CN109334045A - 一种腔体结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及腔体结构及其制备方法。所述方法提供与具有几何相似性的驱动载体；在成型工装和驱动载体上分别设置对应的控制节点；将复合材料增强织物铺覆并固定到所述驱动载体上，形成预制体；利用流体驱动介质使预制体贴覆在成型工装上；注入液态树脂基体并固化，得到腔体结构。本发明还提供了由所述方法制得的腔体结构。本发明方法具有广泛实用性，尤其适用于各种截面突变、腔体主轴曲率变化较大的复杂薄壁腔体结构，解决了传统技术中铺层难度大、难以脱模等问题，而且成型工装简单，对设备要求低，周期短；所制得的腔体结构外观良好、精度高、无分层和疏松现象、具有高的整体性与可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种腔体结构及其制备方法，尤其是涉及复合材料异型变截面薄壁腔体及其整体成型制备方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
出于结构电磁波隐身性能与气动性能等功能性因素的考虑，隐身无人机和隐身飞行器进气道均采用了具有复杂曲面特征的薄壁中空结构，通过增加结构外形的复杂性，使其满足低RCS、低阻力系数的指标要求，例如“利剑”隐身无人机蛇形进气道与通用隐身亚声速巡航导弹。外形特征的复杂性以及薄壁中空结构的特殊性，导致采用常规的金属或非金属制造方法，难以实现此类结构的制造成型，即便通过引进先进设备，也需要在成本上付出相当大的代价。
目前，对于如隐身无人机、先进隐身飞行器蛇形进气道等一类具有复杂型面几何特征的薄壁结构件，国内通常采用钣金件分片拉型成型，再整体焊接的制造方法。然而，由于结构型面具有高度的双曲特征，即使采用分片成型的工艺处理方法，一定程度上降低了曲面的复杂性，但在钣金件拉型成型过程中，仍普遍存在局部开裂、褶皱、模具贴合度差等工艺缺陷，导致其成型控制难度相当大；另一方面，若采用分片焊接的成型方法，焊接缝将成为整个构件的最薄弱环节，同时，焊接过程中焊缝附近钣金的热变形也将影响整体结构件的尺寸精度。
除采用钣金分片焊接成型工艺外，国内针对复杂薄壁复合材料结构还开展了自动铺丝成型、膨胀气囊成型、硅橡胶膨胀模成型等方法的研究。对于自动铺丝成型方法，通过从国外引入先进的自动铺丝设备，尝试复杂薄壁结构的整体成型，然而，由于复杂薄壁封闭中空结构脱模难度较大，且在设备使用与控制过程仍存在诸多技术问题，仍无法满足蛇形隐身进气道的可靠工程化制造；对于膨胀气囊成型与硅橡胶膨胀模成型方法，其要求将复合材料预制体预先铺放在成型工装上，无法满足像“蛇形”隐身进气道这种外形复杂，且铺放空间狭小的复合材料结构制件的整体成型。
因此，以“蛇形”隐身进气道为代表的一类复杂薄壁结构件整体制造已成为影响先进飞行器技术指标提升的重要瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种解决例如蛇形隐身进气道一类复杂异型变截面薄壁腔体结构整体制造难度大，可靠性不高的复合材料成型方法，确保此类结构具有满足设计使用要求的结构刚度、强度以及可靠性。
本发明第一方面提供了一种制备腔体结构的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)根据待制备的腔体结构的外形提供与所述腔体结构的外形具有几何相似性的具有第一空腔的驱动载体；
(2)在具有第二空腔的成型工装的内表面上设置成型工装控制节点；
(3)在所述驱动载体上与所述成型工装控制节点相对应的位置标记驱动载体控制节点；
(4)将复合材料增强织物铺覆在所述驱动载体的外表面上，然后置于所述第二空腔中，并在驱动载体控制节点位置处将所述复合材料增强织物固定到所述驱动载体的外表面上，从而形成腔体结构预制体；
