CN108407329B - 一种c形截面复合材料双稳态壳结构的成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种C形截面复合材料双稳态壳结构的成型方法，通过制备片状预浸料、加工成型阴模、放置气囊、成型等步骤制备C形截面复合材料双稳态壳结构。本发明通过对模具结构进行改进设计，使其能采用气囊成型，解决了C形截面复合材料双稳态壳结构边缘通过挤压造成边缘区域的不规则的质量问题。

Description

一种C形截面复合材料双稳态壳结构的成型方法
技术领域
本发明涉及一种C形截面复合材料双稳态壳结构的成型方法，属于复合材料加工技术领域。
背景技术
C形截面可双向卷曲稳定的复合材料双稳态壳结构是一种可以双向卷曲稳定的复合材料壳结构。双稳态结构主要基于壳结构，是指沿壳结构表面的两个方向上，在不同时间沿两个方向可分别保持稳定弯曲形变的状态。双稳态结构的实现方式有两种：一种是利用不同弯曲方向的壳结构逐层叠加复合成一个整体壳结构，不同弯曲方向的壳结构可以在各自的方向影响复合后的壳结构；第二种主要利用复合材料的各向异性，首先预成型复合材料壳结构，当受到与预成型弯曲方向不同方向的外力作用后，形成应变能，最终达到第二种稳定状态。正因如此复合材料双稳态壳结构受到了国外的重视，并研发了系列衍生产品，可以实现各类支撑功能，同时还可以保证低重量、快速展开。而国内目前尚未见到此类产品的研发和报道。
双稳态壳结构最早是在上世纪50年代应用在卫星天线上，由F.P.J.Rimrott发明的一种金属壳的双稳态结构，可沿面的双方向实现卷曲，并保持稳定。在2000年，Iqbal K、Daton-Lovett等人发表了采用复合材料制备的双稳态管的文章，并于2001年申请了相关专利，专利号为：US6217975、US6256938。
专利号为US6217975B1介绍了一种采用增强纤维织物与树脂复合的可伸长的中空管结构，阐述了其发明利用了复合材料纤维铺层的特性赋予其发明双稳态的特性，既可以在双方向实现卷曲，其发明结构的外观见图6所示。方向A为长度方向的状态，此时可形成带有开口的管型结构，方向B为完全卷曲状态，可形成逐层包裹的管型结构。当在A状态下，可以通过外部施加给方向A一个压力，使得结构转变成B状态；在B状态下，可以通过外部施加给方向A一个拉力，使得结构装变成A状态。
专利号为US6256938B1介绍了一种具有卡口结构的，可以实现自闭合的双稳态管。其结构为，沿方向1的管壁边缘加工了很多锯齿形结构，当管沿方向1的开口闭合时，两侧的锯齿会相互啮合，使管形成闭合的整体，提高其整体强度和刚度。
专利号为US6602574介绍了一种具有内部支撑叶片结构的双稳态管。
目前基于双稳态壳理论的专利主要是由Daton-Lovett所申请的复合材料开口管，在专利中简单地提到复合材料纤维铺层，未对其制备方法进行详细说明。因此，亟需一种高效、低成本的制备方法。气囊成型是一种常用、成熟的复合材料管材制造工艺，可以实现高效、低成本的回旋封闭体的制造。但是对于C型截面结构的非截面回旋封闭体，由于气囊压力较大，无法成型C型截面结构边缘区域。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种能采用气囊成型的C形截面复合材料双稳态壳结构的方法。
本发明的技术解决方案：一种C形截面复合材料双稳态壳结构的成型方法，通过以下步骤实现：
第一步，制备片状预浸料；
为本领域公知技术，根据需要选择预浸料种类。
第二步，加工成型阴模；
所述的阴模由上阴模和下阴模组成，所述的上阴模截面型面轮廓线是由第一圆弧型线、第二圆弧型线、第三圆弧型线、第四圆弧型线和第五圆弧型线光滑过渡构成，所述的第二圆弧型线、第三圆弧型线和第四圆弧型线构成对称的圆弧内凹结构，第二圆弧型线和第四圆弧型线对称分布在第三圆弧型线两侧，为半圆，所述的第三圆弧型线与C形截面复合材料双稳态壳结构的内表面型线一致，其弧长L为C形截面复合材料双稳态壳结构的C形开口宽度，所述的第二圆弧型线和第四圆弧型线的直径D大于C形截面复合材料双稳态壳结构的厚度d，所述的第一圆弧型线和第五圆弧型线对称分布在圆弧内凹结构两侧，其型线与C形截面复合材料双稳态壳结构的外表面型线一致；
