供稿人：黃一鳴 田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-11-21
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種用于先進(jìn)結(jié)構(gòu)制造的重要材料，與金屬合金材料相比，具有輕量化、高承載、高強(qiáng)度及可設(shè)計(jì)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，逐步成為先進(jìn)飛行器設(shè)計(jì)的首選材料。隨著無人機(jī)在航空領(lǐng)域變得越來越被重視，該行業(yè)正面臨著降低開支同時(shí)提高性能效率的雙重壓力，利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料先進(jìn)制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的重要零部件設(shè)計(jì)和制造具有重要意義。2022年，加拿大康考迪亞大學(xué) (Concordia University) 通過對無人機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)，制造出了一種錐形波紋夾芯輕質(zhì)翼型結(jié)構(gòu)，并通過測試驗(yàn)證了其承載性能
該研究采用了Concordia復(fù)合材料中心的熱壓罐進(jìn)行無人機(jī)機(jī)翼的成形工作。圖1展示了無人機(jī)機(jī)翼夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及不同鋪層設(shè)計(jì)下固化冷卻后的變形形態(tài)，為了實(shí)現(xiàn)錐形機(jī)翼構(gòu)型采用不勻均鋪層處理預(yù)浸帶，以提升夾芯結(jié)構(gòu)波紋的幅值。基于該方法，無需復(fù)雜幾何形狀的模具來制作波紋芯，相反，只使用一個(gè)扁平的模具就可以實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)高強(qiáng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形態(tài)。
圖1 無人機(jī)機(jī)翼夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（左）及成形工藝（右）
通過夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)翼極大地減輕了重量，同時(shí)具備高承載性能優(yōu)勢，在該力學(xué)測試中得到了證實(shí)，如圖2所示。結(jié)果表明，該機(jī)翼可以承受中等尺寸無人機(jī)的載荷，與彎曲角度高達(dá)20°。
圖2 無人機(jī)機(jī)翼樣件
研究結(jié)果表明，利用復(fù)合材料4D打印方法能夠制造出波紋夾芯結(jié)構(gòu)柔性可變形機(jī)翼。樣機(jī)研制及測試結(jié)果表明，對于小型無人機(jī)，該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能夠滿足載荷要求。目前，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行下一步的研究工作，完善機(jī)翼的分析、設(shè)計(jì)、制造及相關(guān)測試工作。