一种用于抗坠毁吸能的复合材料防护产品的制作方法

本发明涉及冲击防护技术领域，更具体的说是涉及一种用于抗坠毁吸能的复合材料防护产品。

背景技术：

飞行器作为现代交通的重要组成部分，大大缩短了城市的距离，增加了人员与物资的运送速度。但是与此同时，广泛使用的飞行器也带来一系列安全问题，飞行器坠撞事故已经成为日益突出的社会问题，关系到人民群众生命财产安全与社会和谐稳定等多个方面。“空难”这个词听起来就十分刺耳，因为他常常伴随的是整架飞机机毁人亡的新闻，使得大众对飞行器事故尤为关注。避免空难一般有两方面可以着手，一个是主动方法，即避免坠撞：例如采用新型自控系统、环境监视系统等；另一个就是被动方法：提高飞行器的耐坠撞性能，使得飞行器在避无可避发生坠撞的情况下尽量减少人员和经济损失。haley的研究表明，大约85％的飞机坠毁事故都可以通过提高飞机耐坠性性能来避免乘员的死亡或严重伤害。因此，提高飞行器的耐坠撞防护不但可以提高飞行器安全性并且可以大大提高人民大众对飞行器的信任，在现阶段显得尤为重要。

传统机身通常由具有相对较大塑性变形能力的铝材制造，因此可以在碰撞时通过材料的塑性变形以及泡沫材料的屈曲来起到一定的吸能缓冲作用，一般可以达到15-50kj/kg的吸能率。但随着抗坠撞要求的提高，仅仅依靠金属已经不能同时满足飞行器耐坠撞和重量的要求，需要使用新型的材料或者新型的方法在保证耐坠撞安全的前提下提高飞行器的经济性。复合材料首当其冲成为了改进的首选材料。首先，复合材料拥有非常高的比刚度和比强度，使得吸能比率更高，达到减重的目的。其次，复合材料设计可以选择纤维和基体并且布置纤维方向使得材料更具有多变性，可以针对各种环境需求情况进行设计。除了减轻重量和灵活的设计之外，复合材料的使用还可以大幅度减少超轻吸能结构制造成本。这些优点使复合材料适于用来设计飞行器的碰撞吸能部件。随着复合材料的大范围使用，耐冲击结构的吸能率提高到了30-100kj/kg，明显的提高了保护效果，然而在设计过程中，高吸能率的复合材料产品往往使用了特殊的价格高昂的新型材料，造成产品经济性不佳。

因此，如何提供一种即有高防护性能又经济实用的飞机耐坠撞复合材料防护产品，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种用于抗坠毁吸能的复合材料防护产品，能够有效提高该防护产品的耐冲击能力，而且制造成本低、制造方法简单易推广。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于抗坠毁吸能的复合材料防护产品，包括引导头和复合材料管；

所述引导头端面上开设有圆环槽；所述复合材料管的端头嵌套在所述圆环槽内。

通过上述技术方案，本发明采用圆环槽与复合材料管嵌套的组装方式，摒弃了传统的圆管套装方式在复合材料管开裂即完成缓冲作用的缺陷，使复合材料管在圆环槽内随着开裂沿着圆环槽节节碎裂完成缓冲作用，通过对引导头的修正优化，极大地提高了吸能效果，结构简单、作用效果明显。

优选的，在上述一种用于抗坠毁吸能的复合材料防护产品中，所述圆环槽的深度为10mm，宽度为6mm；所述圆环槽的圆环内直径为25mm。能够有效满足该产品的使用尺寸，并满足其吸能效果。

优选的，在上述一种用于抗坠毁吸能的复合材料防护产品中，所述圆环槽的底部形成有半径为3mm的倒圆角，使所述圆环槽底部任一竖直方向的截面形成半径为3mm的半圆形。倒角的设置能够使复合材料管在圆环槽内的断裂移动能够按照既定轨迹运行，作用效果更强。

优选的，在上述一种用于抗坠毁吸能的复合材料防护产品中，所述复合材料管的内直径为25mm，所述复合材料管的长度为100mm。能够有效满足该产品的使用尺寸，并满足其吸能效果。

