CN104608987B - 一种复合材料蜂窝结构贮箱及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料蜂窝结构贮箱及其制备方法，复合材料贮箱内蒙皮的成型采用铺层‑缠绕相结合的方式；并设计充气装置平衡贮箱内外压差带来的失稳影响；蜂窝为变厚度结构，埋件为空间结构，同时铺覆面为整个球面，为了更好的保证变厚度蜂窝、埋件与蒙皮的贴附，实现高球面的精度，在铺覆过程中将采用专用工装对蜂窝进行定位；复合材料贮箱外蒙皮的成型采用铺层的方式铺设复合材料预浸布；复合材料蜂窝结构贮箱固化采用碳纤维复合材料面板固化和铝蜂窝芯材胶接同时完成的共固化工艺。本发明所述的复合材料蜂窝结构贮箱相对于传统的不锈钢贮箱在力学承载性能不变的情况下，重量减轻15％以上。

Description

一种复合材料蜂窝结构贮箱及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料蜂窝结构贮箱，特别是指一种复合材料蜂窝结构贮箱及其制备方法。

背景技术

复合材料蜂窝结构贮箱在有长距离变轨需求的任务背景下，旨在减轻航天器质量，采用复合材料蜂窝结构贮箱代替现有的金属贮箱，复合材料夹层结构为不锈钢内胆、内、外碳纤维蒙皮及蜂窝夹层结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种复合材料蜂窝结构贮箱及其制备方法，对于打造高性能、轻量化、集约化、模块化、结构功能一体化的新型卫星平台具有重要意义。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种复合材料蜂窝结构贮箱，包为外层碳纤维蒙皮、内层碳纤维蒙皮，不锈钢内胆结构，铝蜂窝芯子、空间结构埋件和法兰；所述不锈钢内胆的外圆周为弧形，两端设有两开口,各层间通过高温胶膜巩固化胶接成型。

上述的一种复合材料蜂窝结构贮箱通过以下方法制备：

S1、对不锈钢内胆许用外压进行计算，得到内胆的许用外压值[P]，并预先在缠绕前将内胆快速充气，保证充气后的贮箱在缠绕和固化过程中不会发生泄漏；

S2、根据步骤S1计算好的外压值[P]设计缠绕张力及铺放层数，先在内胆上缠绕一定层数后，进行手工铺层平衡一部分张力，缠绕时将内胆两端固定在缠绕机上，该贮箱为球形，缠绕线性采用球形缠绕，张力为10N，材料为T700/AG80，缠绕两层后进行手工铺层，铺层时将大张预浸布从中间顶点开始沿圆弧方向由顶点向下铺设预浸布，将摺起部分剪掉，每层接缝位置不重叠，铺层结束后铺一层78D胶膜；

S3、采用专业软件对蜂窝在球形表面的铺覆性进行设计，并优化起铺点位置、蜂窝拼接方式、蜂窝厚度分布，得到最终的蜂窝展开图用于蜂窝切割下料，在步骤S2的基础上铺设蜂窝，蜂窝为铝蜂窝，尺寸为5×0.04×20，该贮箱蜂窝铺覆面为整个球面，同时在铺覆过程中采用专用工装对蜂窝进行预压定位，以保证产品的球面精度受控；

S4、将埋件或法兰所在处蜂窝格子裁剪割开，放入埋件或法兰，在空隙处填入裁剪好的发泡胶条，用定位工装固定，待与整体结构共固化成型；

S5、铺好蜂窝后铺一层78D胶膜，在胶膜外进行外蒙皮铺设，铺设方式同步骤S2中的铺设方法；

S6、采用具有自粘结性能的预浸料，依靠预浸料中树脂的流动形成胶瘤，对碳纤维复合材料面板固化和铝蜂窝芯材胶接同时完成共固化工艺。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)复合材料贮箱内蒙皮的成型采用铺层-缠绕相结合的方式。以消除单一缠绕带来的径向应力失稳及单一铺层带来的成型精度影响。并设计充气装置平衡贮箱内外压差带来的失稳影响。

