CN104608915A - 多层格栅承力筒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层格栅承力筒及制备方法。该多层格栅承力筒是由至少两个单层格栅筒嵌套而成，相邻的单层格栅筒的网格疏密程度不同。复合材料多层格栅承力筒的制备方法包括制作浇铸软模的木模、制作硅橡胶软模、装配模具、软模辅助缠绕、真空袋压成型、脱模和后处理，整体成型多层格栅承力筒；或者先按前述步骤制备单层格栅筒，再组装成多层格栅承力筒。金属或工程塑料多层格栅承力筒的制备方法包括制备单层格栅筒拆分部件的浇铸模具、熔融浇铸、焊接，再组装成多层格栅承力筒；或者采用3D打印技术一次成型。该多层格栅承力筒具有结构稳定性好、质量轻、力学性能高、不易发生结构整体屈曲失稳的特点，制备方法简单易行，成本低廉。

Description

多层格栅承力筒及其制备方法

技术领域

本发明属于承力结构设计领域，涉及超轻质材料格栅类结构设计，具体涉及一种多层格栅承力筒及其制备方法。

背景技术

结构件的高性能化和轻量化技术已成为当今航空航天领域的研究热点。为了使火箭、导弹、飞机等飞行器具备优良的使用性能，如射程远、速度快、机动性强等，这些飞行器的构件轻量化成为一个重要的发展趋势。结构轻量化的重要技术措施包括采用承载效率高的结构构型和实现箭体、弹体、舱体等结构的复合材料化。在以往的设计中，铝合金由于优异的性能常被选为制造飞行器结构的首选材料。采用轻质、高强的先进复合材料结构（如格栅等）替代铝合金壳段，可大幅减少惰性质量、实现结构超轻量化。

格栅结构自上世纪七十年代以来发展迅速，与传统材料相比，格栅结构有很多突出的优势：受力时其肋板主要承受轴向拉压作用，结构承载力相对较高；相对密度小，具有优异的比强度和比刚度；其结构抗屈曲能力强，尤其是多级格栅，自稳定性高；孔隙比较大，具有开放的空间构型，便于结构的多功能设计，比如填放隔热材料以制造绝热板或者填放电磁波吸收泡沫以形成雷达吸波结构等；有很高的机械能吸收效率，固有的多孔特性使其在冲击载荷作用下，能够发生较大的塑性变形，从而有效地消耗冲击能量，体现出远优于实体板的吸能性能；另外，通过智能材料进行控制，能够实现主动变形，从而具备致动能力。由于具备这些优良的特性，格栅已被成功应用于航空航天领域的多个方面，如火箭承力筒、航天器机身、火箭级间段、直升机尾翼等。

复合材料格栅结构结合了格栅结构的构型优势和复合材料高性能的优势，承载效率更高，已成为目前超轻质结构材料的研究热点之一。采用碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料制备格栅圆柱壳，可以充分发挥CFRP复合材料高比强度和高比模量的特点：通过优化设计，可以使单向碳纤维增强聚合物复合材料沿载荷传递路径布置，不受力或受力较小的部分少布置甚至不布置材料；同时，通过设计可使复合材料格栅结构的加强肋主要只承受拉-压载荷，整个结构成为拉伸主导型结构（SDS），单向碳纤维增强复合材料沿纤维方向的力学性能优势得以充分发挥，从而减少材料用量，达到减重的目的。此外，格栅结构在设计上具有很强的灵活性，它的空间开放构型使得结构可以进行多功能设计。

但是，包括格栅筒在内的大尺寸筒体结构由于筒壁相对较薄而易发生结构整体屈曲失稳，如何增强稳定性是大型筒体结构设计的关键问题。增加壁厚虽然会提高结构整体稳定性，但会导致结构重量大幅度增加，所以保证结构重量的前提下提高筒体结构的稳定性是现今的一个技术难点。大型铝合金壳段设计中，往往需要在壳段中每间隔40cm～50cm设置中间框，以提高壳段的抗失稳能力，但是这种中间框设计增加了赘重。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构稳定性强、力学性能高、不易发生结构整体屈曲失稳、可实现结构轻量化的多层格栅承力筒及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：

一种多层格栅承力筒，所述多层格栅承力筒是由至少两个单层格栅筒嵌套而成，相邻所述单层格栅筒的网格疏密程度不同。

上述的多层格栅承力筒中，优选的，所述多层格栅承力筒中，单层格栅筒网格的疏密程度由内至外逐层递增或递减，所述单层格栅筒为圆柱筒或圆锥筒。该结构设计可以增大相邻单层格栅筒之间的界面面积。

上述的多层格栅承力筒中，优选的，所述单层格栅筒中，所述网格是由两种或两种以上不同取向的肋条交叉构成，每种取向的肋条至少有两根，所述肋条与单层格栅筒筒体周线的夹角为θ，且0°≤θ＜180°。

