CN108481762B - 一种火箭用复合材料芯级盖板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种火箭用复合材料芯级盖板及其制备方法，所述的盖板包括9个可拆卸单元，每个可拆卸单元为含有内部骨架的夹层复合材料结构；其中一个中心四边形单元、另外8个可拆卸单元分成四组，每组中两个可拆卸单元通过铰链连接在一起，中心四边形单元的四个边分别搭接并固定在上述四组可拆卸单元的一个翻边上，四组可拆卸单元的其他边放置在发射平台安装架上并固定，整体外缘轮廓与盖板所处的安装接口空间决定。本发明首次提出，将含内部骨架的轻质泡沫夹层结构应用到火箭芯级盖板上。该复合材料芯级盖板具有运输方便、安装简易、快速拆卸等优点；提出的制备方法具有产品成型质量良好、整体成型、低成本的优点。

Description

一种火箭用复合材料芯级盖板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种火箭芯级盖板及其制备方法，属于树脂基复合材料轻质夹层结构成型技术领域，特别涉及大尺寸、含内部骨架、泡沫夹层、组合拼装结构的成型。
背景技术
近年来，泡沫夹层复合材料结构在运载火箭、航空、风力发电机叶片、体育运动器材、医用设备配件、船舶制造、列车机车等领域大量应用，尤其在美日等发达国家，广泛应用于高技术领域，主要有：美国的Delta运载火箭的整流罩、级间段中间体、隔热罩和推进器鼻锥等结构，日本三菱的HII-A运载火箭的整流罩、级间段、直升机的机身及桨叶、空客A380气密机舱的球面框、帽形筋条，IAI公司翼身整流罩，日本新干线的火车头，通用、西门子等公司的医疗床板、Vestas的风力发电机叶片等。
我国使用泡沫夹层复合材料在高端领域应用较晚，并且在航空航天应用的泡沫芯材大部分依赖进口，国内虽然在研制，但整体性能与国外同类产品仍存在一定差距。除了在航空航天等高端领域，在其它民用领域如高速列车机头、大型风力发电机叶片等，国外也应用较早，并大量使用。而国内相关领域，应用较晚，并且大部分项目为国外转包或仿造，因此所用的材料也大部分为国外材料，尤其是芯材主要为进口。国内目前已经开展PMI泡沫的研制工作,但整体性能与国外仍有一定差距。近年来航天材料及工艺研究所、中国科学院化学所、国防科技大学、西北工业大学等开展了PMI泡沫的研制，取得了一定进展。航天材料及工艺研究所研制的耐高温、隔热、透波PMI泡沫材料，主要性能已达 ROHACELL的水平。国内泡沫芯材复合材料结构主要应用在房屋隔板、冷藏车隔板等，起隔热保温作用；应用的泡沫芯材以聚氨酯(PU)泡沫为主。虽然我国泡沫夹层复合材料应用及研究与国外相比存在较大差距，但近年来，国内航空航天领域，如直升机桨叶、火箭整流罩、导弹易碎盖、发射筒筒盖、风洞用叶片也已应用该结构，发展迅速。新一代运载火箭整流罩锥段将采用PMI泡沫夹层结构,运载火箭其他部段也可能会采用泡沫夹层结构。航空领域,机翼前缘和方向舵、起落架舱门、翼身/翼尖整流罩等对泡沫芯材夹层结构也有较大需求。
目前国内火箭芯级盖板还主要采用金属加筋壁板结构，由于质量偏重的问题，通常需要采用斜拉绳索的形式进行盖板的组装与拆卸，斜拉绳索给操作人员行走带来很大的不便，存在安全隐患，并且这种悬臂斜拉结构的刚度与稳定性也很差，中心部位在承受载荷的情况下变形很大。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提供一种火箭用复合材料芯级盖板及制备的方法，满足重量轻、变形小、强度高、稳定性好、便于安装与拆卸的使用要求。