优选的，在上述一种用于抗坠毁吸能的复合材料防护产品中，所述引导头的材质为具有高刚度和高硬度性能的金属材料。并配合表面热处理。优选采用30crmnsia材料，使用880℃淬火(油冷却)，再配合520℃回火(油冷却)，提高引导头的结构稳定性。

优选的，在上述一种用于抗坠毁吸能的复合材料防护产品中，所述复合材料管由多层预浸布复合而成。优选采用t300/5208平纹编织预浸料制作。成本低廉、使用效果好。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于抗坠毁吸能的复合材料防护产品，具有以下有益效果：

1、采用圆环槽与复合材料管嵌套的组装方式，摒弃了传统的圆管套装方式在复合材料管开裂即完成缓冲作用的缺陷，使复合材料管在圆环槽内随着开裂沿着圆环槽节节碎裂完成缓冲作用，通过对引导头的修正优化，极大地提高了吸能效果，结构简单、作用效果明显。

2、该防护结构的设计着眼于飞机防护的需要，在继承普通复合材料防护产品高吸能率、低重量等设计优点的同时将引导头修改优化，使用常见廉价的t300/5208碳纤维复合材料，大大降低了产品的成本。

3、使用外部导引头引导破坏，可以在需要的时候设计导引头，使整个产品轻松适应各种环境要求。

4、本发明提供的复合材料管制造方法简单，价格低廉，适合大范围推广。

5、该防护产品价格低廉，易于加工，易于装配，易于安装，有巨大应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为传统技术的结构示意图；

图2附图为本发明提供的整体结构示意图；

图3附图为本发明提供的剖视图；

图4附图为本发明提供的原理示意图；

图5附图为本发明提供的新型导引头与传统导引头结构对比图；

图6附图为本发明提供的使用动态kriging代理模型以及蜂群优化方法得到的优化结果图；

图7附图为本发明提供的制造方法的流程图。

其中：

1为引导头，11为圆环槽，2为复合材料管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图2至附图3，本发明实施例公开了一种用于抗坠毁吸能的复合材料防护产品，包括引导头1和复合材料管2；

引导头1端面上开设有圆环槽11；复合材料管2的端头嵌套在圆环槽11内。

为了进一步优化上述技术方案，圆环槽11的深度为10mm，宽度为6mm；圆环槽11的圆环内直径为25mm。

为了进一步优化上述技术方案，圆环槽11的底部形成有半径为3mm的倒圆角，使圆环槽11底部任一竖直方向的截面形成半径为3mm的半圆形。

为了进一步优化上述技术方案，复合材料管2的内直径为25mm，复合材料管2的长度为100mm。

为了进一步优化上述技术方案，引导头1的材质为具有高刚度和高硬度性能的金属材料。

为了进一步优化上述技术方案，复合材料管2由多层预浸布复合而成。

为了进一步优化上述技术方案，预浸布的使用层数为6层。

本实施例的工作原理为：

参见附图1，为传统的引导头结构，传统的倒角型外部导引头可以很好地解决复合材料管2冲击压溃过程中的峰值载荷问题，可以平滑吸能结构的力位移曲线。但是这种导引装置使得产品的吸能率降低。我们通过研究知道，使用普通基体制造的复合材料在冲击破坏中主要是通过其内置纤维的破坏来吸收能量，所以对于设计来说，使得复合材料管2尽量多的破坏才能最大限度的提高产品的防护能力。

参见附图4，在附图4中，a和c为传统引导头的吸能原理图，b和d为本发明的引导头1的吸能原理图。复合材料管2进入导引头1后，两种导引装置内的复合材料管2的状态基本相同，当导引头1深入到复合材料管2内时，复合材料管2沿周向渐渐开裂。随着导引头1不断向下冲击，在复合材料管2触及导引头1末端时差异出现：传统倒角平头导引装置内，由于材料本身的弹性，它会渐渐脱离倒角位置，附图2的c中可以看到其弯折的曲率小于倒角设计的曲率，如果实际弯折曲率不能有效折断复合材料内的轴向纤维，则其复合材料管2撕裂。然而在具有圆环槽11的引导头1的导引下，可以看到在附图2的d中，由于右侧纤维的延伸方向被阻塞，复合材料管2只能继续上折，从而导致它产生一个尖锐的点，而在这个尖点中可以看到其曲率是要大于设计的引导半径的，当这个尖点曲率达到了复合材料的这段要求，则在冲击过程中这种引导头1就破坏了轴向纤维。所以复合材料圆管2被一段段完全压碎，从而大大提高了能量吸收效率。