上述的多层格栅承力筒中，优选的，所述单层格栅筒的肋条厚度T为3mm～25mm，肋条宽度B为5mm～20mm，同一取向的相邻肋条间距a为30mm～300mm。

上述的多层格栅承力筒，优选的，所述单层格栅筒的单元网格构型包括菱形、方形、六边形、Kagome形、三角形或米字形。

上述的多层格栅承力筒，优选的，所述单层格栅筒是由单向连续纤维增强树脂基复合材料构成；在所述单向连续纤维增强树脂基复合材料中，增强纤维包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维中的一种或多种，树脂基体包括环氧树脂、聚酯树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂和乙烯基树脂中的一种或多种。

上述的多层格栅承力筒，优选的，所述单层格栅筒是由各向同性材料制成，所述各向同性材料包括金属材料或工程塑料，所述金属材料包括铝合金、镁合金、钛合金和结构钢中的一种或多种，所述工程塑料包括聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（即ABS）和聚氯乙烯（即PVC）中的一种或多种。工程塑料多为通用塑料或特种塑料。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的多层格栅承力筒（由复合材料构成）的制备方法，包括以下方法一（整体成型法）或方法二（分步成型法）的步骤：

方法一：

（1）制作浇铸软模的木模：根据所述多层格栅承力筒的结构和尺寸设计并制作用于硅橡胶软模成型的木模，然后对木模的工作表面进行清理并涂刷硅油；

（2）制作硅橡胶软模：配制硅橡胶胶料并进行真空脱气泡处理，然后将硅橡胶胶料浇注于木模中，经硫化、固化成型和脱模后，得到硅橡胶软模；

（3）装配模具：将硅橡胶软模与缠绕芯模进行装配，硅橡胶软模包覆于缠绕芯模的外围，得到所述多层格栅承力筒的整体成型模具，即硅橡胶软模/缠绕芯模组合模具；

（4）软模辅助缠绕：将上述多层格栅承力筒的整体成型模具中的硅橡胶软模表面进行清理并涂覆脱模剂，然后将增强纤维束浸渍预先配制的树脂胶液后通过连续缠绕方式铺放于硅橡胶软模的凹槽中，直至达到设计的多层格栅肋条厚度，形成多层格栅结构整体纤维浸渍预成型体；

（5）真空袋压成型：在带有多层格栅结构整体纤维浸渍预成型体的硅橡胶软模/缠绕芯模组合模具上依次包覆脱模布、透气毡和真空袋，密封并设置好注胶口和抽气口，组装成真空袋压成型系统，采用真空泵抽真空，然后将真空袋压下的组合模具置于烘箱中加热固化成型；

（6）脱模和后处理：固化成型后，经脱模和后处理，得到复合材料多层格栅承力筒。

方法二：

（1）制作浇铸软模的木模：根据所述单层格栅承力筒的结构和尺寸设计并制作用于硅橡胶软模成型的木模，然后对木模的工作表面进行清理并涂刷硅油；

（2）制作硅橡胶软模：配制硅橡胶胶料并进行真空脱气泡处理，然后将硅橡胶胶料浇注于木模中，经硫化、固化成型和脱模后，得到硅橡胶软模；

（3）装配模具：将硅橡胶软模与缠绕芯模进行装配，硅橡胶软模包覆于缠绕芯模的外围，得到所述单层格栅承力筒的整体成型模具；

（4）软模辅助缠绕：将上述单层格栅承力筒的整体成型模具中的硅橡胶软模表面进行清理并涂覆脱模剂，然后将增强纤维束浸渍预先配制的树脂胶液后通过连续缠绕方式铺放于硅橡胶软模的凹槽中，直至达到设计的单层格栅肋条厚度，形成单层格栅结构纤维浸渍预成型体；

（5）真空袋压成型：在带有单层格栅结构纤维浸渍预成型体的硅橡胶软模/缠绕芯模组合模具上依次包覆脱模布、透气毡和真空袋，密封并设置好注胶口和抽气口，组装成真空袋压成型系统，采用真空泵抽真空，然后将真空袋压下的组合模具置于烘箱中加热固化成型；

（6）脱模和后处理：固化成型后，经脱模和后处理，得到复合材料单层格栅承力筒；

（7）重复步骤（1）～步骤（6）的过程，制备具有不同单元网格构型的复合材料单层格栅筒；

（8）将上述制备的各单层复合材料格栅筒按照预设的嵌套方式进行组装，得到复合材料多层格栅承力筒。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤（2）中，所述硅橡胶胶料的浇铸温度为25℃～35℃，所述硫化机制为：先在30℃硫化24h，然后在90℃硫化1h。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的多层格栅承力筒（由金属材料或工程塑料等各向同性材料构成）的制备方法，包括以下方法一（分步成型法）或方法二（整体成型法）的步骤：