本发明的技术解决方案是：一种火箭用复合材料芯级盖板，包括9个可拆卸单元，每个可拆卸单元为含有内部骨架的夹层复合材料结构；其中一个中心四边形单元、另外8个可拆卸单元分成四组，每组中两个可拆卸单元通过铰链连接在一起，中心四边形单元的四个边分别搭接并固定在上述四组可拆卸单元的一个翻边上，四组可拆卸单元的其他边放置在发射平台安装架上并固定，整体外缘轮廓与盖板所处的安装接口空间决定。
进一步的，骨架为交叉网格结构、或长桁结构，材料采用纤维预浸料。
进一步的，骨架为夹芯结构，外部为蒙皮，内芯为泡沫，泡沫中设置预埋块，泡沫的密度≥50kg/m3，弹性模量≥60MPa。
进一步的，夹层复合材料中的芯材采用泡沫，泡沫的密度≥50kg/m3，弹性模量≥60MPa。
进一步的，当可拆卸单元的安装方向与安装顺序受限时，最后一个安装的可拆卸单元进一步拆分，拆分后的每个小的单元之间通过铰链连接。
进一步的，中心四边形单元与其他四组可拆卸单元之间的搭接固定具体先局部搭接，然后采用销钉定位，最后采用螺杆固定连接。
一种火箭用复合材料芯级盖板制备方法，将上述盖板中的每个可拆卸单元按照如下方式进行制备，制备完成后按照上述连接方式连接成最终的盖板；具体制备步骤如下：
(1)根据实际泡沫芯材及内芯的设计尺寸及位置加工泡沫，对处于交叉位置的泡沫加工尺寸小于设计尺寸；
(2)搭建由边缘挡块和内部芯模构成的骨架成型模具，并在该成型模具的芯模侧面粘贴硅橡胶软模；骨架成型模具放置在平板模具上组成最终的成型模具；
(3)在最终的成型模具上将剪裁好的单向预浸料及织物预浸料按着铺层顺序依次铺覆，骨架铺层翻边延伸到芯模的上表面，完成骨架蒙皮的铺覆；
(4)将预埋块使用胶粘剂粘接在加工好的泡沫内芯上；
(5)将步骤(4)处理的泡沫内芯填入到步骤(3)中铺覆好的骨架蒙皮中；并采用单向预浸料制备成条状，用来填实骨架蒙皮的边角区域；
(6)在步骤(5)处理后的成型模具的上表面整体铺放蒙皮，记为下蒙皮，在蒙皮上放置成型压板并抽真空进行预先压实；
(7)进行固化处理并脱模，得到中间产品；
(8)对中间产品进行表面打磨，清洗后贴胶模，在芯模位置放置步骤(1) 中加工的泡沫芯材；
(9)将步骤(8)处理后的产品翻转，重新放回到由步骤(2)中的边缘挡块和平板模具组成的成型模具中，并在表面铺放上蒙皮，放置上蒙皮成型压板，抽真空进行预先压实；
(10)进行固化处理并脱模，得到芯级盖板毛坯件。
进一步的，处于交叉位置的泡沫加工尺寸比设计尺寸小(1-1.5)倍的骨架蒙皮厚度。
进一步的，步骤(3)中的单向预浸料必须保持连续。
进一步的，所述的硅橡胶软模的厚度在1～6mm，并在芯模侧面接触表面上提供0.2～0.4MPa的压力。
进一步的，所述的织物预浸料或者单向预浸料为聚丙烯腈碳纤维/环氧树脂、聚苯并二噁唑纤维/环氧树脂、聚丙烯腈碳纤维/氰酸酯树脂、聚苯并二噁唑纤维/氰酸酯树脂、聚丙烯腈碳纤维/苯并噁嗪树脂或者聚苯并二噁唑纤维/苯并噁嗪树脂。
本发明与现有技术相比有益效果为：
