无人机复合材料结构设计与制造技术PPT课件(共8章)第1章 无人机结构材料概述

无人机对高性能结构材料的需求
减轻结构重量、缩小结构体积一直是无人机设 计追求的目标。只有严格控制结构重量系数，才能 腾出重量空间让给燃油、有效载荷、补偿隐身带来 的增重，满足轻结构、长航时、高隐身、高机动等 技术要求。
为了减轻无人机结构质量，除了采用合理的结 构形式外，最有效的方法是选用强度高、刚度大、 质量轻、耐高温、抗低温、疲劳/断裂特性好、具有 良好的加工性能，以及价格相对较低廉的新型高性 能结构材料，即复合材料。
航空飞行器结构自适应和自愈合
结构自适应是指航空飞行器在飞行过程中能根 据工作环境要求改变自身的构型和外形，以达到最 优性能。压电材料是使用最多的一种敏感（传感） 和驱动元件，通过埋入压电传感器，获得结构振动 信息，通过负载电阻消耗了电能，可实现振动的部 分抑制，再由计算机对所得信息进行模态分析，形 成信号触发压电驱动器，有效抵消原始振动信号。
聚合物基 复合材料
金属基 复合材料
陶瓷基 复合材料
碳基 复合材料
水泥基 复合材料
热热热 固塑胶 性性基 树树 脂脂 基基
轻 金 属 基
高 熔 点 金 属
金 属 化 合 物
基基
高玻 温璃 陶陶 瓷瓷 基基
复合材料应用的各种纤维
复合材料的性能特点
（1）比强度和比模量高 （2）抗疲劳性好 （3）减振性能好 （4）破损安全性好 （5）可设计性强 （6）耐高温 （7）成型工艺简单
复合材料结构件制造过程特点
结构设计与结构制造工艺两者更加密切配合协调，成型 工艺过程严格监控，建立配套的缺陷/损伤检测方法和质量控 制标准，用自动化技术与数据分析技术提升制造水平。
（1）工艺流程数字化设计。 （2）虚拟仿真技术。 （3）虚拟制造技术。 （4）材料属性与固化环境监测。
智能复合材料的定义
（4）第四阶段：1990年至今，多功能复合材料，包括智能复 合材料、功能梯度复合材料等。
复合材料的分类（1）
1）按材料作用分类 （1）结构复合材料。 （2）功能复合材料。 （3）智能复合材料。
2）按增强材料的形态分类 （1）连续纤维复合材料。 （2）短纤维复合材料。 （3）粒状填料复合材料。 （4）编织复合材料。
应结构融合
复合材料还不能完全取代金属材料
复合材料的主要缺点; （1）抗冲击性差。 （2）层间剪切强度和横向强度低。 （3）长期耐高温及耐老化性能差。 （4）工艺质量不够稳定，材料性能的分散性大。 （5）复合材料是非规范化的，存在较大的变异性。
复合材料的定义
从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上物 理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体 材料，它既保持了原组分材料的主要特点，又具备 了原组分材料所没有的新性能。
智能复合材料是一类能感知环境变化，通过自我 判断得出结论，并自主执行相应指令的材料，仅能 感知和判断但不能自主执行的材料也归入此范畴。
（1）感知功能。 （2）反馈功能。 （3）识别功能。 （4）响应功能。 （5）自诊断功能。 （6）自修复功能。 （7）自调节功能。
智能复合材料的构成
（1）基体材料。 （2）敏感材料。 （3）驱动材料。 （4）信息处理器。
3）按增强纤维种类分类 （1）玻璃纤维复合材料。 （2）碳纤维复合材料。 （3）有机纤维复合材料。 （4）金属纤维复合材料。 （5）陶瓷纤维复合材料。
复合材料的分类（2）
4）按基体材料分类 （1）聚合物基复合材料。 （2）金属基复合材料。 （3）无机非金属基复合材料。陶瓷材料、玻璃和水泥。
结构复合材料
1、第一阶段。木布时代（1903年—1918年），木制骨 架，布蒙皮。
2、第二阶段。金属时代（1919年世—2004年） （1）铝、钢时期（从1920年到1949年） （2）铝、钢、钛时期（从1950年到1969年） （3）过渡时期（从1970年到2004年） 3、第三阶段。复合材料时代（从2004年至今） （1）复合材料无人机：结构采用复合材料重量占全机 结构总重量的百分比达到51%以上。 （2）全复合材料无人机：结构采用复合材料重量占全 机结构总重量的百分比达到95%以上。
