一种复合材料圆角区结构及复合材料结构的制作方法

本发明属于飞机机体设计，尤其涉及一种复合材料圆角区结构及复合材料结构。

背景技术：

1、复合材料作为一种新材料目前正开始大规模应用于各种工程结构，尤其在航空领域，诸如飞机机翼、机身、尾翼等承力结构。在这些结构中，存在着各种各样不同平面方向复合材料层板构件之间的连接，如机翼翼梁腹板、翼肋及蒙皮壁板之间的连接等。通常，这些连接都是通过构件端部的圆形弯折铺层或者借助于带有圆角区域的连接件实现不同平面构件之间的螺栓紧固连接或平面胶结。同平面区域不同，这些圆角区域在各种载荷作用尤其是弯矩作用下而产生张开变形时会产生明显的层间拉伸应力，而这种拉伸应力容易导致圆角区内部分层，从而直接影响复合材料结构件之间的连接强度。因此确保复合材料圆角区的强度要求是复合材料结构设计中一个普遍关注的重要方面。

2、为了保证圆角区满足强度要求，传统的圆角区的设计中，通常都采用设计足够多的铺层数或增加厚度来保证圆角区的层间应力处于许用应力值之内。显然，对于具有大量的各种各样圆角区的结构，这种方法会直接影响整个结构设计效率的提升，不利于实现整体结构的减重。为此，本发明提出一种不同的方法，通过采用一种新的圆角区设计来降低圆角区的层间应力，从而避免为保证圆角区的强度而增加不必要的复合材料铺层数或厚度。

3、传统的圆角区设计方法，一个基本的特征是圆角区从内表面到外表面具有不同的曲率半径，而且内表面曲率半径小于外表面曲率半径。这样的设计特征决定了在张开型弯矩作用下在靠近内表面大约1/3厚度处会较容易引起大的层间拉伸应力从而产生分层。

4、针对上述技术问题，设计开发出一种新型圆角区结构，解决上述存在的技术问题具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种复合材料圆角区结构及复合材料结构。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种复合材料圆角区结构，所述圆角区的圆角内侧到圆角外侧包括多个弧状铺层，所述弧状铺层依次叠加布置，所述弧状铺层的曲率半径相同或者所述弧状铺层由内向外的曲率半径变小。

4、进一步地，所述弧状铺层的曲率半径相同时，每个所述弧状铺层上下表面为同心圆弧。

5、进一步地，位于所述圆角区的所述弧状铺层之间设有填充材料。

6、进一步地，所述弧状铺层厚度相同。

7、进一步地，所述填充材料包括树脂、纤维材料、金属材料。

8、进一步地，所有所述弧状铺层的曲率中心均设置在所述圆角区的几何中心对称线上。

9、进一步地，所述弧状铺层由内向外的曲率半径梯度变小时，所述弧状铺层之间设有填充材料。

10、进一步地，所有所述弧状铺层的曲率中心均设置在所述圆角区的几何中心对称线上。

11、一种复合材料结构，所述复合材料结构包括平直区及上述圆角区结构，其中，圆角区位置的所述弧状铺层与所述圆角区相邻平直区的平直铺层采用平滑过渡连接。

12、进一步地，所述平滑过渡连接的位置点沿铺层厚度方向依次错开。

13、有益效果：

14、本发明公开的复合材料圆角区结构，即从内表面到外表面均采用同样的曲率半径。这样的设计可以使圆角区内表面的曲率半径不致过小而导致较大的层间拉伸应力，同时也使得圆角区的应力分布更为均匀从而降低了层间应力。与此同时，这样的设计也增加了圆角区的抗弯刚度和抗失稳能力。另外，这样的圆角区等曲率设计也提供了圆角区局部维修时的极大方便，避免了内外表面曲率半径不同而带来的损伤件与加强件之间胶结面曲率的不匹配。

15、圆角区外表面曲率半径小于内表面曲率半径的设计方法，进一步提升圆角区的抗弯刚度和抗失稳能力，同时满足特定场景下对圆角区外表面曲率半径尽可能小的设计要求。

16、复合材料圆角区结构可显著降低复合材料圆角区层间应力，从而提升结构设计效率；本发明圆角区结构也可提升结构在圆角区的弯曲刚度，从而减低由于通常圆角区刚度较弱而引起的缘条区域的大变形；本发明可以有效改善传统设计构型所引起的较大的应力梯度，从而不仅有助于减低圆角区在外载作用下的层间应力，也有助于减低圆角区固化过程中所形成的残余应力影响；本发明圆角区结构内外表面等曲率设计特征可为结构运营过程中圆角区的局部修补或加强提供极大的方便，如直接通过在圆角区内表面或外表面贴合胶结同曲率的l型标准件即可实现局部维修或加强；由于在圆角区添加额外胶层，本发明可以改善圆角区抗冲击能力，而且如果添加的胶层为热塑性，则也有利于运营过程中圆角区损伤修补。

技术特征：

1.一种复合材料圆角区结构，其特征在于，所述圆角区的圆角内侧到圆角外侧包括多个弧状铺层，所述弧状铺层依次叠加布置，所述弧状铺层的曲率半径相同或者所述弧状铺层由内向外的曲率半径变小。

2.根据权利要求1所述一种复合材料圆角区结构，其特征在于，所述弧状铺层的曲率半径相同时，每个所述弧状铺层上下表面为同心圆弧。

3.根据权利要求2所述一种复合材料圆角区结构，其特征在于，位于所述圆角区的所述弧状铺层之间设有填充材料。

4.根据权利要求3所述一种复合材料圆角区结构，其特征在于，所述弧状铺层厚度相同。

5.根据权利要求4所述一种复合材料圆角区结构，其特征在于，所述填充材料包括树脂、纤维材料、金属材料。

6.根据权利要求5所述一种复合材料圆角区结构，其特征在于，所有所述弧状铺层的曲率中心均设置在所述圆角区的几何中心对称线上。

7.根据权利要求1所述一种复合材料圆角区结构，其特征在于，所述弧状铺层由内向外的曲率半径梯度变小时，所述弧状铺层之间设有填充材料。

8.根据权利要求7所述一种复合材料圆角区结构，其特征在于，所有所述弧状铺层的曲率中心均设置在所述圆角区的几何中心对称线上。

9.一种复合材料结构，其特征在于，所述复合材料结构包括平直区及权利要求1-8任一项所述圆角区结构，其中，圆角区位置的所述弧状铺层与所述圆角区相邻平直区的平直铺层采用平滑过渡连接。

10.根据权利要求9所述一种复合材料结构，其特征在于，所述平滑过渡连接的位置点沿铺层厚度方向依次错开。

技术总结本发明公开了一种复合材料圆角区结构及复合材料结构，属于飞机机体设计技术领域，所述圆角区由内到外包括多个弧状铺层，所述弧状铺层依次叠加布置，所述弧状铺层的曲率半径相同或者所述弧状铺层由内向外的曲率半径变小，本发明公开的圆角区等曲率设计，可以使圆角区内表面的曲率半径不致过小而导致较大的层间拉伸应力，同时也使得圆角区的应力分布更为均匀从而降低了层间应力，这样的设计也增加了圆角区的抗弯刚度和抗失稳能力，这样的圆角区等曲率设计也提供了圆角区局部维修时的极大方便，避免了内外表面曲率半径不同而带来的损伤件与加强件之间胶结面曲率的不匹配，具有重要的实际应用意义。技术研发人员：刘铁让,陈琳,杜恒毅,季少华,高举斌,王栋受保护的技术使用者：中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心技术研发日：技术公布日：2024/6/11