CN113771388B - 一种异形复合材料增强网格筋的成型方法及其异形蒙皮舱段 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料成型工艺技术领域，具体涉及一种异形复合材料增强网格筋的成型方法及其异形蒙皮舱段，成型方法包括：步骤1：取芯模和外表面设有环向的筋槽和纵向的筋槽的分瓣模；步骤2：在分瓣模外表面铺覆碳纤维织物；步骤3：取与筋槽等宽的一层或多层由碳纤维预浸料制成的筋条对分瓣模进行环向、纵向的交错循环铺层，并在铺层厚度增加预设数值时，进行一次吸胶预压实处理；步骤4：重复步骤3，直至达到预期厚度；在网格筋表面铺设蒙皮进行固化处理；步骤5：拆除芯模和分瓣模，得到异形复合材料增强网格筋。上述方法通过复合材料替代金属材料，不仅发挥复合材料轻质高强、抗疲劳特征，还降低了运营成本，提高了产品的使用周期。

Description

一种异形复合材料增强网格筋的成型方法及其异形蒙皮舱段

技术领域

本发明属于复合材料成型工艺技术领域，具体涉及一种异形复合材料增强网格筋的成型方法及其异形蒙皮舱段。

背景技术

随着我国航空工业的蓬勃发展，为进一步应对外太空复杂的载荷工况，使具有尺寸较大、结构异形特点的产品如运载火箭整流罩、战略导弹头罩以及各种飞行器的过渡段、舱段等，在满足整体结构强度的同时，实现轻量化的目的，是我国现阶段发展的主要方向。根据其使用工况下的载荷分布情况，将金属材料的飞行器舱段、过渡段，优化设计成了质量更轻且更具承载优势的网格筋结构，但与此同时其整体结构的加工复杂性与加工成本也相应成倍增加了。金属材料先天具有对材料内部缺陷及加工缺陷较为敏感的特点，在生产、制备过程中出现的各种微小缺陷若未及时发现，极易对整体结构造成灾难性的破坏；这也迫使人们对具有轻质高强、耐腐蚀、易成型特点的先进树脂基复合材料更加青睐。

中国专利CN108162430A公开了一种异形复合材料网格蒙皮舱段成型方法，并具体公开了如下步骤：步骤(一)、制作异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具；步骤(二)、在环向筋条深槽区域铺制碳布预浸料；步骤(三)、缠绕碳纤维预浸丝，对环向筋条深槽区域进行填充；步骤(四)、缠绕碳纤维预浸丝，碳纤维预浸料铺层；步骤(五)、第一次抽真空吸胶处理；步骤(六)、碳纤维预浸料铺层，进行第二次抽真空吸胶处理；步骤(七)、缠绕碳纤维预浸丝，碳纤维预浸料铺层抽真空固化处理；步骤(八)、拆除模具，得到异型网格碳纤维预浸料舱段。

但是上述方法具有以下问题：1)制备工艺主要为缠绕成型，缠绕成型方法因可以对缠绕张力进行控制进而对结构外侧面为正曲率的产品有一定优势，而该舱段结构整体包含40％-50％的负曲率面积，因此该工艺无法对产品质量进行控制。2)所采用的抽真空吸胶工艺无法对筋槽内的复合材料形成有效的压实效果，进而失去了对网格筋成型质量的有效控制。

因此，针对以上不足，本发明急需提供一种异形复合材料增强网格筋的成型方法及其异形蒙皮舱段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种异形复合材料增强网格筋的成型方法及其异形蒙皮舱段，以解决现有技术中加工方法无法保证复合材料增强网格筋质量稳定的问题。

本发明提供的异形复合材料增强网格筋的成型方法，包括如下步骤：步骤1：取异形复合材料增强网格筋的成型模具，所述成型模具包括芯模和分瓣模；所述分瓣模固定于所述芯模的外侧，且外表面沿水平方向设有环形的筋槽，沿竖直方向设有纵向的筋槽；步骤2：取块状碳纤维织物，并随形铺覆到所述的分瓣模的外表面，且所述碳纤维织物上下两侧均翻至分瓣模外侧；步骤3：取与分瓣模筋槽等宽的一层或多层由碳纤维预浸料制成的筋条对分瓣模进行环向、纵向的交错循环铺层，并在铺层厚度增加预设数值时，对铺层进行一次吸胶预压实处理；步骤4：重复步骤3，直至总铺层厚度达到预期厚度；在网格筋表面铺设蒙皮并采用热压罐工艺进行固化处理；步骤5：对于步骤4所得固化后的模具，依次拆除芯模和分瓣模，得到异形复合材料增强网格筋。

