CN106688318B - 复合材料翼梁三维铺层成型方法 - Google Patents
复合材料翼梁三维铺层成型方法Info
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Abstract
复合材料翼梁三维铺层成型技术，通过对钢件的机加和螺接制作模具，在模具中设置缘条、腹板和筋条的位置，利用手糊积层/模压成型技术，通过铺设碳纤维织布制作翼梁的缘条、腹板和筋条，并在缘条和筋条内填充碳布。本发明对传统的手糊铺层技术加以发展，实现了复合材料的三维成型，而又较三维纺织技术简单易行。通过这一技术实现了复合材料翼梁的制作，用以替代金属翼梁，减轻了结构重量，提高了无人机的飞行性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料三维铺层成型技术，用于制作某型号无人机复合材料机翼翼梁。
背景技术
目前，用手糊积层法可制作厚度较小的复合材料制品，比如机翼蒙皮，机身口盖等。这一方法具有操作简便、工期短、成本低等优点。制作比较复杂的三维复合材料制品一般要借助于三维纺织技术。
三维复合材料纺织技术从上世纪八十年代起得到迅速发展，是将增强纤维编织成复合材料结构件的近净形三维整体织物，再采用树脂传递塑模工艺(RTM)注入树脂后复合固化形成高性能复合材料结构件。该技术具有制品精度高、综合力学性能好，可制备各种异型等优点。三维纺织技术也有一定的缺点，即增强纤维编织成型的工艺过程复杂，所需设备要求高，技术难度大。用该方法制作复合材料翼梁，虽然可以在保证力学性能的前提下减小结构重量，但是会大大增加生产成本，延长生产周期。
本技术发明是对传统的手糊积层法的一种改进，通过科学的模具设计和铺层设计，实现复合材料的三维成型。与三维纺织技术相比，这一发明大大降低了工艺复杂度及生产成本。由于在织布铺设的过程中，保证了主承力部件铺层的连续性，从而确保了翼梁的力学性能。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服了现有的三维纺织成型技术工艺复杂、成本高、工期长等缺点。利用改进的手糊积层/模压成型法实现复合材料三维成型。
本发明的技术方案：该技术包括金属模具的设计，复材织布的铺设两个部分。模具用钢材加工而成，分阴模和阳模，阴模要留出工字型梁一侧的缘条、腹板和筋条位置，阳模要留出工字型梁另一侧的缘条、腹板和筋条位置。模具的制作通过对钢块的加工及螺接实现。铺设织布时，在阴模中先铺两层0.3mm厚的碳布铺出缘条外侧部分和筋条外形，并在筋条内部用碳布填实；再铺两层0.3mm厚的碳布铺出缘条内侧部分，并用碳布将缘条内部填实；然后根据腹板在不同截面的不同厚度沿纵向分别铺4～10层0.3mm厚的碳布，在铺设过程中均需刷环氧胶。在阳模中先铺两层0.3mm厚的碳布铺出缘条内侧部分和筋条外形，并在筋条内部用碳布填实；再铺两层0.3mm厚的碳布铺出缘条外侧部分，在铺设过程中均需刷环氧胶；最后合模，入炉高温固化成形。
复合材料翼梁三维铺层成型方法，包括模具的制作和复合材料织布的铺设两个部分；其中，模具由阴模1和阳模2组成，阴模1留出工字型梁一侧的缘条9、腹板10和筋条11位置，阳模2要留出工字型梁另一侧的缘条12、腹板13和筋条14位置；织布的铺设需保证大部分铺层的连续性，从而保证各承力结构的力学性能；
模具制作包括以下步骤：
A、根据阴模1工字型梁一侧的缘条9、腹板10和筋条11围成的空腔形状加工出4个钢块3，再根据缘条9的外形数控出阴模底座4；
B、用螺栓5将钢块3连接在阴模底座4内部，制成阴模1；
C、根据阳模2工字型梁另一侧的缘条12、腹板13和筋条14围成的空腔形状加工出12个钢块6，再切出一块与阴模1长、宽相同的方钢7；
D、用螺栓8将钢块6连接在方钢7上，制成阳模2；
复合材料织布的铺设包括以下步骤：
a、在阴模1中先铺两层碳布15，宽度方向铺出缘条9外侧部分，长度方向铺出筋条11的外形，碳布折叠的地方进行适当剪裁，并在筋条11内部用碳布16填实，每铺一层碳布刷环氧胶；
b、在阴模1中再铺两层碳布17，宽度方向铺出缘条9内侧部分，并在缘条9内部用碳布填实，每铺一层碳布刷环氧胶；
c、根据腹板10不同截面的不同厚度在阴模1中沿纵向分别铺4～10层碳布，每铺一层碳布刷环氧胶；
d、在阳模2上先铺两层碳布，宽度方向铺出缘条12内侧部分，长度方向铺出筋条14的外形，碳布20折叠的地方进行适当剪裁，并在筋条14内部用碳布填实，每铺一层碳布刷环氧胶；
e、在阳模2上再铺两层碳布，宽度方向铺出缘条12外侧部分；
f、合模，入炉高温固化成形。
