CN103407175B - 一种纤维增强树脂基复合材料翼盒的整体成型方法 - Google Patents

Abstract

一种纤维增强树脂基复合材料翼盒的整体成型方法，它有八大步骤：一、确定纤维增强树脂基复合材料翼盒的结构设计方案；二、根据纤维增强树脂基复合材料翼盒的结构设计方案确定模具方案；三、制备水溶性型芯；四、制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体；五、将纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体放入模具并定位合模；六、抽真空，注入树脂并升温固化；七、开模取出带有水溶性型芯的纤维增强树脂基复合材料翼盒；八、用水将水溶性型芯从纤维增强树脂基复合材料翼盒的内腔里溶解出后，最终得到纤维增强树脂基复合材料翼盒。本发明适合具有复杂内腔结构的纤维增强树脂基复合材料翼盒的整体成型，且成本低廉。

Description

一种纤维增强树脂基复合材料翼盒的整体成型方法

技术领域

本发明提供一种纤维增强树脂基复合材料翼盒的整体成型方法，属于复合材料制造技术领域。

背景技术

翼盒是飞机主要的承力结构，承担着飞机起飞、巡航和着陆过程中机翼及机身传来的各种载荷。传统的飞机翼盒由许多金属部件装配而成，因而结构重量较大，不利于飞机的减重。相比而言，复合材料比强度高、比刚度大，且具有可设计性，因而近年来被广泛地应用到航空结构中，如空客A380的复合材料中央翼盒，较同等铝合金结构相比减重近1.5吨。复合材料整体成型技术则可以进一步减少结构装配重量，是未来翼盒等大型构件减重设计的必然趋势之一。树脂传递模塑成型工艺(RTM)成本低、成型质量较高，工业上可以满足复合材料翼盒等大型构件的整体成型需要。然而复合材料翼盒内部通常含有许多加筋结构，内腔形状复杂，传统的RTM方法普遍采用金属型芯，很难脱模，而且有些复合材料翼盒结构设计方案由于在制造过程无法脱模而无法实现，进而影响到一些先进设计方案的应用，因此需要对其做出改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维增强树脂基复合材料翼盒的整体成型方法，以解决传统RTM方法制备具有复杂内腔结构的纤维增强树脂基复合材料翼盒时脱模难的技术问题。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明一种纤维增强树脂基复合材料翼盒的整体成型方法，其步骤如下：

步骤一、确定纤维增强树脂基复合材料翼盒的结构设计方案。

步骤二、根据纤维增强树脂基复合材料翼盒的结构设计方案确定模具方案，包括制备水溶性型芯的模具和制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的模具。

步骤三、制备水溶性型芯。

步骤四、按照设计的铺层方案铺覆纤维布，纤维布的层与层之间采用定型剂进行定型，制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体。

步骤五、将制备好的纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体放入模具内，然后定位合模。

步骤六、抽真空，当真空度达到要求-0.1时，开始将模具内注入树脂填充纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体的间隙，待树脂填充满纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体的间隙之后，按照树脂的固化工艺规程进行升温固化。

步骤七、固化完毕后，将模具冷却至室温，之后打开模具，取出已经固化成型的纤维增强树脂基复合材料翼盒，此时纤维增强树脂基复合材料翼盒的内腔里仍带有水溶性型芯。

步骤八、用水将水溶性型芯从纤维增强树脂基复合材料翼盒的内腔里溶解出后，最终得到纤维增强树脂基复合材料翼盒。

其中，在步骤一中所述的“结构设计方案”需要根据技术指标进行设计，纤维增强树脂基复合材料翼盒的结构由一个或多个腔体组成，并且每个腔体可以根据需要设计成等截面的或变截面的，每个腔体的横截面形状可以是梯形、平行四边形、三角形、变弧度的封闭轮廓形状，总而言之每个腔体的形状可以是任意的，纤维增强树脂基复合材料翼盒局部有或无加强筋条和加强肋。

其中，在步骤二中所述的“水溶性型芯”是由一种可溶于水的材料制成，该材料为粉末状，加入混合后浇注到模具内腔里，将水烘干后能够制得与模具形状一样的水溶性型芯，水溶性型芯在室温和高温环境下具有稳定的物理性质和化学性质，在制备纤维增强树脂基复合材料翼盒时，在树脂固化过程的高温环境下水溶性型芯能够保持设计外型，型芯不会分解或损坏，树脂固化完毕后，冷却至室温后，水溶性型芯能够被水溶解。