如上所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法，进一步优选为，步骤1中，所述芯模呈三角锥台状，沿高度方向，所述芯模上设有第一凸台和第二凸台，所述第一凸台位于上方，且上表面设有凹槽，所述第二凸台的上表面为平面；所述分瓣模纵向分瓣，且每瓣模具的背面均设有定位销和接触台，所述定位销与所述凹槽适配，所述接触台与所述第二凸台适配。

如上所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法，进一步优选为，步骤1中，所述筋槽的截面呈内窄外宽的梯形，且梯形两腰长与底边的倾斜角度为3-6°。

如上所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法，进一步优选为，所述分瓣模的环向筋槽和纵向筋槽的交错节点的四个角处设有倒角，所述倒角的半径采用如下公式计算：

其中，x为环向筋槽宽度；y为纵向筋槽宽度；R为圆角半径。

如上所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法，进一步优选为，步骤3中，交错循环铺层时，筋槽交叉位置处，纵向筋条铺层的断开率比环向筋条铺层断开率低10-20％；整体铺层的内表面和外表面的纤维连续铺层率均为8％-12％。

如上所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法，进一步优选为，步骤3中，铺层厚度增加2-4mm时，对铺层进行一次吸胶预压实处理，吸胶预压实处理具体包括：取截面为梯形的硅橡胶条对分瓣模的筋槽进行填塞，并对硅橡胶条施加预压实作用力；所述硅橡胶条中梯形截面的倾斜度和宽度均与所述筋槽相同，且填塞后，所述硅橡胶条高于所述分瓣模上表面2-4mm。

如上所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法，进一步优选为，所述预压实作用力由下列公式计算得到：

其中，P为预压实压力，单位Pa；ΔL为预压实中橡胶条厚度方向形变，单位m；L为橡胶条厚度，单位m；E为橡胶弹性模量。

如上所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法，进一步优选为，步骤4中，所述热压罐工艺中，固化温度为150℃-180℃，压力0.6MPa-1MPa，固化时长6h-12h。

如上所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法，进一步优选为，步骤3中，纵向铺层中，所述碳纤维预浸料的端部延伸至舱段端框处，且延伸长度不小于80mm。

本发明还公开的一种异形蒙皮舱段，包括上述任意一项所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法所制成的异形复合材料增强网格筋。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

本发明公开了异形复合材料增强网格筋的成型方法，包括如下步骤：步骤1：取异形复合材料增强网格筋的成型模具，所述成型模具包括芯模和分瓣模；所述分瓣模固定于所述芯模的外侧，且外表面沿水平方向设有环形的筋槽，沿竖直方向设有纵向的筋槽；步骤2：取块状碳纤维织物，并随形铺覆到所述的分瓣模的外表面，且所述碳纤维织物上下两侧均翻至分瓣模外侧；步骤3：取与分瓣模筋槽等宽的一层或多层由碳纤维预浸料制成的筋条对分瓣模进行环向、纵向的交错循环铺层，并在铺层厚度增加预设数值时，对铺层进行一次吸胶预压实处理；步骤4：重复步骤3，直至总铺层厚度达到预期厚度；在网格筋表面铺设蒙皮并采用热压罐工艺进行固化处理；步骤5：对于步骤4所得固化后的模具，依次拆除芯模和分瓣模，得到异形复合材料增强网格筋。通过上述方法，可成功的实现舱段由复合材料对金属材料的完美替代，在充分发挥复合材料轻质高强、抗疲劳的特征的同时，降低了运营成本，提高了产品的使用周期；此外，该方法还解决了复合材料仅在具有规则结构形状的产品上使用的情况，推动了复合材料行业的发展、应用。

本发明所采用的网格筋的铺层方式为手动铺层，不仅使碳纤维预浸料能够与分瓣模中正曲率部分紧密贴合，还能够与分瓣模中负曲率部分进行贴合，能够保证产品的成型质量。

本发明中采用截面为梯形且倾斜度、宽度与筋槽相同且高度比筋槽高2-4mm的硅橡胶条分瓣模的筋槽进行填塞，并通过向硅橡胶条施加预压实作用力使其外表面与分瓣模外表面平齐，即利用硅橡胶条的膨胀对铺层进行预压实，进而实现对铺层厚度的精准控制，既能避免尺寸过大即高出模具表面过多，易造成在真空加压中硅橡胶被压偏，加压压力无法准确传递；尺寸过小即硅橡胶陷于网格筋筋槽内部，真空加压中无法将全部压力施加到硅橡胶上。本发明中还通过铺层断开率和连续铺层率的控制，保证网格筋受力方向及作用面上的强度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中网格筋舱段的立体结构；