(2)蜂窝为变厚度结构，埋件为空间结构，同时铺覆面为整个球面，为了更好的保证变厚度蜂窝、埋件与蒙皮的贴附，实现高球面的精度，在铺覆过程中将采用专用工装对蜂窝进行定位。

(3)复合材料贮箱外蒙皮的成型采用铺层的方式铺设复合材料预浸布。

(4)复合材料蜂窝结构贮箱固化采用碳纤维复合材料面板固化和铝蜂窝芯材胶接同时完成的共固化工艺。在共固化过程中，采用具有自粘结性能的预浸料，依靠预浸料中树脂的流动形成胶瘤，保证了胶接强度。此外，由于共固化工艺中采取的是一次固化，有效的减少了铝蜂窝夹层结构在高温下因热应力产生的扭曲变形，从而保证产品的尺寸精度；本发明所述的复合材料蜂窝结构贮箱相对于传统的不锈钢贮箱在力学承载性能不变的情况下，重量减轻15％以上。

附图说明

图1为本发明复合材料蜂窝结构贮箱的示意图。

图2为空间结构埋件示意图。

图3为连接法兰示意图。

图4为不锈钢内胆结构示意图。

图5为复合材料蜂窝结构贮箱工艺流程图。

图6为充气工装示意图。

图中：1-接头Ⅰ；2-锥塞；3-锥套；4-垫圈；5-接头Ⅱ；6-外层碳纤维蒙皮；7-铝蜂窝芯子；8-内层碳纤维蒙皮；9-不锈钢内胆结构。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1-4所示，本发明实施例提供了一种复合材料蜂窝结构贮箱，包为外层碳纤维蒙皮6、内层碳纤维蒙皮8，不锈钢内胆结构9，铝蜂窝芯子7、空间结构埋件和法兰；所述不锈钢内胆的外圆周为弧形，两端设有两开口，该结构不仅作为贮箱进出液系统，也设计成在成型时用于吊装机缠绕机固定的结构，各层间通过高温胶膜巩固化胶接成型。

如图5所示，上述的一种复合材料蜂窝结构贮箱通过以下方法制备：

S1、对不锈钢内胆许用外压进行计算，得到内胆的许用外压值[P]，并预先在缠绕前将内胆快速充气，保证充气后的贮箱在缠绕和固化过程中不会发生泄漏；

S2、根据步骤S1计算好的外压值[P]设计缠绕张力及铺放层数，先在内胆上缠绕一定层数后，进行手工铺层平衡一部分张力，缠绕时将内胆两端固定在缠绕机上，该贮箱为球形，缠绕线性采用球形缠绕，张力为10N，材料为T700/AG80，缠绕两层后进行手工铺层，铺层时将大张预浸布从中间顶点开始沿圆弧方向由顶点向下铺设预浸布，将摺起部分剪掉，每层接缝位置不重叠，铺层结束后铺一层78D胶膜；

S3、采用专业软件对蜂窝在球形表面的铺覆性进行设计，并优化起铺点位置、蜂窝拼接方式、蜂窝厚度分布，得到最终的蜂窝展开图用于蜂窝切割下料，在步骤S2的基础上铺设蜂窝，蜂窝为铝蜂窝，尺寸为5×0.04×20，该贮箱蜂窝铺覆面为整个球面，同时在铺覆过程中采用专用工装对蜂窝进行预压定位，以保证产品的球面精度受控；