所述的第二圆弧型线和第四圆弧型线的直径D为C形截面复合材料双稳态壳结构的厚度d的110％～200％。
所述的下阴模截面型面为半圆，与C形截面复合材料双稳态壳结构的外表面一致。
本发明采用特殊型面的阴模设计，使制备回旋封闭体的气囊工艺能用于非截面回旋封闭体，成型时圆弧内凹结构能有效缓解C型结构的边缘通过挤压造成边缘区域的不规则，提高产品质量。
第三步，气囊放置在阴模中，气囊充气，将第一步得到的片状预浸料铺层铺覆在气囊外表面，阴模合模；
第四步，加压加热成型，得到C形截面复合材料双稳态壳结构。
成型温度和压力根据预成型体采用的树脂种类确定，为本领域公知技术。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明对C形截面复合材料双稳态壳结构开口处特殊设计，使其能采用气囊成型；
(2)本发明采用气囊成型非截面回旋封闭体，实现高效、低成本、高质量；
(3)本发明在C形开口处设计成半圆形的内凹结构，确保预成型体边缘能够完全与内凹结构贴合并限位，可以避免气囊加压时对预成型体边缘部位的挤压导致C型结构边缘形成扭曲、褶皱等问题；
(4)本发明通过对模具结构进行改进设计，解决了C形截面复合材料双稳态壳结构边缘通过挤压造成边缘区域的不规则的质量问题。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明整体结构示意图；
图3为本发明阴模结构示意图；
图4为本发明产品和气囊配合结构示意图；
图5为本发明上阴模结构示意图；
图6为双稳态壳结构的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
本发明提供如图1所示的一种C形截面复合材料双稳态壳结构的成型方法，C形截面复合材料双稳态壳结构为连续纤维或纤维织物通过多层铺层制造，在对多层复材料压实的过程中会产生尺寸变化，为了保证C形结构的周长，在铺层设计时要确保C形结构的周长略小于模具内型面的周长，通过铺层预成型后的复材周长尺寸要比阴模内型面的周长尺寸小1-10％。
阴模合模后通过螺栓或者外部紧固框进行紧固和固定。模具可以自带加热管加热，也可以通过烘箱加热，加热温度根据复材基体树脂种类而定。例如环氧类固化温度在60-200℃，双马来酰亚胺树脂、氰酸脂等高温树脂固化温度在180-220℃，加热固化时间比较长，通常会在60-180分钟。如果采用热塑性基体，需要保证加热温度在树脂的粘流温度以上，保证树脂与纤维的充分浸润。在加热后需要较长时间的冷却，防止在硬化温度以上脱模导致产品的变形。成型过程除了加热和加压，还需要对加压过程进行控制，通过多次重复的加压，排除复合材料铺层中夹杂的空气，保证产品质量。
本发明制备得到的C形截面复合材料双稳态壳结构3，如图4所示，C形开口两端为半圆结构，其半圆直径大于C形截面复合材料双稳态壳结构的厚度。C形截面复合材料双稳态壳结构的外型面通过阴模内表面成型，内型面通过气囊外型面成型。
本发明采用的成型模具，如图2、3所示，由气囊2和阴模1组成，阴模1由上阴模11和下阴模12组成。如图5所示，上阴模截面型面轮廓线是由第一圆弧型线111、第二圆弧型线112、第三圆弧型线113、第四圆弧型线114和第五圆弧型线115光滑过渡构成，第二圆弧型线112、第三圆弧型线113和第四圆弧型线114构成对称的圆弧内凹结构，第二圆弧型线112和第四圆弧型线114对称分布在第三圆弧型线113两侧，为半圆结构，第三圆弧型线113与C形截面复合材料双稳态壳结构1的内表面型线一致，其弧长L为C形截面复合材料双稳态壳结构的C形开口宽度，第二圆弧型线112和第四圆弧型线114的直径D大于C形截面复合材料双稳态壳结构3的厚度d，D为d的110％到200％。第一圆弧型线111和第五圆弧型线115对称分布在圆弧内凹结构两侧，其型线与C形截面复合材料双稳态壳结构3的外表面型线一致。C形截面复合材料双稳态壳结构3的厚度d是指C形截面复合材料双稳态壳结构3中间区域，占截面周长70％到90％区域的平均厚度。