图2为本发明中成型模具中芯模的主视图；

图3为本发明中成型模具中芯模与分瓣模的装配示意图；

图4为图3中A部分的结构放大图；

图5为本发明中分薄膜中硅橡胶条的预压示意图。

附图标记说明：

1-网格筋，2-异形蒙皮舱段，3-芯模，4-第一凸台，5-第二凸台，6-凹槽，7-定位孔，8-分瓣模，9-定位销，10-上均压板，11-下均压板，12-硅橡胶条，13-筋槽。

具体实施方式

如图1-5所示，本实施例公开的异形复合材料增强网格筋的成型方法，包括如下步骤：

步骤1：取异形复合材料增强网格筋1的成型模具，所述成型模具包括芯模3和分瓣模8；所述分瓣模8固定于所述芯模3的外侧，且外表面沿水平方向设有环形的筋槽13，沿竖直方向设有纵向的筋槽13；

步骤2：取块状碳纤维织物，并随型铺覆到步骤1中所述的分瓣模的外表面，且所述碳纤维织物上下两侧均延伸至分瓣模上下端框处；

步骤3：取与分瓣模8筋槽13等宽的一层或多层由碳纤维预浸料制成的筋条对分瓣模8进行环向、纵向的交错循环铺层，并在铺层厚度增加预设数值时，对铺层进行一次吸胶预压实处理；

步骤4：重复步骤3，直至总铺层厚度达到预期厚度；在网格筋1表面铺设蒙皮并采用热压罐工艺进行固化处理；

步骤5：对于步骤4所得固化后的模具，依次拆除芯模3和分瓣模8，得到异形复合材料增强网格筋1。

上述方法中成型模具用于具有型腔的壳结构的成型，具体的，成型阶段，芯模3为分瓣模8提供支撑，使结构成型于分瓣模8的外表面，分模阶段，芯模3从分瓣模8的内部拆除，使分瓣模8能够向内移动，进而与成型的结构脱离。

具体的，步骤1的所述成型模具中，所述芯模3主要采用金属钢材料制成，所述分瓣模8主要采用铝合金材料制成，适于利用金属钢材料的大刚度、低热膨胀的特点，以控制外侧分瓣模8的连接精度和产品制备过程中的尺寸精度。

进一步的，如图2-5所示，为了实现芯模3与分瓣模8之间的支撑和分离，所述芯模3呈三角锥台状，沿高度方向，所述芯模3上设有第一凸台4和第二凸台5，所述第一凸台4位于上方，且上表面设有凹槽6，所述第二凸台5的上表面为平面；所述分瓣模8纵向分瓣，且每瓣模具的背面均设有定位销9和接触台，所述定位销9与所述凹槽6适配，所述接触台与所述第二凸台5适配。成型阶段，所述芯模3固定安装，多个所述分瓣模8依次围设于所述芯模3的外侧并拼合完整，具体的，所述分瓣模8通过接触台与第二凸台5的适配放置于所述芯模3上，进而实现轴向支撑，同时还通过定位销9与所述凹槽6的适配固定于所述芯模3上，继而实现轴向和周向定位。优选的，为了提高连接强度，所述芯模3的上下两端的外周均布设有多个定位孔7，适于与分瓣模8定位连接。

进一步的，所述分瓣模8中的所述筋槽13的截面呈内窄外宽的梯形，且梯形两腰长与底边的倾斜角度为3-6°。

进一步的，所述分瓣模8的环向筋槽13和纵向筋槽13的交错节点的四个角处设有倒角，所述倒角的半径采用如下公式计算：

其中，x为环向筋槽13宽度；y为纵向筋槽13宽度；R为圆角半径。

此外，所述成型模具还包括上均压板10和下均压板11，上均压板10和下均压板11分别于分瓣模合模后的上下端面形状相同，用于上下端面的接触均压。此外，所述上均压板10和所述下均压板11均为多套，多套所述上均压板10和下均压板11的均压部厚度不同，吸胶预压实过程中，所述上均压板10和下均压板11随铺层厚度增加同步增加，具体的，铺层厚度每增加3-5mm，均压板宽度增加3-5mm。

所述成型模具通过上述结构的设置，使制备过程中通过多次吸胶预压实可对网格筋1厚度加以控制，在保证产品尺寸的同时，减少了外阴模的设计加工；芯模3设计为三角锥台结构，利于固化成型后的脱模工作，上下两层凸台设计，方便了分瓣模8的定位安装工作；上下均压板11根据铺层厚度做调整，利于对产品端框位置的外形尺寸控制。