方法一：

（1）设计并制备单层格栅承力筒拆分部件的浇铸模具（如沿圆柱（锥）筒轴向拆分，可将圆柱（锥）筒拆分成两个半圆柱（锥）面，便于浇铸成型）；

（2）采用金属材料或工程塑料进行上述拆分部件的熔融浇铸，凝固后脱模，并进行后处理；

（3）采用焊接或胶接工艺将步骤（2）得到的拆分部件组装成整体单层格栅承力筒；

（4）重复上述步骤（1）～（3），根据所述多层格栅承力筒的结构和尺寸要求制备具有不同单元网格构型的单层格栅筒；

（5）采用焊接或胶接工艺，将各单层格栅承力筒进行组装，得到多层格栅承力筒。

方法二：

采用金属材料或工程塑料的3D打印技术整体成型所述多层格栅承力筒。

本发明的多层格栅承力筒中，单层格栅筒由两种或两种以上不同取向的肋条交叉构成，设单层格栅筒的圆柱（锥）侧面内肋条与该圆柱（锥）周线平行的称为环向肋条，与该圆柱（锥）周线垂直的称为纵向肋条，其它取向的肋条称为螺旋向肋条。

本发明的多层格栅承力筒的内径通常≥1000mm。

本发明的复合材料多层格栅筒制备方法中，树脂胶液是通过将树脂、固化剂和溶剂混合均匀配制得到，具体材料和配比是由选定的树脂体系来决定的，采用的均为常规方法。

本发明的复合材料多层格栅筒制备方法中，步骤（5）中，整个固化成型过程在真空袋压下进行，按照选定树脂体系的常规固化制度进行固化成型。

为了克服常规大尺寸格栅承力筒在轴压下易发生结构整体屈曲失稳的缺点，本发明提出一种新型多层格栅承力结构，用于设计飞机机身、火箭箱间段和级间段等大尺寸圆筒结构，以增强其结构稳定性、提高其力学性能，进而达到结构轻量化的目的。通过类似设计也可得到多层格栅板、壳等结构；该多层结构构型的制备材料既可以为金属材料，也可以为复合材料；当采用复合材料制备时可以实现结构的超轻质化。

该多层格栅承力筒结构由单元网格疏密不同的多层格栅筒结构嵌套而成，即采用格栅增强格栅的方式提高结构整体稳定性，从而减去了中间框等赘重，提高了承载效率；在工程应用中，可根据实际需要在多层格栅筒的外表面覆以蒙皮。多层格栅承力筒结构可由两层或两层以上的厚度不等、网格疏密不同的格栅组成。其最简单的结构构型由内外两层格栅组成，其中网格稀疏的格栅层可看作增强筋对网格密集的格栅层进行增强。当外层格栅的网格较稀疏时，该圆筒可看作外增强筋结构；当内层格栅的网格较稀疏时，该圆筒可看作内增强筋结构。在工程中可根据实际需要在多层格栅筒的外表面覆以蒙皮，为了方便与结构外蒙皮的连接及增强外蒙皮的屈曲稳定性，最外层格栅应采用网格较密集的结构，而其他各层根据受力需求采用网格较稀疏或较密集的格栅结构。多层结构的采用既可以提高结构的整体稳定性，保证了结构的承载性能，同时减少了材料用量，从而达到结构轻量化的目的。采用单向连续纤维成型该多层格栅筒状结构，可充分发挥复合材料密度低、纤维方向力学性能高以及格栅结构承载效率高的综合优势，实现大型结构的超轻质设计。

格栅单元构型可以为菱形、方形、六边形、Kagome构型、三角形等，不同单元构型格栅结构的力学性能也有很大不同。在多层格栅承力筒结构中，每层格栅构型的选择可从荷载和工艺两方面考虑。根据结构实际所处的力学环境选择恰当的网格单元构型，通过调节不同格栅层的肋条宽度、厚度、长度、角度等参数来调节其力学的各向异性，从而使材料的性能在具体力学环境中得到充分发挥。在轴压载荷条件下，不同格栅层变形协调、共同承力，从而使整体结构屈曲稳定性大幅度增强。为了减轻多层格栅筒结构的整体质量，相邻格栅层之间需要良好的连接。因此，相邻格栅层应采用同种或相似的格栅构型以尽量增大两层格栅肋条之间的接触面，并保证界面的力学性能，以使结构在承力时相邻格栅层间可以实现变形协调。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的多层格栅承力筒将多个单层格栅筒进行嵌套组合，以格栅增强格栅的方式提高大尺寸结构整体稳定性，从而减去了中间框等赘重，提高了承载效率，形成力学性能更加优异、质量效率更高、具有更大中空空间的多层结构。不同格栅层相互作用、相互增强、共同承力，使整体结构在轴压载荷条件下的屈曲稳定性大幅度增强。多层格栅结构的采用，既提高了结构的整体稳定性，保证了结构的承载性能，同时减少了材料用量，从而达到减轻结构质量的目的。