其中，在步骤四中所述的“设计的铺层方案”通常是均衡对称的铺层方案，具体的铺层层数、铺层角度和铺层比例要根据需要实现的指标进行设计；在步骤四中所述的“定型剂”是一种高分子材料，需要与用于制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的树脂有好的相容性，通过在纤维布层间施加少量的定型剂可起到定型作用，使纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体具有一定的整体性。在步骤四中所述的“纤维布”的纤维可以是碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维和植物纤维中的一种；

其中，在步骤六中所述的“固化工艺规程”是指对树脂在整个固化过程中相关工艺参数的规定，每种型号的树脂都对应有与之相匹配的固化工艺规程。在步骤六中所述的“树脂”可以是环氧树脂、聚酰亚胺、热塑性聚氨酯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚芳醚酮和聚乙烯醇中的一种。对于RTM整体成型工艺，向模具内注入树脂的压力控制在0.5MPa以上。

本发明一种纤维增强树脂基复合材料翼盒的整体成型方法，其有益效果是适合具有复杂内腔结构的纤维增强树脂基复合材料翼盒的整体成型，且成本低廉。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程框图。

图2是复合材料翼盒的几何构型示意图。

图3是制备复合材料翼盒所使用的模具及型芯。

图4是制备水溶性型芯的模具。

图2中：1.左C形梁，2.上蒙皮，3.右C形梁，4.下蒙皮，5.内部矩形盒梁，6.三角区

图3中：7.上模，8.左C形芯模，9.下模，10.右C形芯模，11.密封条，12.中央水溶性型芯，13.左端盖，14.右端盖。

图4中：15.后端盖，16.中央刚性骨架，17.前端盖，18.上侧板，19.左侧板，20.下侧板，21.右侧板。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明做出进一步的说明。

本发明的流程图如图1所示，首先确定纤维增强树脂基复合材料翼盒的结构设计方案，然后根据纤维增强树脂基复合材料翼盒的结构设计方案确定模具方案，利用准备好的模具制备水溶性型芯，在此基础上，制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体，将制备好的纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体放入模具并定位合模，之后抽真空、注树脂并升温固化，待固化完毕后，开模取出带有水溶性型芯的纤维增强树脂基复合材料翼盒，最后用水将水溶性型芯从纤维增强树脂基复合材料翼盒的内腔里溶解出后，最终得到纤维增强树脂基复合材料翼盒。本发明的具体实施步骤如下：

步骤一、确定纤维增强树脂基复合材料翼盒的结构设计方案。

其中，在步骤一中所述的“结构设计方案”需要根据技术指标进行设计，纤维增强树脂基复合材料翼盒的结构由一个或多个腔体组成，并且每个腔体可以根据需要设计成等截面的或变截面的，每个腔体的横截面形状可以是梯形、平行四边形、三角形、变弧度的封闭轮廓形状，总而言之每个腔体的形状可以是任意的，纤维增强树脂基复合材料翼盒局部有或无加强筋条和加强肋，在本实施例中，所选取的纤维增强树脂基复合材料翼盒设计方案如图2所示，是单腔体的等截面结构，腔体形状为矩形，纤维增强树脂基复合材料翼盒由左C形梁1、上蒙皮2、右C形梁3、下蒙皮4、内部矩形盒梁5和三角区6组成。

步骤二、根据纤维增强树脂基复合材料翼盒的设计方案确定模具方案，包括制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的模具和制备水溶性型芯的模具。

其中，在步骤二中所述的“水溶性型芯”是由一种可溶于水的材料制成，该材料为粉末状，加入混合后浇注到模具内腔里，将水烘干后能够制得与模具形状一样的水溶性型芯，水溶性型芯在室温和高温环境下具有稳定的物理性质和化学性质，在制备纤维增强树脂基复合材料翼盒时，在树脂固化过程的高温环境下水溶性型芯能够保持设计外型，型芯不会分解或损坏，树脂固化完毕后，冷却至室温后，水溶性型芯能够被水溶解；在步骤二中所述的“制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的模具”如图3所示，由上模7、左C形型芯8、下模9、右C形型芯10、密封条11、中央水溶性型芯12、左端盖13和右端盖14组成，上模7与上蒙皮贴合，左C形型芯8与左C形梁1贴合，下模9与下蒙皮4贴合，右C形型芯10与右C型梁3贴合，中央水溶性型芯12与内部矩形盒梁5内表面贴合，上模7和下模9能将左C形型芯8、右C形型芯10、左端盖13和右端盖14定位，左端盖13和右端盖14能将中央水溶性型芯12定位，密封条11由硅胶材料制成，具有相对较好的密封性和弹性，对整套模具起密封作用；在步骤二中所述的“制备水溶性型芯的模具”如图4所示，由后端盖15、中央刚性骨架16、前端盖17、上侧板18、左侧板19、下侧板20和右侧板21，其中上侧板18、左侧板19、下侧板20和右侧板21装配起来形成矩形空腔可用来制备中央水溶性型芯12，中央刚性骨架16对中央水溶性型芯12起到加强作用，防止合模过程中将中央水溶性型芯12压溃，中央刚性骨架16通过后端盖15和前端盖17定位。