功能梯度智能复合材料
功能梯度材料（FGM）是一种功能（如组分、 结构、性能）随空间或时间连续变化或阶梯变化的 高性能材料。功能梯度薄膜材料也就是使成分、组 织从基体到表面呈无界面连续变化。
无人一例外地大量使用 了轻质、比强度高、比模量高、抗疲劳能力强、抗 振能力强的结构复合材料。
（1）“捕食者”无人机：美国“中海拔、长航时”大 型无人机，是目前世界上装备数量和累计飞行时数最多的察 打一体无人机。除机身大梁外全机由复合材料制成（复合材 料结构重量为85%），飞行速度为220公里/小时，升限7620米 ，最大活动半径3700公里，续航时间40小时。
旋翼无人机人的类型
旋翼无人机旋翼由发动机驱动在空气中旋转， 给周围空气以扭矩，因而空气必定以大小相等、方 向相反的扭矩作用于旋翼，继而传递到机体上。为 了消除这个反扭矩作用以保持旋翼无人机机体的航 向，出现了不同总体结构布局的旋翼无人机。
航空结构材料的发展历程
材料是航空飞行器赖以存在和发展的物质基础，航空飞 行器的发展历程是以材料性能的进步和提高为主要标志的， “一代材料，一代飞行器” 是航空工业发展的生动写照。
界面并不是单纯的一个几何面，而是一个过渡 区域。一般来说，这个区域是从与增强物内部性质不 同的那一点开始到基体内与基体性质相一致的某点终 止。该区域材料的结构与性能不同于两相组分材料中 的任一相，称此区域为界面相或界面层。
复合材料的发展历程
1）古代复合材料：早在公元前人类就开始制造复合材料。例
如公元前2000年前古代人就用草茎增强土坯做为住房墙体材料。 7000年前的新石器时代的漆器是用漆作基体，麻绒或丝绢织物作增 强体的复合材料。湖南长沙马王堆汉墓出土的漆器鼎壶、盆具和茶 几等，用漆作胶粘剂，丝麻作增强体。
航空飞行器结构健康监测
航空飞行器结构健康监测系统（SHMS）是将 先进的传感/驱动网络集成在飞行器结构中，通过在 线监测飞行过程中重要构件的应变（临界载荷）、 振动模态（当裂纹与振动产生的应力正交时敏感度 更高）和声发射（结构承载时因损伤而产生的应力 波）等信息的变化，采用先进信息处理、计算分析 和损伤模式识别等方法，判定损伤的性质、位置和 程度。目前多采用光纤和压电传感器进行检测，关 键技术是利用各种高敏感度传感器器件，通过力、 热、声等对航空飞行器结构进行微信号监测。
1、增强材料（组分）在复合材料中起主要作 用，由它提供复合材料的刚度和强度。
2、基体材料（组分）起配合作用，它用来支 持和固定增强材料、传递增强材料之间的载荷、保 护增强材料等。
复合材料的界面
由于组成复合材料的几相材料中，一般有一相 以溶液或熔融流动状态与另一相或其它相接触，然后 进行物化（固化）反应，使相与相之间结合在一起。 两相互相作用的结果即生成复合材料的界面。
无人机 复合材料结构设计与制造
（1·无人机结构材料概论）
无人机的定义
无人机就是无人驾驶飞行器，在无人机系统中 全称无人机飞行平台，简称无人机。它是指机上不 搭载操作人员（飞行员）的一种动力航空飞行器， 采用空气动力为飞行器提供所需的升力，能够携带 有效载荷进行全自动飞行或无线引导飞行；既能一 次性使用，也能进行回收或自动着陆，以便进行多 次重复使用。
自愈合的核心是能量与物质的补给、模仿生物 体损伤愈合的原理使复合材料的内部或外部损伤能 自愈合，以消除隐患、增强材料强度和延长使用寿 命。修复过程的物质补给由流体（或流体与固体粉 末混合物）提供，能量补给由化学作用实现。
弹性记忆复合材料
弹性记忆复合材料基体为热固性形状记忆聚合物树脂， 增强纤维为碳纤维、玻璃纤维和 Kevlar 纤维等。由于电磁兼 容性（EMC）采用了热固性形状记忆树脂作为基体，使得 EMC可以比普通的复合材料承受更高的包装应变而不会发生 材料的损伤，同时EMC具有形状记忆性能。
无人机无一例外大量使用复合材料
