使 避
2 3 2 脱模 材 料涂 覆 ..
为 防止 灰尘 及 其 他 污染 , 阴模 成 型 施工 前 , 在 应 对过 渡母 模 上蜡 、 蜡 5次 以, 光 照法 检 查 , 洁度 达 用 光 5次抛 光 即 可。
到 要求后 , 抛 光蜡 进 行 研 磨 抛 光 , 般 应进 行 3 用 一

2 3 阴模翻 制 .
包 覆在 骨架 上 , 用 三合 板 自身 厚度 比较 均 匀 , 利 弯
曲后有 一定 的 回 弹性 的 特 点 , 其 自然 形 成 光 顺 使 度 较好 的线 型 , 既能 达 到设 计 要 求 , 可 以满 足 制 又 品 的表 观质 量要 求 。 三合板 的切 割应 根 据模 具 曲 面实 际情 况 来 进
( )表 面处理 2
2 2 1 立 肋骨 样板 ..
根据 复合 材 料 构 件 的 尺 寸 , 平 整 的 工 作 台 在
上 , 放一 块 平 整 的 防 水 胶 合 板 。按 照 构 件 的实 铺 际尺 寸 , 出 中剖线 、 横 剖 面 的站 号线 。各 个线 标 各 应确 保清 晰准 确 。将各 个 站 号 肋 骨样 板 依 标线 对 号就 位 , 确保 垂 直 , 加 以 固定 。如 图 4所 示 。样 并 板经 校核 加 固后 , 可用 方 木加 固 , 形成 类 似 立 体箱 的形 式 , 这样 形 成 的模 具 骨 架 , 较 高 的 强 度 , 有 并
能够 承受 加 工过程 中的外部 力 量 。
2 2 2 模 面成 型 ..
表 面洗净 , 水 磨 砂 纸 水 磨 , 次 水 磨 , 纸 用 多 砂 粒度 从 2 0 至 8 0 递 增 , 0# 0# 每换 一 次更 细 的水 砂 纸 之前 , 需要 将 上 次 水 磨 工 序 中发 现 的 细 微 不 平 均
行 , 1~ 用 2个 钉 子钉 于肋 骨 样 板 上 。在 拼装 过 程 中, 如果 遇 到 三合 板 拼装 条 长 度 不 够 或 曲面 过 渡 大 而不 能光顺 过 渡时 , 按 照拼 接 方 法 加工 完 成 , 可
但 是拼 粘头 不 要 设计 在 同一 断 面上 , 合 理 错 档 应
整处 用原 子 灰 刮 平 , 将 上 次 水磨 残 存 的砂 粒 清 并
洗 干净 ;
( )然后 用 8 0~10 # 砂 纸 水 磨 , 水 磨 3 0 00 水 每

传 统 的 过 渡 模 具 模 面 的拼 装 一 般 采 用 红 松
木、 枣木 等制 成拼 装木 条 , 以模 样 板 外轮 廓 线 为 基 础, 拼装 成 外 形 。本 文 根 据 所 制 造 模 具 的 曲 率 半 径 比较 大 , 变形梯 度 比较 小 的情 况 , 采用 薄 三 合 板
拼 接 , 顺过 渡 。 光 模 面 拼装 完 成 后 , 的 拼缝 用 原 子 灰 或 环 氧 板
腻 子嵌 填批 平 。 2 2 3 过 渡模表 面处 理 ..
的骨 架 的 , 面 还要 有 一 层 光 顺 材 料 ( 石 膏 、 外 如 薄
层 板等 ) 因此 阳样板 比实 际截 面要 小 一 些 。另 外 , 还 需制 作某 些 重要 纵剖 面 的阴样板 。
线 的误差应 小于 0 5Il, . l 并且 需要相关 人员检验 复 Tf q l 核 。合格 的样 板应妥善 放置 , 免受潮受压 。 避
图 2 某 型 号 无 人 机 机 翼 某 个 肋 骨
图 4 样 板 的 固定 及 加 固
样板 的制 作 应 为 2套 , 套 为 如 图 2所 示 的 一 阳样 板 , 为过渡 阳模 制 作 的 肋骨 使 用 , 套 为 阴 作 一 样 板 ( 3 , 为将 来 过 渡 模 检 验 修 正 使 用 的 卡 图 )作 板使 用 。 由图 3可 以看 出阴样 板 与 阳样 板 曲面 并 不 是完 全 吻合 的。这 是 因 为 阳样 板 是作 为 过 渡模
2 3 1 玻璃 钢模 具厚度 的确定 . .
根 据 以往 的经 验 , 璃 钢模 具 的 表 面 积 与 玻 玻
璃 钢模 具 的厚 度 有 一 定 的 关 系 , 般 经 验 为 表 面 一 积 小 于 2 的 , 度 约 为 5 lm; 面 积 为 m 厚 n 表 2~1 , 度 为 7~ 0m 的 厚 8 mm; 面 积 大 于 1 表 0m
好的 过 渡 模 型 是 制 造 好 的 玻 璃 钢 模 具 的 基
础 , 渡 模 型 不 仅 要 求 尺 寸 精 度 高 , 面 光 洁 度 过 表 高 , 有微 孔 , 没 还必 须经 过树 脂 胶 泥 或油 漆 等 封 闭
处 理 。对 于三 合 板 包 覆 木模 , 按 照 以下 几 个 顺 应
总第 19 3 期
雷 莹莹 , :无人机 复合 材料 构件 低 成本 快速模 具 制造 等
_’ n 二 二
— — — — —
将 放好样 的各站号 横 剖面按 照线 型锯 下 来 , 并
进行 修型 和精 细 加 工 , 为该 站 号 横 剖 面样 板 , 作 也 称肋 骨 ( 图 2所 示 )横剖 面样板 的加工 与对 应 型 如 ,
图 3 阴样 板 与 阳样 板对 比
序进 行 。
2 2 过渡 模 制作 、 . 检验 及表 面处 理
( )用 2 1中制 作 的 阴 样 板 , 各 站 点 和纵 1 . 对 剖 面进行 检 验 , 模 具 找 正 。对 阴样 板表 面进 行 将 统磨 处理 , 使光顺 度 达 到 基本 要 求 , 腻 子批 、 , 用 刮 不断 检验 , 断批 、 , 到符 合要 求 ; 不 砂 直
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