具体的，步骤2中，碳纤维织物可以条状，并通过填塞工具采用环向铺覆、纵向铺覆的方式覆盖分瓣模的整个外表面，且铺覆过程中，环向的碳纤维织物与纵向的碳纤维织物搭接，以提高其连接强度。

进一步的，步骤3中，交错循环铺层时，筋槽13交叉位置处，纵向筋条铺层的断开率比环向筋条铺层断开率低10-20％；整体铺层的内表面和外表面的纤维连续铺层率均为8％-12％。

铺层分为纵向、环向两种，并且进行交叉铺层，为防止交叉位置纤维堆叠，采用环、纵按一定比例在交叉位置断开的方式，设总铺层层数为a，环向铺层层数为a/2，其中环向在交叉位置断开的铺层层数为b，则环向铺层断开率为b/a×100％；其次为了保证结构轴压承载性能，在产品的内表面与外表面多采用纤维连续铺层，环形、纵向在交叉点位置的连续铺层率在8％-12％之间，即环、纵在内外表面连续铺层总层数为(8％-12％)*a。

具体的，成型阶段，首先在分瓣模8上进行表面清洁与脱模剂涂抹，完成铺层前处理工作；然后采用碳纤维织物在网格筋1槽与模具表面进行一层打底铺设，以提高网格筋1的整体承载性能。网格筋1位置铺层采用等筋槽13宽度的一层或多层单向碳纤维预浸料进行环向、纵向的交错循环铺层；铺层厚度每2-4mm，进行一次吸胶、预压实，以控制产品内部缺陷，提高结构性能。根据筋槽13总深度确定吸胶、预压实次数，根据碳纤维预浸布的温度-粘度曲线控制吸胶温度。

进一步，根据结构舱段使用过程中的载荷受力情况，对其复合材料网格筋1铺层进行优化设计；由于结构舱段整体主要承受轴向压缩载荷，复合材料结构的受压强度要低于受拉强度，因此受压部位要有更好的纤维连续性；结构舱段外侧(此处外侧指的是整体结构的内外表面)承受的载荷要大于内侧(此处内侧指的是筋槽铺层中间层位置)，因此要优先保证结构舱段外侧纤维的连续性。其次，考虑到网格筋1交叉位置的平整性，网格筋1交叉位置按照一定的铺层断开率进行铺层设计；考虑结构舱段的承载性能，优先考虑纵向网格筋1的连续性，整体纵向筋条铺层的断开率低于环向筋条铺层10％-20％；网格筋1位置的整体铺层保证内、外侧表面8％-12％的纤维连续铺层。

进一步，为保证结构舱段网格筋1位置载荷的有效承载、传递，碳纤维增强复合材料筋条铺层过程中，筋条按照一定的比例延伸到结构舱段上下端框位置，采用搭接的铺层方式进行筋条铺层，与舱段端框搭接长度不少于80mm，应避开上舱段开孔区域；为避免纤维堆积，搭接位置纤维可采用散状形式；其搭接规律遵循环向、纵向筋条纤维连续性的原则，即每采用连续纤维进行网格筋1铺层进行一次网格筋1条搭接铺层。

进一步的，步骤3中，铺层厚度增加2-4mm时，对铺层进行一次吸胶预压实处理。预压实处理具体包括：取截面为梯形的硅橡胶条12对分瓣模8的筋槽13进行填塞，并对硅橡胶条12施加预压实作用力；所述硅橡胶条12中梯形截面的倾斜度和宽度均与所述筋槽13相同，且填塞后，所述硅橡胶条12高于所述分瓣模8上表面2-4mm。

具体的，吸胶预压实处理包括吸胶处理和预压实处理，具体的，需要先在筋槽13中填塞硅橡胶条12，再在硅橡胶条12的外侧，即分瓣阳模的外表面整体包裹吸胶材料和密封袋，然后一边对密封袋进行抽真空处理，一边在密封袋外侧向硅橡胶条12施加预压实作用力，直至硅橡胶条12的外表面与分瓣模8的外表面平齐。

上述过程中，主要利用硅橡胶条12的热膨胀量对网格筋1进行预压实，为保证预压实效果和吸胶效果，所述硅橡胶条12的热膨胀率α≥2.0E-5/℃；吸胶材料选用饱和吸胶量≤15％的尼龙脱模布。