为了能获得使复合材料圆管2完全碎片化破坏的引导半径，通过数值模拟结合蜂群优化方法获得了最优吸能效果的产品。参见附图6，本产品使用ls-dyna进行冲击仿真，用来获得不同导引半径的，导引头1与不同壁厚的复合材料管2组成的防护结构的防护指标。使用动态kriging代理模型以及蜂群优化方法得到优化结果。从图中可以看出最优点的吸能率为113.9kj/kg，但是由于加工特殊半径的槽比较困难，选用了半径为3mm的次好点，其吸能率也比较高，达到了101.7kj/kg。

进而我们对本发明的产品与传统产品进行试验对比，参见附图5，可以看到新型引导头1具有很高的能量吸收率，相对原有平头倒角导引头提高了53％之多，使得使用t300/5208平纹编织预浸料加工的防护产品的吸能率超过了100kj/kg。

本实施例由带圆环槽11的引导头1与匹配壁厚的复合材料管2组成。观察前人所做研究发现，使用普通材料吸能效率低主要是因为材料没有被完全利用。材料在破坏过程中并没有完全破坏，通常只是撕裂成窄条状，这样每个窄条内的沿管轴向的纤维并没有被破坏，从而这部分能量耗散方式就被浪费了。本实施例通过设计圆环槽11与复合材料管2厚度相配合，在试验中采用了r＝3mm的凹槽，配合2mm厚度的复合材料管2产生了吸能率超过100kj/kg的粉末状破坏，将材料完全利用，当使用1mm厚度圆管时，破坏模式变成撕裂状，吸能率大幅下降至50kj/kg的常规水平。引导头必须采用深环形槽11设计，在破坏过程中可以保证复合材料纤维被完全折断，达到充分利用材料吸收能量的作用。

参见附图7，本发明实施例公开了复合材料管的制造方法，具体包括以下步骤：

1)准备模具

复合材料制品的表面质量很大程度上取决于模具表面的好坏，所以对手糊成型用的模具必须进行充分的准备。模具清理干净，表面不得存留油渍、粉尘水汽等，要保证光洁干净。

2)涂刷脱模剂

本实施例中采用的是溶液类环氧树脂脱模剂。使用软毛刷、纱布等进行涂刷。在软毛刷上蘸取少量脱模剂溶液，在模具表面轻轻的涂刷，应沿一个方向涂刷，并且在涂刷后要仔细地进行检查，有无不均与或者遗漏的位置。对于新模具需要反复涂刷3次，每次涂刷后一分钟将多余脱模剂擦去，并静置15分钟，再进行下次涂刷。对于使用过的模具每次仅涂刷一次并擦去多余脱模剂即可。

3)制品的糊制

将涂好脱模剂的模具置于分度头上夹好。按照尺寸裁剪需要的预浸布，将需要一次铺在模具上的预浸布按顺序依次摆放好。除去预浸布一侧的保护膜，将其一边按方向贴于模具上。此时一人转动分度头把手使元件转动，另一人顺一个方向将气泡赶出，使预浸布牢牢贴于模具上。分层进行，直至6层预浸布全部铺层糊制完毕。

4)元件固化

固化过程选择在加热干燥箱中进行，设定恒定温度为120℃，保持两个小时，关闭干燥箱，待温度恢复到室温后将元件取出。

5)脱模及修整

当元件完成固化后，即可进行脱模。沿周向轻轻转动复合材料管2就能感觉到元件与模具分离，再慢慢取出即可，防止划伤模具。脱模后的制品要进行机械加工，除去飞边、毛刺，修补表面和内部缺陷。机械加工采用玻璃纤维增强砂轮片或金刚砂轮片进行切割。注意在修整过程中做好保护措施，尤其是呼吸系统防护，因为会有碳纤维粉尘飞扬。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。