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复合材料蜂窝夹芯管结构设计、制备工艺及性能表征

【摘要】:复合材料蜂窝夹芯管是由内外蒙皮、粘接层以及中间的蜂窝芯材构成。它具有比强度大、比刚度大、抗屈曲性能好等特点,同时具有优异的弯曲刚度与扭转刚度,特别适用于对结构重量和力学性能要求苛刻的大跨度轻质结构。本文围绕无人机机翼结构轻量化技术,开展了复合材料蜂窝夹芯管的结构设计、制备工艺及力学性能的表征和测试研究工作。 首先,根据机翼结构轻量化的要求,开展了复合材料蜂窝夹芯管的结构优化设计。通过对T300/环氧F648和M40JB/环氧F648复合材料单向板进行力学性能测试,获得复合材料工程常数。采用ANSYS有限元软件对碳纤维复合材料蜂窝夹芯管的内外蒙皮厚度、铺层角度、铺层顺序以及蜂芯高度进行优化,以结构的刚度/质量比为设计目标,得到了复合材料蜂窝夹芯管的优化结构构型,即蒙皮厚度为1mm,铺层方式为[0°/±30°/0°],蜂芯高度为4mm。 其次,开展了复合材料蜂窝夹芯管的制备工艺研究。对成型工艺方案进行了探索研究,解决了交叉铺层纤维预浸带缠绕、复合材料管件加热加压固化成型以及大长径比管件脱模等问题,提出了采用手工引导预浸带铺层、热收缩胶带加热加压固化成型以及在金属芯模表面涂覆黄油和聚酯薄膜减小脱模摩擦阻力等解决方案,成功制备了长达4.2m的复合材料蜂窝夹芯管。 最后,开展了复合材料蜂窝夹芯管力学性能的表征和测试方法研究。给出了复合材料蜂窝夹芯管弯曲刚度和扭转刚度的表达式。采用有限元模拟与试验测量相结合的方法,确定了复合材料蜂窝夹芯管弯曲刚度测试试样的跨度;设计并制备了复合材料蜂窝夹芯管扭转刚度测试夹具。测试结果表明,本文所制备的T300碳纤维复合材料蜂窝夹芯管和M40JB石墨纤维复合材料蜂窝夹芯管的弯曲刚度分别为1.495×1010N·mm2和2.357×1010N·mm2;扭转刚度分别为6.477×109N·mm2和1.070×1010N·mm2。

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