本发明提出了一种轻质夹层复合材料制备芯级盖板的方案，较金属方案结构减重≥20％。由于盖板内部采用了碳纤维复合材料泡沫加强筋结构，提高了结构弯曲刚度与屈曲载荷，所以这种轻质夹层复合材料芯级盖板的最大变形量要比原金属方案小一个数量级。由于减轻了结构质量，并且采用了可拆卸单元的模块化设计方案，其中象限间的盖板单元与发射平台的接口连接，中间位置的盖板与三个象限间的盖板连接，连接方式采用搭接和螺栓固定并用的方式，以便于芯级盖板的安装、拆卸，所以安装难度及操作人员在其上操作的安全性可得到有效改善。具体效果表现为以下几个方面：
(1)本发明采用了轻质的泡沫夹层结构，降低了火箭芯级盖板的重量，与原金属方案相比减重≥20％；
(2)本发明采用模块单元设计方案，降低了火箭芯级盖板安装难度，取消了原金属方案中的斜拉绳索的结构，提高了操作人员的安全性；
(3)本发明中可拆卸单元之间采用了铰链连接方案，方便拆卸；
(4)本发明采用了复合材料内部骨架与泡沫夹层结构组合的方案，实现了保证盖板弯曲刚度的同时使结构强度更高的效果；
(5)本发明采用骨架铺层翻边延伸到芯模的上表面，与下蒙皮共固化的方法，实现内部骨架与蒙皮纤维铺覆的连续性，提高了结构强度；
(6)本发明中内部骨架蒙皮实现了纤维连续铺层，显著提高了盖板的弯曲刚度与屈曲强度。
附图说明
图1本发明中火箭用复合材料芯级盖板结构示意图；
图2火箭用芯级盖板复合材料方案的整体装配示意图；
图3火箭用芯级盖板(六边形)外观示意图；
图4火箭用芯级盖板(六边形)方案中预埋块示意图；
图5火箭用芯级盖板(六边形)方案中骨架内部填充的泡沫内芯示意图；
图6火箭用芯级盖板(六边形)方案中除去蒙皮后内部骨架示意图；
图7火箭用芯级盖板(六边形)方案中网格加强筋之间填充的泡沫示意图；
图8火箭用复合材料芯级盖板及其制备方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
如图1所示，一种火箭用复合材料芯级盖板，包括9个可拆卸单元，每个可拆卸单元为含有内部骨架的夹层复合材料结构；其中一个中心四边形单元、另外8个可拆卸单元分成四组，每组中两个可拆卸单元通过铰链连接在一起，中心四边形单元的四个边分别搭接并固定在上述四组可拆卸单元的一个翻边上，四组可拆卸单元的其他边放置在发射平台安装架上并固定，整体装配示意图如图2所示，整体外缘轮廓与盖板所处的安装接口空间决定。
盖板整体采用泡沫夹层结构，夹层复合材料中的芯材采用泡沫，泡沫的密度≥50kg/m3，弹性模量≥60MPa。骨架可以为交叉网格结构、也可以为长桁结构，材料采用纤维预浸料。图3给出的是一种交叉网格的形式(外形为六边形)，骨架为夹芯结构，外部为蒙皮，内芯为泡沫，泡沫中设置预埋块，泡沫的密度≥50kg/m3，弹性模量≥60MPa。
通常上述的四组可拆卸单元与中心四边形单元是相连接，并且结构一致。但是当可拆卸单元的安装方向与安装顺序受限时，为了保证最后安装的那组可拆卸单元的拆装与搬运的方便性，最后一个安装的可拆卸单元进一步拆分，本例中将其拆分为3个单元，拆分后的每个小的单元之间通过铰链连接，如图2 所示。为了进一步减少拆装时间，通过计算分析，证明了只有3组可拆卸单元与中心四边形单元相连接的时候也能够满足承载设计要求，所以这里省去了第 4组可拆卸单元与中心四边形单元的连接装配。中心四边形单元与其他四组可拆卸单元之间的搭接固定具体先局部搭接，然后采用销钉定位，最后采用螺杆固定连接。四组可拆卸单元与发射平台的连接通过销钉定位，然后用螺杆固定连接。
下面给出盖板的制备方法，该方法中首先将上述每个可拆卸单元按照如下方式进行制备，制备完成后按照上述的连接方式连接成最终的盖板；以内部骨架为交叉网格结构进行说明。具体制备如图8所示，步骤如下：