步骤三、制备水溶性型芯。

其中，在步骤四中所述的“水溶性型芯”根据水溶性型芯的成型工艺完成型芯加工后，在其表面涂上一层纳米材料保护膜进行封孔处理，并贴上一层聚四氟乙烯膜，保证型芯表面光洁度，同时防止树脂渗入水溶性型芯。

步骤四、按照设计的铺层方案铺覆纤维布，纤维布的层与层之间采用定型剂进行定型，制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体。

其中，在步骤四中所述的“设计的铺层方案”通常是均衡对称的铺层方案，具体的铺层层数、铺层角度和铺层比例要根据需要实现的指标进行设计；在步骤四中所述的“纤维布”的纤维可以是碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维或植物纤维；在步骤一中所述的“定型剂”是一种高分子材料，需要与用于制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的树脂有好的相容性，通过在纤维布层间施加少量的定型剂可起到定型作用，使纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体具有一定的整体性；由于纤维增强树脂基复合材料翼盒由左C形梁1、上蒙皮2、右C形梁3、下蒙皮4、内部矩形盒梁5和三角区6组成，在制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体时需要先分别制备左C型梁1、上蒙皮2、右C型梁3、下蒙皮4、内部矩形盒梁5和三角区6的纤维预成型体，之后再它们组装起来，最终得到纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体。

步骤五、将制备好的纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体放入模具内，然后定位合模。

步骤六、抽真空，当真空度达到要求-0.1时，开始将模具内注入树脂填充纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体的间隙，待树脂填充满纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体的间隙之后，按照树脂的固化工艺规程进行升温固化。

其中，在步骤六中所述的“树脂”可以是环氧树脂、聚酰亚胺、热塑性聚氨酯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚芳醚酮或聚乙烯醇；在步骤六中所述的“固化工艺规程”是指对树脂在整个固化过程中相关工艺参数的规定，每种型号的树脂都对应有与之相匹配的固化工艺规程。对于RTM整体成型工艺，向模具内注入树脂的压力控制在0.5MPa以上。

步骤七、固化完毕后，将模具冷却至室温，之后打开模具，取出已经固化成型的纤维增强树脂基复合材料翼盒，此时纤维增强树脂基复合材料翼盒的内腔里仍带有中央水溶性型芯12。

步骤八、用水将中央水溶性型芯12从纤维增强树脂基复合材料翼盒的内腔里溶解出后，最终得到纤维增强树脂基复合材料翼盒。

Claims (1)

1.一种纤维增强树脂基复合材料翼盒的整体成型方法，其特征在于：首先确定纤维增强树脂基复合材料翼盒的结构设计方案，然后根据纤维增强树脂基复合材料翼盒的结构设计方案确定模具方案，利用准备好的模具制备水溶性型芯，制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体，将制备好的纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体放入模具并定位合模，之后抽真空、注树脂并升温固化，待固化完毕后，开模取出带有水溶性型芯的纤维增强树脂基复合材料翼盒，最后用水将水溶性型芯从纤维增强树脂基复合材料翼盒的内腔里溶解出后，最终得到纤维增强树脂基复合材料翼盒；具体实施步骤如下：

步骤一、确定纤维增强树脂基复合材料翼盒的结构设计方案：

其中，在步骤一中所述的结构设计方案需要根据技术指标进行设计，纤维增强树脂基复合材料翼盒的结构由一个或多个腔体组成，并且每个腔体根据需要设计成等截面的或变截面的，每个腔体的横截面形状是梯形、平行四边形、三角形或变弧度的封闭轮廓形状，每个腔体的形状是任意的，纤维增强树脂基复合材料翼盒局部有或无加强筋条和加强肋；选取的纤维增强树脂基复合材料翼盒是单腔体的等截面结构，腔体形状为矩形，纤维增强树脂基复合材料翼盒由左C形梁、上蒙皮、右C形梁、下蒙皮、内部矩形盒梁和三角区组成；