2、本发明的多层格栅承力筒利用格栅增强格栅的理念使其在轴压下的抗失稳能力增强。承力筒在轴压下的屈曲破坏强度与筒厚度的二次方成正比，采用多层格栅作为筒体结构可在重量一定的前提下大幅度增加筒的有效厚度，从而使筒的抗屈曲失稳能力增强，并节约材料用量，实现大尺寸结构的轻量化，并可通过改变不同格栅层的肋条宽度、厚度、长度、取向角度等参数来改变整体结构的力学性能，使结构发挥最大的承载效率。

3、本发明中相邻的单层格栅承力筒的单元网格构型相同或相似，以保证相邻格栅层界面的连续性，增大层与层之间连接界面的面积，使之能够满足不同格栅层之间力传递的需求。不同格栅层通过界面连接成为一个整体，相互增强、共同承力，增大了筒的有效厚度和承载力。在制备筒结构时，不同格栅层采用相同或相似的网格构型可以使金属浇筑或纤维缠绕的模具得到简化，降低了制备工艺的难度。

4、本发明的多层格栅承力筒可采用单向连续纤维复合材料制得。在承载时，通过格栅点阵结构单元的拉压主导型构型设计，可以使筒中肋条主要承受拉力和压力的作用，而其剪力和弯曲作用可以忽略，充分发挥复合材料密度低、沿纤维方向力学性能高以及格栅结构承载效率高的综合优势，实现大型结构的超轻质设计。

5、本发明的多层格栅承力筒结构可采用连续纤维复合材料进行设计和制备，并可采用连续纤维缠绕工艺整体成型，与传统RTM工艺相比能大大缩短工艺周期，降低成本。多层格栅筒的纤维缠绕成型工艺与单层格栅筒的纤维缠绕成型工艺相似，采用软膜辅助缠绕结合真空袋压的整体成型工艺制得的筒结构整体性好，使得单向纤维复合材料的优势力学性能得以充分发挥，可实现大型结构的轻量化。

6、本发明的多层格栅承力筒结构可以应用于火箭的箱间段、级间段、航天器机身等大尺寸结构中，也可以应用于火车和汽车的车身结构中。可以预见，本发明的多层格栅筒结构具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1中多层格栅承力筒的立体结构示意图。

图2为本发明实施例1中多层格栅承力筒的俯视结构示意图。

图3为本发明实施例1中内层格栅筒的立体结构示意图，内层格栅筒为方形构型。

图4为本发明实施例1中外层格栅筒的立体结构示意图，外层格栅筒为米字形构型。

图5为本发明实施例1中内层格栅筒的局部立体结构示意图（也是几何参数示意图）。

图6为本发明实施例2中多层格栅承力筒的立体结构示意图。

图7为本发明实施例2中多层格栅承力筒的俯视结构示意图。

图8为本发明实施例2中内层格栅筒的立体结构示意图，内层格栅筒为菱形构型。

图9为本发明实施例2中中层格栅筒的立体结构示意图，中层格栅筒为Kagome构型。

图10为本发明实施例2中外层格栅筒的立体结构示意图，外层格栅筒为三角形构型。

图11为本发明实施例2中中层格栅筒的局部立体结构示意图（也是几何参数示意图）。

图12为本发明实施例3中多层格栅承力筒的立体结构示意图。

图13为本发明实施例3中多层格栅承力筒的俯视结构示意图。

图14为本发明实施例3中内层格栅筒的立体结构示意图，内层格栅筒为六边形构型。

图15为本发明实施例3中外层格栅筒的立体结构示意图，外层格栅筒为Kagome构型。

图例说明：

1、内层格栅筒；2、外层格栅筒；3、中层格栅筒。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1

一种本发明的多层格栅承力筒，具体为双层格栅承力筒，如图1～图4所示，该多层格栅承力筒是由内层格栅筒1和外层格栅筒2嵌套而成。内层格栅筒1的网格稀疏，外层格栅筒2的网格较密。

本实施例中，如图3和图5所示，内层格栅筒1的单元网格构型为方形。内层格栅筒1由环向肋条和纵向肋条交叉构成，在筒体的圆柱面内，环向肋条与筒体周线的夹角θ为0°，纵向肋条与筒体周线的夹角θ为90°。方形网格的内层格栅筒1共有6根环向肋条和20根纵向肋条，肋条横截面均为长方形，且采用相同截面尺寸，即单根肋条的肋条厚度T均为10mm，肋条宽度B均为5mm。环向肋条之间的间距a为157mm，纵向肋条之间的间距a为157mm。