进一步，复合材料产品结构中纤维体分比大小决定着其结构承载性能的强弱，在保证产品不出现贫胶的情况下，优先考虑复合材料的纤维体分比。而在吸胶、预压实过程中预压实压力大小影响着树脂的流动速率，在规定的吸胶温度与时长内，确保树脂的排出比率。保证吸胶结束后产品的含胶量处于28％-32％，其中，所述预压实作用力由下列公式计算得到：

其中，P为预压实压力，单位Pa；ΔL为预压实中橡胶条厚度方向形变，单位m；L为橡胶条厚度，单位m；E为橡胶弹性模量。

进一步的，步骤4中，所述热压罐工艺中，固化温度为150℃-180℃，压力0.6MPa-1MPa，固化时长6h-12h。

进一步的，本实施例还公开了一种异形蒙皮舱段2，包括上述任意一项所述的异形复合材料增强网格筋1的成型方法所制成的异形复合材料增强网格筋1。

通过上述铺层工艺方法可完美实现大型、异形结构复合材料网格筋1的结构生产、制备，将其应用于航天器过渡段、舱段等结构产品中，可充分发挥复合材料轻质高强、抗疲劳耐腐蚀等优点，解决了对微小缺陷敏感度高的传统金属材料加工网格筋结构，导致的加工成本高的问题，同时降低了整体的运营成本高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种异形复合材料增强网格筋的成型方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：取异形复合材料增强网格筋的成型模具，所述成型模具包括芯模和分瓣模；所述分瓣模固定于所述芯模的外侧，且外表面沿水平方向设有环向的筋槽，沿竖直方向设有纵向的筋槽；

步骤2：取块状碳纤维织物，并随形铺覆到所述的分瓣模的外表面，且所述碳纤维织物上下两端均延伸至分瓣模上下端框处；

步骤3：取与分瓣模筋槽等宽的一层或多层由碳纤维预浸料制成的筋条对分瓣模进行环向、纵向的交错循环铺层，并在铺层厚度增加预设数值时，对铺层进行一次吸胶预压实处理；

步骤4：重复步骤3，直至总铺层厚度达到预期厚度；在网格筋表面铺设蒙皮并采用热压罐工艺进行固化处理；

步骤5：对于步骤4所得固化后的模具，依次拆除芯模和分瓣模，得到异形复合材料增强网格筋；步骤1中，所述芯模呈三角锥台状，沿高度方向，所述芯模上设有第一凸台和第二凸台，所述第一凸台位于上方，且上表面设有凹槽，所述第二凸台的上表面为平面；所述分瓣模纵向分瓣，且每瓣模具的背面均设有定位销和接触台，所述定位销与所述凹槽适配，所述接触台与所述第二凸台适配。

2.根据权利要求1所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法，其特征在于，步骤1中，所述筋槽的截面呈内窄外宽的梯形，且梯形两腰长与底边的倾斜角度为3-6°。

3.根据权利要求2所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法，其特征在于，所述分瓣模的环向筋槽和纵向筋槽的交错节点的四个角处设有倒角，所述倒角的半径采用如下公式计算：

其中，x为环向筋槽宽度；y为纵向筋槽宽度；R为圆角半径。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法，其特征在于，步骤3中，交错循环铺层时，筋槽交叉位置处，纵向筋条铺层的断开率比环向筋条铺层断开率低10-20％；整体铺层的内表面和外表面的纤维连续铺层率均为8％-12％。

5.根据权利要求4所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法，其特征在于，步骤3中，铺层厚度增加2-4mm时，对铺层进行一次吸胶预压实处理；预压实处理具体包括：取截面为梯形的硅橡胶条对分瓣模的筋槽进行填塞，并对硅橡胶条施加预压实作用力；所述硅橡胶条中梯形截面的倾斜度和宽度均与所述筋槽相同，且填塞后，所述硅橡胶条高于所述分瓣模上表面2-4mm。

6.根据权利要求5所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法，其特征在于，所述预压实作用力由下列公式计算得到：

其中，P为预压实压力，单位Pa；ΔL为预压实中橡胶条厚度方向形变，单位m；L为橡胶条厚度，单位m；E为橡胶弹性模量。

7.根据权利要求6所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法，其特征在于，步骤4中，所述热压罐工艺中，固化温度为150℃-180℃，压力0.6MPa-1MPa，固化时长6h-12h。

8.根据权利要求7所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法，其特征在于，步骤3中，纵向铺层中，所述筋条的端部延伸至分瓣模的上下端框处，且延伸长度不小于80mm。

9.一种异形蒙皮舱段，其特征在于，包括权利要求1-8中任意一项所述的异形复合材料增强网格筋的成型方法所制成的异形复合材料增强网格筋。

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