(1)根据实际泡沫芯材及内芯的设计尺寸及位置加工泡沫，如图7、图5 所示；根据设计图纸，例如在玻璃钢预埋块的位置泡沫为断开状态、加工过程中要考虑网格骨架交叉处的厚度控制等，具体要求对处于交叉位置的泡沫加工尺寸小于设计尺寸，一般最优比设计尺寸小1～1.5倍的骨架蒙皮厚度；
(2)搭建由边缘挡块和内部芯模构成的骨架成型模具，并在该成型模具的芯模侧面粘贴硅橡胶软模，硅橡胶软模的厚度在1～6mm，以实现在芯模侧面接触表面上提供0.2～0.4MPa的压力；骨架成型模具放置在平板模具上组成最终的成型模具；
(3)在最终的成型模具上将剪裁好的单向预浸料及织物预浸料按着铺层顺序依次铺覆，其中的单向预浸料必须保持连续，骨架铺层翻边延伸到芯模的上表面，完成骨架蒙皮的铺覆；
(4)将预埋块(如图4所示)使用胶粘剂粘接在加工好的泡沫内芯上(如图5所示)，最终形成如图6所示的状态；
(5)将步骤(4)处理的泡沫内芯(如图6所示)填入到步骤(3)中铺覆好的骨架蒙皮中；并采用单向预浸料制备成条状，用来填实骨架蒙皮的边角区域；
(6)在步骤(5)处理后的成型模具的上表面整体铺放蒙皮，记为下蒙皮，在蒙皮上放置成型压板并抽真空进行预先压实；
(7)进行固化处理并脱模，得到中间产品；
(8)对中间产品进行表面打磨，清洗后贴胶模，在芯模位置放置步骤(1) 中加工的泡沫芯材，如图7所示；
(9)将步骤(8)处理后的产品翻转，重新放回到由步骤(2)中的边缘挡块和平板模具组成的成型模具中，并在表面铺放上蒙皮，放置上蒙皮成型压板，抽真空进行预先压实；
(10)进行固化处理并脱模，得到芯级盖板毛坯件，如图3所示。
下面通过具体实施例进一步说明本发明：
实例1
金属芯模、边框模具、均压板选用Q235钢，产品形状为四边形平板，外形尺寸1200mm×1200mm×35mm。
将产品三个边采用简支的方式，中心处加载500kg配重，保载20min，测量中心处变形3.7mm，自由边处变形2.1mm。
实例2
金属芯模、边框模具、均压板选用Q235钢，产品形状为五边形平板，外形尺寸1600mm×1300mm×35mm。
将产品三个边采用简支的方式，中心处加载500kg配重，保载20min，测量中心处变形3.7mm，自由边处变形2.1mm。
将产品四个边采用简支的方式，两个直角中间的边为自由边，中心处加载 500kg配重，保载20min，自由边处变形13.6mm。
实例3
金属芯模、边框模具、均压板选用Q235钢，产品形状为六边形平板，外形尺寸1620mm×640mm×35mm。
将产品左、右四个边采用简支的方式，上、下两个边为自由边，中心处加载500kg配重，保载20min，自由边处变形13.5mm。
上述配重试验结果表明：按照本发明的制备方法成型的盖板均可以满足设计要求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，不能把本发明限定为说明书所描述的内容。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明进行各种轻易想到的变化或改动，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种火箭用复合材料芯级盖板，其特征在于：包括9个可拆卸单元，每个可拆卸单元为含有内部骨架的夹层复合材料结构；其中一个中心四边形单元、另外8个可拆卸单元分成四组，每组中两个可拆卸单元通过铰链连接在一起，中心四边形单元的四个边分别搭接并固定在上述四组可拆卸单元的一个翻边上，四组可拆卸单元的其他边放置在发射平台安装架上并固定，整体外缘轮廓与盖板所处的安装接口空间决定；