本实施例中，如图4所示，外层格栅筒2的单元网格构型为米字形。外层格栅筒2由环向肋条、纵向肋条、第一螺旋向肋条和第二螺旋向肋条交叉构成，在筒体的圆柱面内，环向肋条与筒体周线的夹角θ为0°，第一螺旋向肋条与筒体周线的夹角θ为45°，第二螺旋向肋条与筒体周线的夹角θ为135°。米字形网格的外层格栅筒2共有11根环向肋条、40根纵向肋条、20根第一螺旋向肋条和20根第二螺旋向肋条，环向肋条、纵向肋条、第一螺旋向肋条和第二螺旋向肋条的横截面均为长方形，且采用相同截面尺寸，即所有肋条厚度T和肋条宽度B均为5mm。环向肋条之间的间距为79mm，纵向肋条之间的间距为79mm，第一螺旋向肋条之间的间距为111mm，第二螺旋向肋条之间的间距为111mm。

本实施例中，内层格栅筒1和外层格栅筒2的筒体材料均为单向连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料。

一种上述本实施例的多层格栅承力筒的制备方法，采用软膜辅助缠绕结合真空袋压的整体成型工艺，包括以下步骤：

（1）制作浇铸软模的木模：根据上述多层格栅承力筒的结构和尺寸设计并制作用于硅橡胶软模成型的木模，然后对木模的工作表面进行清理并涂刷硅油。

（2）制作硅橡胶软膜：对表面涂有硅油的木模进行预热，预热温度为30℃。根据软膜材料热膨胀力与温度的关系选定COCA31-1l加成型硫化有机硅模具胶为软模材料，先对胶液进行真空脱气泡处理，然后将胶液浇注于木模的各层之中，浇铸温度为30℃，再在木模顶端加盖板施压，采用30℃硫化24小时，90℃硫化1小时的两段硫化工艺，经固化成型并脱模后，得到多层格栅承力筒的硅橡胶软模。

（3）装配模具：将硅橡胶软模与钢质圆筒缠绕芯模进行装配，硅橡胶软模包覆于缠绕芯模的外围，得到多层格栅承力筒的整体成型模具，即硅橡胶软模/缠绕芯模组合模具。

（4）软模辅助缠绕：将上述整体成型模具中的硅橡胶软模采用丙酮进行清理，然后在硅橡胶软模的表面涂覆一层硅油作为脱模剂。将E-51环氧树脂、三氟化硼乙胺固化剂和丙酮按质量比100∶10∶20比例混合均匀，配制成树脂胶液。采用人工引导的连续缠绕方式将碳纤维束浸入树脂胶液后均匀地铺放于硅橡胶软模的凹槽中。缠绕完成后，得到多层格栅承力筒的整体纤维浸渍预成型体，保持缠绕机继续旋转，以防止流胶并促进丙酮的挥发。

（5）真空袋压成型：在带有整体纤维浸渍预成型体的硅橡胶软模/缠绕芯模组合模具上依次包覆脱模布、透气毡和真空袋，密封并设置好注胶口和抽气口，组装成真空袋压成型系统，采用真空泵抽真空，然后将真空袋压下的组合模具置于烘箱中加热固化成型，整个固化过程在真空袋压下进行，固化制度为70℃下固化6小时，然后升至85℃固化2小时。

（6）脱模及后处理：固化成型后，将该多层格栅承力筒结构从硅橡胶软模/缠绕芯模组合模具上脱除，打磨以清除飞边，得到结构坯品。根据设计要求，可在坯品上进行打孔、开槽等后加工处理，得到多层格栅承力筒制品，具体为双层格栅承力筒。

在实际应用时，可采用胶接方式将本发明的多层格栅承力筒与复合材料外蒙皮连接成整体结构。由于上述本实施例制备的多层格栅承力筒将网格密集的单层格栅筒置于最外侧，有助于增大格栅与外蒙皮的连接界面，增加蒙皮的稳定性，提高承力筒的整体性能。采用连续介质分析方法得出的轴压失稳载荷表明，与单层米字形格栅结构相比，该多层格栅结构单位质量的承载效率提高13.9%。

实施例2

一种本发明的多层格栅承力筒，具体为三层格栅承力筒，如图6～图10所示，该多层格栅承力筒包括由内到外依次嵌套的内层格栅筒1、中层格栅筒3和外层格栅筒2。三个单层格栅筒的单元网格构型相似，内层格栅筒1的网格结构最稀疏，中层格栅筒3的网格结构较密集，外层格栅筒2的网格结构最密集。