步骤二、根据纤维增强树脂基复合材料翼盒的设计方案确定模具方案，制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的模具和制备水溶性型芯的模具：

其中，在步骤二中所述的水溶性型芯是由一种可溶于水的材料制成，该材料为粉末状，加入混合后浇注到模具内腔里，将水烘干后能够制得与模具形状一样的水溶性型芯，水溶性型芯在室温和高温环境下具有稳定的物理性质和化学性质，在制备纤维增强树脂基复合材料翼盒时，在树脂固化过程的高温环境下水溶性型芯能够保持设计外型，型芯不会分解或损坏，树脂固化完毕后，冷却至室温后，水溶性型芯能够被水溶解；在步骤二中所述的制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的模具由上模、左C形型芯、下模、右C形型芯、密封条、中央水溶性型芯、左端盖和右端盖组成，上模与上蒙皮贴合，左形型芯与左C形梁贴合，下模与下蒙皮贴合，右C形型芯与右C型梁贴合，中央水溶性型芯与内部矩形盒梁内表面贴合，上模和下模能将左C形型芯、右C形型芯、左端盖和右端盖定位，左端盖和右端盖能将中央水溶性型芯定位，密封条由硅胶材料制成，具有相对较好的密封性和弹性，对整套模具起密封作用；在步骤二中所述的制备水溶性型芯的模具由后端盖、中央刚性骨架、前端盖、上侧板、左侧板、下侧板和右侧板，其中上侧板、左侧板、下侧板和右侧板装配起来形成矩形空腔，用来制备中央水溶性型芯，中央刚性骨架对中央水溶性型芯起到加强作用，防止合模过程中将中央水溶性型芯压溃，中央刚性骨架通过后端盖和前端盖定位；

步骤三、制备水溶性型芯：

其中，在步骤四中所述的水溶性型芯根据水溶性型芯的成型工艺完成型芯加工后，在其表面涂上一层纳米材料保护膜进行封孔处理，并贴上一层聚四氟乙烯膜，保证型芯表面光洁度，同时防止树脂渗入水溶性型芯；

步骤四、按照设计的铺层方案铺覆纤维布，纤维布的层与层之间采用定型剂进行定型，制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体：

其中，在步骤四中所述的设计的铺层方案是均衡对称的铺层方案，具体的铺层层数、铺层角度和铺层比例要根据需要实现的指标进行设计；在步骤四中所述的纤维布的纤维是碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维或植物纤维；在步骤一中所述的定型剂是一种高分子材料，需要与用于制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的树脂有好的相容性，通过在纤维布层间施加少量的定型剂起到定型作用，使纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体具有一定的整体性；由于纤维增强树脂基复合材料翼盒由左C形梁、上蒙皮、右C形梁、下蒙皮、内部矩形盒梁和三角区组成，在制备纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体时需要先分别制备左C型梁、上蒙皮、右C型梁、下蒙皮、内部矩形盒梁和三角区的纤维预成型体，之后再它们组装起来，最终得到纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体；

步骤五、将制备好的纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体放入模具内，然后定位合模：

步骤六、抽真空，当真空度达到要求-0.1时，开始将模具内注入树脂填充纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体的间隙，待树脂填充满纤维增强树脂基复合材料翼盒的纤维预成型体的间隙之后，按照树脂的固化工艺规程进行升温固化；

其中，在步骤六中所述的树脂是环氧树脂、聚酰亚胺、热塑性聚氨酯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚芳醚酮或聚乙烯醇；在步骤六中所述的固化工艺规程是指对树脂在整个固化过程中相关工艺参数的规定，每种型号的树脂都对应有与之相匹配的固化工艺规程；对于RTM整体成型工艺，向模具内注入树脂的压力控制在0.5MPa以上；

步骤七、固化完毕后，将模具冷却至室温，之后打开模具，取出已经固化成型的纤维增强树脂基复合材料翼盒，此时纤维增强树脂基复合材料翼盒的内腔里仍带有中央水溶性型芯；

步骤八、用水将中央水溶性型芯从纤维增强树脂基复合材料翼盒的内腔里溶解出后，最终得到纤维增强树脂基复合材料翼盒。