当可拆卸单元的安装方向与安装顺序受限时，最后一个安装的可拆卸单元进一步拆分，拆分后的每个小的单元之间通过铰链连接；
中心四边形单元与其他四组可拆卸单元之间的搭接固定具体先局部搭接，然后采用销钉定位，最后采用螺杆固定连接。
2.根据权利要求1所述的盖板，其特征在于：骨架为交叉网格结构、或长桁结构，材料采用纤维预浸料。
3.根据权利要求2所述的盖板，其特征在于：骨架为夹芯结构，外部为蒙皮，内芯为泡沫，泡沫中设置预埋块，泡沫的密度≥50kg/m3，弹性模量≥60MPa。
4.根据权利要求1所述的盖板，其特征在于：夹层复合材料中的芯材采用泡沫，泡沫的密度≥50kg/m3，弹性模量≥60MPa。
5.一种火箭用复合材料芯级盖板制备方法，其特征在于：将权利要求1中的每个可拆卸单元按照如下方式进行制备，制备完成后按照权利要求1所述的连接方式连接成最终的盖板；具体制备步骤如下：
(1)根据实际泡沫芯材及内芯的设计尺寸及位置加工泡沫，对处于交叉位置的泡沫加工尺寸小于设计尺寸；
(2)搭建由边缘挡块和内部芯模构成的骨架成型模具，并在该成型模具的芯模侧面粘贴硅橡胶软模；骨架成型模具放置在平板模具上组成最终的成型模具；
(3)在最终的成型模具上将剪裁好的单向预浸料及织物预浸料按着铺层顺序依次铺覆，骨架铺层翻边延伸到芯模的上表面，完成骨架蒙皮的铺覆；
(4)将预埋块使用胶粘剂粘接在加工好的泡沫内芯上；
(5)将步骤(4)处理的泡沫内芯填入到步骤(3)中铺覆好的骨架蒙皮中；并采用单向预浸料制备成条状，用来填实骨架蒙皮的边角区域；
(6)在步骤(5)处理后的成型模具的上表面整体铺放蒙皮，记为下蒙皮，在蒙皮上放置成型压板并抽真空进行预先压实；
(7)进行固化处理并脱模，得到中间产品；
(8)对中间产品进行表面打磨，清洗后贴胶模，在芯模位置放置步骤(1)中加工的泡沫芯材；
(9)将步骤(8)处理后的产品翻转，重新放回到由步骤(2)中的边缘挡块和平板模具组成的成型模具中，并在表面铺放上蒙皮，放置上蒙皮成型压板，抽真空进行预先压实；
(10)进行固化处理并脱模，得到芯级盖板毛坯件。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：处于交叉位置的泡沫加工尺寸比设计尺寸小(1-1.5)倍的骨架蒙皮厚度。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤(3)中的单向预浸料必须保持连续。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的硅橡胶软模的厚度在1～6mm，并在芯模侧面接触表面上提供0.2～0.4MPa的压力。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的织物预浸料或者单向预浸料为聚丙烯腈碳纤维/环氧树脂、聚苯并二噁唑纤维/环氧树脂、聚丙烯腈碳纤维/氰酸酯树脂、聚苯并二噁唑纤维/氰酸酯树脂、聚丙烯腈碳纤维/苯并噁嗪树脂或者聚苯并二噁唑纤维/苯并噁嗪树脂。
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