本实施例中，如图8所示，内层格栅筒1的单元网格构型为菱形。内层格栅筒1包括网格、顶环和底环，网格位于顶环和底环之间，网格由第三螺旋向肋条和第四螺旋向肋条交叉构成，顶环和底环均为环向肋条。在筒体的圆柱面内，第三螺旋向肋条、第四螺旋向肋条与筒体周线的夹角θ分别为60°和120°。菱形网格的内层格栅筒1由20根第三螺旋向肋条和20根第四螺旋向肋条构成，单根肋条的肋条厚度T均为6mm，肋条宽度B均为6mm。第三螺旋向肋条之间的间距为200mm，第四螺旋向肋条之间的间距为200mm。顶环和底环的肋条厚度T均为6mm，肋条宽度B均为6mm。

本实施例中，如图9和图11所示，中层格栅筒3的单元网格构型为Kagome形。中层格栅筒3由环向肋条、第三螺旋向肋条和第四螺旋向肋条交叉构成，每个交点处仅有两条肋条交汇在一起。在筒体的圆柱面内，环向肋条与筒体周线的夹角θ为0°，第三螺旋向肋条与筒体周线的夹角θ为60°，第四螺旋向肋条与筒体周线的夹角θ为120°。Kagome形网格的中层格栅筒3共有7根环向肋条、20根第三螺旋向肋条和20根第四螺旋向肋条，单根肋条的肋条厚度T均为10mm，肋条宽度B均为7mm。环向肋条之间的间距为200mm，第三螺旋向肋条之间的间距为200mm，第四螺旋向肋条之间的间距为200mm。

本实施例中，如图10所示，外层格栅筒2的单元网格构型为三角形。外层格栅筒2由环向肋条、第三螺旋向肋条和第四螺旋向肋条交叉构成，每个交点处有三条肋条交汇在一起。在筒体的圆柱面内，环向肋条与筒体周线的夹角θ为0°，第三螺旋向肋条与筒体周线的夹角θ为60°，第四螺旋向肋条与筒体周线的夹角θ为120°。三角形网格的外层格栅筒2共有13根环向肋条、40根第三螺旋向肋条和40根第四螺旋向肋条，单根肋条的肋条厚度T均为3mm，肋条宽度B均为7mm。环向肋条之间的间距为100mm，第三螺旋向肋条之间的间距为100mm，第四螺旋向肋条之间的间距为100mm。

本实施例中，内层格栅筒1、外层格栅筒2和中层格栅筒3的筒体材料均为单向连续玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料。

一种上述本实施例的多层格栅承力筒的制备方法，包括以下步骤：

（1）制作浇铸软模的木模：根据内层格栅筒1的结构和尺寸设计并制作用于硅橡胶软膜成型的木模，然后对木模的工作表面进行清理并涂刷硅油。

（2）制作硅橡胶软膜：对表面涂有硅油的木模进行预热，预热温度为30℃。根据软膜材料热膨胀力与温度的关系选定COCA31-1l加成型硫化有机硅模具胶为软模材料，先对胶液进行真空脱气泡处理，然后将胶液浇注于木模中，浇铸温度为30℃，再在木模顶端加盖板施压，采用30℃硫化24小时，90℃硫化1小时的两段硫化工艺，经固化成型并脱模后，得到内层格栅筒1的硅橡胶软模。

（3）装配模具：将硅橡胶软模与钢质圆筒缠绕芯模进行装配，硅橡胶软模包覆于缠绕芯模的外围，得到内层格栅筒1的整体成型模具（即硅橡胶软模/缠绕芯模组合模具）；

（4）软模辅助缠绕：在上述内层格栅筒1的整体成型模具中的硅橡胶软模上，采用丙酮进行清理，然后在硅橡胶软模的表面涂覆一层硅油作为脱模剂。将E-51环氧树脂、三氟化硼乙胺固化剂和丙酮按质量比100∶10∶20比例混合均匀，配制树脂胶液。采用人工引导的连续缠绕方式将玻璃纤维束浸渍树脂胶液后均匀地铺放于硅橡胶软模的凹槽中。缠绕完成后，得到单层格栅承力筒的纤维浸渍预成型体，保持缠绕机继续旋转，以防止流胶并促进丙酮的挥发。

（5）真空袋压成型：在带有单层格栅承力筒的纤维浸渍预成型体的硅橡胶软模/缠绕芯模组合模具上依次包覆脱模布、透气毡和真空袋，密封并设置好注胶口和抽气口，组装成真空袋压成型系统，采用真空泵抽真空，然后将真空袋压下的组合模具置于烘箱中加热固化成型，整个固化过程在真空袋压下进行，固化制度为70℃下固化6小时，然后升至85℃固化2小时。

（6）脱模及后处理：固化成型后，将复合材料内层格栅筒结构从硅橡胶软模/缠绕芯模组合模具上脱除，打磨以清除飞边，得到玻璃纤维增强环氧复合材料内层格栅筒1。

（7）重复步骤（1）～步骤（6）的过程，分别制备中层格栅筒3和外层格栅筒2。

（8）将上述制备的内层格栅筒1、中层格栅筒3和外层格栅筒2按照由内至外的嵌套方式通过胶接组装成整体，得到复合材料三层格栅承力筒。

上述本实施例制备的多层格栅承力筒在受力时，肋条主要承受拉压作用，弯曲变形很小，因此可充分发挥单向连续纤维复合材料的承载效率，在同等荷载的条件下，可以实现结构的轻量化，进而降低成本。采用连续介质分析方法得出的轴压失稳载荷表明，与单层三角形格栅相比，该三层格栅结构单位质量的承载效率提高20.6%。