2）“全球鹰”无人机：美国高海拔、长航时、高速无 人侦察机，是目前世界上续航时间最长、高度最高、航程最 远的无人机系统型号。翼展39.9米，起飞重量高达13吨，最 大飞行速度740公里/小时，航程26000公里，飞行高度18000 米，续航时间42小时
3）“X-45C”无人机：美国全复合材料无人战斗机（ 95%以上结构重量为复合材料），巡航高度为12192米，巡航 马赫数0.8，武器载荷达2041公斤，作战半径2222千米
美国军机结构材料比例的变化（%）
机种
设计年代 复合材料 钛合金
铝合金
钢
F-14
1969
1
24
39
17
F-16
1976
2
3
64
3
F-18
1978
10
13
49
17
AV-8B
1982
26
9
49
15
B-2
1988
28
26
19
6
F-22
1989
40
37
11
5
V-22
1989
51
26
12
4
典型军用和民用飞机复合材料用量
利用弹性记忆复合材料的独特性能可将大型结构在地面 紧凑包装，起飞升空后再伸展开。因复合材料密度低，强度 和模量高，所设计的部件质量可很小，且集结构部件和伸展 机构于一体，展开过程通过加热即可实现，无需电机、轴承 、位置传感器与复杂的电子控制装置和软件，以及另外配备 传统机械展开装置，可实现简单、轻便、鲁棒的可展开复合 材料结构。
无人机结构的定义
所谓“结构”指的是受力系统，是指能承受和传 递载荷，并能保持足够强度和刚度的零、部件总称 。
无人机结构是能够承受和传递载荷的受力系统， 外载荷在结构中以内力的形式的传递，并最终实现 相互平衡。它是构成无人机系统的基础，其主要功 能是承受和传递作用在它上面的各种载荷，维持一 定的外部和内部形状，以满足无人机空气动力学、 动力装置安装、结构静强度和疲劳强度、结构动力 学、气动弹性力学、任务装载、飞行控制、生产工 艺、使用维护和安全等各方面的要求，
但在现代材料学界中，采用的是狭义定义，即 复合材料定义为：用经过选择的、含一定数量比的 两种或两种以上的组分，通过人工复合组成多相、 三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能 的固体材料。
复合材料的组分
组分是指混合物的组成成分，复合材料的组分 是指构成复合材料的组元材料。复合材料的组分可 分为基体组分和增强组分两部分，基体组分采用各 种树脂或金属、非金属材料，增强组分采用各种纤 维状材料或其他材料。
固定翼无人机的总体结构
固定翼无人机的总体外形和基本结构与有人驾 驶航空飞行器中的固定翼飞机（简称飞机）相同。 固定翼无人机总体结构主要由机翼、机身、尾翼、 起落装置和动力装置五个主要部分组成。
旋翼无人机的总体结构
旋翼无人机的总体结构与有人驾驶航空飞行器 中的旋翼飞行器（简称直升机）相同。其中单旋翼 无人机由旋翼系统、机体结构、尾桨、起落装置和 动力装置等五个主要部分组成，
2）现代复合材料：
（1）第一阶段：1940～1960年，主要生产和应用普通复合材 料，如玻璃纤维强化塑料
（2）第二阶段：1960～1980年，先进复合材料的发展始于20 世纪60年代，研制和生产出高强度、高模数的碳纤维，被用于航空 飞行器的主要承力件上。
（3）第三阶段：1980～1990年，开发以金属或陶瓷为基体的 先进复合材料。
高分子智能复合材料
将高分子材料作为结构材料使用的特点：密度 小、比强度高，耐腐蚀，加工性好，易加工成形， 可制成复杂形状的零部件，摩擦性能好，易满足不 同摩擦条件要求，具有绝缘性、密封性、减震性及 可染色性等特点。
高分子材料还有一个最大的特点是可设计性， 这就为高分子材料与其他材料如磁电致伸缩材料、 压电材料、形状记忆合金等复合而成智能高分子复 合材料提供了良好的条件。
无人机大量使用复合材料的意义
（1）先进复合材料可使无人机减重25% ~30% （2）能够整体成型，大大减少零件数量，降低成本 （3）复合材料具有可设计性，可进行大面积整体成型 （4）复合材料具有特殊的电磁性能，研究改性后具有
一定的隐身功能。 （5）复合材料具有优异的耐腐蚀性能，可降低使用维
护的寿命周期成本。 （6）复合材料机翼设计可进行气动弹性剪裁。 （7）复合材料易形成智能材料，智能结构、可与自适