本发明与现有技术相比的优点在于：模具加工成后，铺层铺设工艺简单，只需两个工人铺设一天即可完成，而采用三维纺织技术将耗时耗力。
本发明产生的有益效果：通过这一技术制作的某型号无人机翼梁，与原来的金属翼梁相比，在不增加成本的情况下，使两侧机翼重量减轻了9kg，增加了无人机的载油量及续航时间。
附图说明
图1为本发明的阴模俯视图；
图2为本发明的阳模俯视图；
图3为本发明合模后的模具纵向剖视图；
图4为本发明合模后的模具横截面剖视图；
图5为本发明的某型号翼梁阴模铺层示意图；
图6为本发明的某型号翼梁阳模铺层示意图；
图7为本发明的某型号翼梁横截面铺层示意图。
具体实施方式
金属模具的设计
如图1、2、3、4所示，金属模具由阴模和阳模组成。阴模是由几个钢块通过螺栓连接在一个金属底座上，围出了工字梁一侧的缘条、腹板和筋条形状；阳模是由多个钢块通过螺栓连接在一个方钢上，留出了工字梁另一侧的缘条、腹板和筋条位置。其制作过程如下：
(1)根据阴模1一侧的缘条9、腹板10和筋条11围成的空腔形状加工出4个钢块，再根据缘条9的外形数控出阴模底座4；
(2)用11个内六角圆柱头螺栓5将钢块3连接在底座4内部正确的位置，制成阴模1；
(3)根据阳模2一侧的缘条12、腹板13和筋条14围成的空腔形状加工出12个钢块，再切出一块与阴模1长、宽相同的方钢7；
(4)用38个内六角圆柱头螺栓8将钢块6连接在方钢7上正确的位置，制成阳模2。
复材织布的铺设
复材翼梁采用手糊积层/模压法制成，如图5、6、7所示，铺设过程如下：
(1)在阴模1中先铺两层0.3mm厚的碳布15，宽度方向铺出缘条9外侧部分，长度方向铺出筋条11的外形，在缘条9和筋条11相交的地方，碳布会发生折叠，需对折叠的部分进行剪裁，并在筋条11内部用碳布16填实，每铺一层布刷环氧胶；
(2)在阴模1中再铺两层0.3mm厚的碳布17，宽度方向铺出缘条9内侧部分，并在缘条9内部用碳布18填实，每铺一层布刷环氧胶；
(3)根据腹板10在不同截面的不同厚度在阴模1中沿纵向分别铺4～10层0.3mm厚的碳布19，每铺一层布刷环氧胶。
(4)在阳模2上先铺两层0.3mm厚的碳布20，宽度方向铺出缘条12内侧部分，长度方向铺出筋条14的外形，在缘条12和筋条14相交的地方，碳布会发生折叠，需对折叠的部分进行剪裁，并在筋条14内部用碳布21填实，每铺一层布刷环氧胶；
(5)在阳模2上再铺两层0.3mm厚的碳布22，宽度方向铺出缘条12外侧部分；
(6)合模，入炉高温固化成形。
制作成的复合材料翼梁已应用于某型号无人机，有效地减轻了结构重量；且已得到飞行验证，满足刚度、强度、稳定性等力学性能。
Claims (1)
1.复合材料翼梁三维铺层成型方法，包括模具的制作和复合材料织布的铺设两个部分；其中，模具由阴模(1)和阳模(2)组成，阴模(1)留出工字型梁一侧的缘条(9)、腹板(10)和筋条(11)位置，阳模(2)要留出工字型梁另一侧的缘条(12)、腹板(13)和筋条(14)位置；织布的铺设需保证大部分铺层的连续性，从而保证各承力结构的力学性能；
模具制作包括以下步骤：
A、根据阴模(1)工字型梁一侧的缘条(9)、腹板(10)和筋条(11)围成的空腔形状加工出4个钢块(3)，再根据缘条(9)的外形数控出阴模底座(4)；
B、用螺栓(5)将钢块(3)连接在阴模底座(4)内部，制成阴模(1)；
C、根据阳模(2)工字型梁另一侧的缘条(12)、腹板(13)和筋条(14)围成的空腔形状加工出12个钢块(6)，再切出一块与阴模(1)长、宽相同的方钢(7)；
D、用螺栓(8)将钢块(6)连接在方钢(7)上，制成阳模(2)；
复合材料织布的铺设包括以下步骤：
a、在阴模(1)中先铺两层碳布(15)，宽度方向铺出缘条(9)外侧部分，长度方向铺出筋条(11)的外形，碳布折叠的地方进行适当剪裁，并在筋条(11)内部用碳布(16)填实，每铺一层碳布刷环氧胶；
b、在阴模(1)中再铺两层碳布(17)，宽度方向铺出缘条(9)内侧部分，并在缘条(9)内部用碳布填实，每铺一层碳布刷环氧胶；
c、根据腹板(10)不同截面的不同厚度在阴模(1)中沿纵向分别铺4～10层碳布，每铺一层碳布刷环氧胶；
d、在阳模(2)上先铺两层碳布，宽度方向铺出缘条(12)内侧部分，长度方向铺出筋条(14)的外形，碳布(20)折叠的地方进行适当剪裁，并在筋条(14)内部用碳布填实，每铺一层碳布刷环氧胶；
e、在阳模(2)上再铺两层碳布，宽度方向铺出缘条(12)外侧部分；
f、合模，入炉高温固化成形。
Publications (1)
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