实施例3

一种本发明的多层格栅承力筒，具体为双层格栅承力筒，如图12～图15所示，该双层格栅承力筒是由内层格栅筒1和外层格栅筒2嵌套而成。内层格栅筒1的网格稀疏，外层格栅筒2的网格较密。

本实施例中，如图14所示，内层格栅筒1的单元网格构型为六边形。内层格栅筒1包括网格、顶环和底环，网格位于顶环和底环之间，网格由间断环向肋条、间断第三螺旋向肋条和间断第四螺旋向肋条交叉构成，顶环和底环均为环向肋条。在筒体的圆柱面内，间断环向肋条与筒体周线的夹角θ为0°，间断第三螺旋向肋条、间断第四螺旋向肋条与筒体周线的夹角θ分别为60°和120°。六边形网格的内层格栅筒1共有8根间断环向肋条、18根间断第三螺旋向肋条和18根间断第四螺旋向肋条，单根肋条的肋条厚度T均为10mm，肋条宽度B均为5mm。同一个六边形内，间断环向肋条之间的间距为150mm，间断第三螺旋向肋条之间的间距为150mm，间断第四螺旋向肋条之间的间距为150mm。顶环和底环的肋条厚度T均为10mm，肋条宽度B均为5mm。

本实施例中，如图15所示，外层格栅筒2的单元网格构型为Kagome形。外层格栅筒2由环向肋条、第三螺旋向肋条和第四螺旋向肋条交叉构成，每个交点处仅有两条肋条交汇在一起，在筒体的圆柱面内，环向肋条与筒体周线的夹角θ为0°，第三螺旋向肋条与筒体周线的夹角θ为60°，第四螺旋向肋条与筒体周线的夹角θ为120°。Kagome形网格的外层格栅筒2共有9根环向肋条、18根第三螺旋向肋条和18根第四螺旋向肋条，单根肋条的肋条厚度T均为6mm，肋条宽度B均为5mm。两层格栅筒在螺旋向肋条处重合。环向肋条之间的间距为150mm，第三螺旋向肋条之间的间距为150mm，第四螺旋向肋条之间的间距为150mm。

本实施例中，内层格栅筒1和外层格栅筒2的筒体材料均为铝合金。

一种上述本实施例的多层格栅承力筒的制备方法，采用分部件浇铸成型并通过焊接成整体的工艺制备，包括以下步骤：

（1）设计并制备内层格栅筒1半圆柱面拆分部件的浇铸模具。

（2）采用LY12铝合金材料进行半圆柱面拆分部件的熔融浇铸，凝固后脱模，并进行打磨等后处理。

（3）采用焊接工艺将两个半圆柱面拆分部件组装成整体内层格栅筒1。

（4）重复上述步骤（1）～（3），制备外层格栅筒2。

（5）采用焊接工艺，将内层格栅筒1和外层格栅筒2组装成为双层格栅承力筒。

采用连续介质分析方法得出的轴压失稳载荷表明，与单层Kagome格栅相比，本实施例的两层格栅结构单位质量的承载效率提高9.8%。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多层格栅承力筒，其特征在于，所述多层格栅承力筒是由至少两个单层格栅筒嵌套而成，相邻所述单层格栅筒的网格疏密程度不同。

2.根据权利要求1所述的多层格栅承力筒，其特征在于，所述多层格栅承力筒中，单层格栅筒网格的疏密程度由内至外逐层递增或递减，所述单层格栅筒为圆柱筒或圆锥筒。

3.根据权利要求1所述的多层格栅承力筒，其特征在于，所述单层格栅筒中，所述网格是由两种或两种以上不同取向的肋条交叉构成，每种取向的肋条至少有两根，所述肋条与单层格栅筒筒体周线的夹角为θ，且0°≤θ＜180°。

4.根据权利要求3所述的多层格栅承力筒，其特征在于，所述单层格栅筒的肋条厚度T为3mm～25mm，肋条宽度B为5mm～20mm，同一取向的相邻肋条间距a为30mm～300mm。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的多层格栅承力筒，其特征在于，所述单层格栅筒的单元网格构型包括菱形、方形、六边形、Kagome形、三角形或米字形。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的多层格栅承力筒，其特征在于，所述单层格栅筒是由单向连续纤维增强树脂基复合材料构成；在所述单向连续纤维增强树脂基复合材料中，增强纤维包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维中的一种或多种，树脂基体包括环氧树脂、聚酯树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂和乙烯基树脂中的一种或多种。