实施例1
采用玻璃纤维无纬布/环氧树脂预浸料作为C形结构的材料，先按设计将预浸料铺覆成型。将气囊充气加压，压力控制在0.02-0.1bar，然后将预浸料铺层铺覆在气囊外表面，再装入阴模内，合模紧固。逐渐加温到树脂软化点温度，一般在30-80℃，在此期间气囊压力维持不变。在达到软化点温度后，对气囊继续加压，提高压力到0.05-0.3bar，维持5分钟后泄压到初始压力，然后再加压到0.05-0.3bar。重复以上加压过程2-5次后，维持压力在0.1-0.5bar，并升温到130℃，保持温度120分钟，然后降温到80℃一下，脱模。
实施例2
采用玻璃纤维无纬布/PA66预浸料作为C形结构的材料，先按设计将预浸料铺覆成型。将气囊充气加压，压力控制在0.02-0.1bar，然后将预浸料铺层铺覆在气囊外表面，再装入阴模内，合模紧固。逐渐加温到树脂软化点温度，一般在160℃，在此期间气囊压力维持不变。在达到软化点温度后，对气囊继续加压，提高压力到0.05-0.3bar，维持5分钟后泄压到初始压力，然后再加压到0.05-0.3bar。重复以上加压过程2-5次后，开始将压力升到0.1-0.5bar，然后升温到130℃，保持温度15分钟，然后降温到60℃以下，脱模。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种C形截面复合材料双稳态壳结构的成型方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
第一步，制备片状预浸料；
第二步，加工成型阴模，
所述的阴模由上阴模和下阴模组成，所述的上阴模截面型面轮廓线是由第一圆弧型线、第二圆弧型线、第三圆弧型线、第四圆弧型线和第五圆弧型线光滑过渡构成，所述的第二圆弧型线、第三圆弧型线和第四圆弧型线构成对称的圆弧内凹结构，第二圆弧型线和第四圆弧型线对称分布在第三圆弧型线两侧，为半圆，所述的第二圆弧型线和第四圆弧型线的直径D大于C形截面复合材料双稳态壳结构的厚度d；
第三步，气囊放置在阴模中，气囊充气，将第一步得到的片状预浸料铺层铺覆在气囊外表面，阴模合模；
第四步，加压加热成型，得到C形截面复合材料双稳态壳结构。
2.根据权利要求1所述的一种C形截面复合材料双稳态壳结构的成型方法，其特征在于：所述第二步中第二圆弧型线和第四圆弧型线的直径D为C形截面复合材料双稳态壳结构的厚度d的110％～200％。
3.根据权利要求1所述的一种C形截面复合材料双稳态壳结构的成型方法，其特征在于：所述第二步中第三圆弧型线与C形截面复合材料双稳态壳结构的内表面型线一致，其弧长L为C形截面复合材料双稳态壳结构的C形开口宽度。
4.根据权利要求1所述的一种C形截面复合材料双稳态壳结构的成型方法，其特征在于：所述第二步中第一圆弧型线和第五圆弧型线对称分布在圆弧内凹结构两侧，其型线与C形截面复合材料双稳态壳结构的外表面型线一致。
5.根据权利要求1所述的一种C形截面复合材料双稳态壳结构的成型方法，其特征在于：所述第二步中下阴模截面型面为半圆，与C形截面复合材料双稳态壳结构的外表面一致。
6.根据权利要求1所述的一种C形截面复合材料双稳态壳结构的成型方法，其特征在于：所述第二步中C形截面复合材料双稳态壳结构的厚度d为双稳态壳结构中间占截面周长70％到90％区域的平均厚度。
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