S4、将埋件或法兰所在处蜂窝格子裁剪割开，放入埋件或法兰，在空隙处填入裁剪好的发泡胶条，用定位工装固定，待与整体结构共固化成型；

S5、铺好蜂窝后铺一层78D胶膜，在胶膜外进行外蒙皮铺设，铺设方式同步骤S2中的铺设方法；

S6、采用具有自粘结性能的预浸料，依靠预浸料中树脂的流动形成胶瘤，对碳纤维复合材料面板固化和铝蜂窝芯材胶接同时完成共固化工艺。

其中，步骤S1中采用图6所示的充气工装，各部分结构件螺接并配有垫圈保证气密性。该工装既可保证气瓶缠绕前的快速充气，也可保证充气后的贮箱在缠绕和固化过程中不会发生泄漏。

本具体实施复合材料贮箱内蒙皮的成型采用铺层-缠绕相结合的方式。以消除单一缠绕带来的径向应力失稳及单一铺层带来的成型精度影响。并设计充气装置平衡贮箱内外压差带来的失稳影响；蜂窝为变厚度结构，埋件为空间结构，同时铺覆面为整个球面，为了更好的保证变厚度蜂窝、埋件与蒙皮的贴附，实现高球面的精度，在铺覆过程中将采用专用工装对蜂窝进行定位；复合材料贮箱外蒙皮的成型采用铺层的方式铺设复合材料预浸布；复合材料蜂窝结构贮箱固化采用碳纤维复合材料面板固化和铝蜂窝芯材胶接同时完成的共固化工艺。在共固化过程中，采用具有自粘结性能的预浸料，依靠预浸料中树脂的流动形成胶瘤，保证了胶接强度。此外，由于共固化工艺中采取的是一次固化，有效的减少了铝蜂窝夹层结构在高温下因热应力产生的扭曲变形，从而保证产品的尺寸精度；本发明所述的复合材料蜂窝结构贮箱相对于传统的不锈钢贮箱在力学承载性能不变的情况下，重量减轻15％以上。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (1)

1.一种复合材料蜂窝结构贮箱，其特征在于，包括外层碳纤维蒙皮(6)、铝蜂窝芯子(7)、内层碳纤维蒙皮(8)，不锈钢内胆结构(9)、空间结构埋件和法兰；所述不锈钢内胆(9)的外圆周为弧形，两端设有两开口，各层间通过高温胶膜巩固化胶接成型；所述复合材料蜂窝结构贮箱的制备方法，包括如下步骤：

S1、对不锈钢内胆许用外压进行计算，得到内胆的许用外压值，并预先在缠绕前将内胆快速充气，保证充气后的贮箱在缠绕和固化过程中不会发生泄漏；

S2、根据步骤S1计算好的外压值设计缠绕张力及铺放层数，先在内胆上缠绕一定层数后，进行手工铺层平衡一部分张力，缠绕时将内胆两端固定在缠绕机上，该贮箱为球形，缠绕线性采用球形缠绕，张力为10N，材料为T700/AG80，缠绕两层后进行手工铺层，铺层时将大张预浸布从中间顶点开始沿圆弧方向由顶点向下铺设预浸布，将摺起部分剪掉，每层接缝位置不重叠，铺层结束后铺一层78D胶膜；

S3、采用专业软件对蜂窝在球形表面的铺覆性进行设计，并优化起铺点位置、蜂窝拼接方式、蜂窝厚度分布，得到最终的蜂窝展开图用于蜂窝切割下料，在步骤S2的基础上铺设蜂窝，蜂窝为铝蜂窝，尺寸为5×0.04×20，该贮箱蜂窝铺覆面为整个球面，同时在铺覆过程中采用专用工装对蜂窝进行预压定位，以保证产品的球面精度受控；

S4、将埋件或法兰所在处蜂窝格子裁剪割开，放入埋件或法兰，在空隙处填入裁剪好的发泡胶条，用定位工装固定，待与整体结构共固化成型；

S5、铺好蜂窝后铺一层78D胶膜，在胶膜外进行外蒙皮铺设，铺设方式同步骤S2中的铺设方法；

S6、采用具有自粘结性能的预浸料，依靠预浸料中树脂的流动形成胶瘤，对碳纤维复合材料面板固化和铝蜂窝芯材胶接同时完成共固化工艺。