7.根据权利要求1～4中任一项所述的多层格栅承力筒，其特征在于，所述单层格栅筒是由各向同性材料制成，所述各向同性材料包括金属材料或工程塑料，所述金属材料包括铝合金、镁合金、钛合金和结构钢中的一种或多种，所述工程塑料包括聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和聚氯乙烯中的一种或多种。

8.一种如权利要求1～6中任一项所述的多层格栅承力筒的制备方法，包括以下方法一或方法二的步骤：

方法一：

（1）制作浇铸软模的木模：根据所述多层格栅承力筒的结构和尺寸设计并制作用于硅橡胶软模成型的木模，然后对木模的工作表面进行清理并涂刷硅油；

（2）制作硅橡胶软模：配制硅橡胶胶料并进行真空脱气泡处理，然后将硅橡胶胶料浇注于木模中，经硫化、固化成型和脱模后，得到硅橡胶软模；

（3）装配模具：将硅橡胶软模与缠绕芯模进行装配，硅橡胶软模包覆于缠绕芯模的外围，得到所述多层格栅承力筒的整体成型模具，即硅橡胶软模/缠绕芯模组合模具；

（4）软模辅助缠绕：将上述多层格栅承力筒的整体成型模具中的硅橡胶软模表面进行清理并涂覆脱模剂，然后将增强纤维束浸渍预先配制的树脂胶液后通过连续缠绕方式铺放于硅橡胶软模的凹槽中，直至达到设计的多层格栅肋条厚度，形成多层格栅结构整体纤维浸渍预成型体；

（5）真空袋压成型：在带有多层格栅结构整体纤维浸渍预成型体的硅橡胶软模/缠绕芯模组合模具上依次包覆脱模布、透气毡和真空袋，密封并设置好注胶口和抽气口，组装成真空袋压成型系统，采用真空泵抽真空，然后将真空袋压下的组合模具置于烘箱中加热固化成型；

（6）脱模和后处理：固化成型后，经脱模和后处理，得到复合材料多层格栅承力筒；

方法二：

（1）制作浇铸软模的木模：根据所述单层格栅承力筒的结构和尺寸设计并制作用于硅橡胶软模成型的木模，然后对木模的工作表面进行清理并涂刷硅油；

（2）制作硅橡胶软模：配制硅橡胶胶料并进行真空脱气泡处理，然后将硅橡胶胶料浇注于木模中，经硫化、固化成型和脱模后，得到硅橡胶软模；

（3）装配模具：将硅橡胶软模与缠绕芯模进行装配，硅橡胶软模包覆于缠绕芯模的外围，得到所述单层格栅承力筒的整体成型模具；

（4）软模辅助缠绕：将上述单层格栅承力筒的整体成型模具中的硅橡胶软模表面进行清理并涂覆脱模剂，然后将增强纤维束浸渍预先配制的树脂胶液后通过连续缠绕方式铺放于硅橡胶软模的凹槽中，直至达到设计的单层格栅肋条厚度，形成单层格栅结构纤维浸渍预成型体；

（5）真空袋压成型：在带有单层格栅结构纤维浸渍预成型体的硅橡胶软模/缠绕芯模组合模具上依次包覆脱模布、透气毡和真空袋，密封并设置好注胶口和抽气口，组装成真空袋压成型系统，采用真空泵抽真空，然后将真空袋压下的组合模具置于烘箱中加热固化成型；

（6）脱模和后处理：固化成型后，经脱模和后处理，得到复合材料单层格栅承力筒；

（7）重复步骤（1）～步骤（6）的过程，制备具有不同单元网格构型的复合材料单层格栅筒；

（8）将上述制备的各单层复合材料格栅筒按照预设的嵌套方式进行组装，得到复合材料多层格栅承力筒。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述硅橡胶胶料的浇铸温度为25℃～35℃，所述硫化机制为：先在30℃硫化24h，然后在90℃硫化1h。

10.一种如权利要求7所述的多层格栅承力筒的制备方法，包括以下方法一或方法二的步骤：

方法一：

（1）设计并制备单层格栅承力筒拆分部件的浇铸模具；

（2）采用金属材料或工程塑料进行上述拆分部件的熔融浇铸，凝固后脱模，并进行后处理；

（3）采用焊接或胶接工艺将步骤（2）得到的拆分部件组装成整体单层格栅承力筒；

（4）重复上述步骤（1）～（3），根据所述多层格栅承力筒的结构和尺寸要求制备具有不同单元网格构型的单层格栅筒；

（5）采用焊接或胶接工艺，将各单层格栅承力筒进行组装，得到多层格栅承力筒；

方法二：

采用金属材料或工程塑料的3D打印技术整体成型所述多层格栅承力筒。