(5)利用控制线将相对应的成型工装控制节点与驱动载体控制节点连接，其中所述控制线的一端向外可滑动地穿过成型工装控制节点，另一端与该成型工装控制节点相对应的驱动载体控制节点固定连接；
(6)通过向所述第一空腔中充入流体驱动介质使所述驱动载体延展变形，直至所述腔体结构预制体的外表面贴覆在所述成型工装的内表面上；
(7)向所述第二空腔注入液态树脂基体；
(8)使所述树脂基体固化，从而得到所述腔体结构。
本发明的技术解决方案：制备一种与实际腔体结构具有几何相似性的驱动载体；在成型工装的内表面确定若干控制节点；在驱动载体上与成型工装控制节点相对应的位置标记驱动控制节点；将复合材料增强织物铺覆在驱动载体的外表面上，并通过例如缝制等手段将复合材料增强织物固定在驱动载体控制节点上，形成腔体结构预制体；在流体驱动介质的作用下，驱动载体带动纤维预制体向模具表面运动，优选同时在控制线的牵引下，腔体结构预制体准确贴覆在成型工装的内表面上；通过液态树脂基体注射与整体固化，实现腔体结构尤其是异型变截面薄壁腔体结构的整体成型。
本发明第二方面提供了根据本发明第一方面所述的方法制得的腔体结构。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明对于结构几何具有良好的适应性，适用于各种截面突变、腔体主轴曲率变化较大的复杂薄壁腔体结构，解决了传统复合材料整体成型过程中难以脱模的问题。
(2)传统复合材料成型过程中，在复杂异型截面在成型工装外表面或内表面上直接手工铺层的操作难度较大。本发明中，预制体雏形可在脱离工装的条件下进行制备，制备难度明显降低。
(3)与传统的复合材料成型方法相比，本发明中，成型工装简单，对设备要求不高，成型周期较短，具有良好的经济效益。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明实例结构横向剖面示意图；
图3为本发明实例结构纵向剖面示意图；
图4为本发明预制体运动变形示意图；
图5为本发明实施例制得的腔体结构的实物照片。
其中，1、驱动载体；2、成型工装；3、成型工装控制节点；4、流动驱动介质；5、驱动载体控制节点；6、腔体结构预制体；7、控制线7。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如上所述，本发明第一方面提供了一种制备腔体结构的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)根据待制备的腔体结构的外形提供与所述腔体结构的外形具有几何相似性的具有第一空腔的驱动载体；
(2)在具有第二空腔的成型工装的内表面上设置成型工装控制节点；
(3)在所述驱动载体上与所述成型工装控制节点相对应的位置标记驱动载体控制节点；
(4)将复合材料增强织物铺覆在所述驱动载体的外表面上，然后置于所述第二空腔中，并在驱动载体控制节点位置处将所述复合材料增强织物固定到所述驱动载体的外表面上，从而形成腔体结构预制体；
(5)利用控制线将相对应的成型工装控制节点与驱动载体控制节点连接，其中所述控制线的一端向外可滑动地穿过成型工装控制节点，另一端与该成型工装控制节点相对应的驱动载体控制节点固定连接；
(6)通过向所述第一空腔中充入流体驱动介质使所述驱动载体延展变形，直至所述腔体结构预制体的外表面贴覆在所述成型工装的内表面上；
(7)向所述第二空腔注入液态树脂基体；
(8)使所述树脂基体固化，从而得到所述腔体结构。
本发明利用几何映射原理，分别在驱动载体与成型工装的对应位置设置控制节点，以便于实现腔体结构预制体的准确定位。
在一个可选的实施方式中，在步骤(3)中确定驱动载体控制节点时，可以将驱动载体放到成型工装的空腔中然后利用流体驱动介质驱使驱动载体的外表面贴附在成型工装的空腔的内表面上以便确定或标记相对应的驱动载体控制节点。然后再移除移除流体驱动介质并取出驱动载体，再进行步骤(4)。
另外，在步骤(4)中，优选通过缝合的方式或利用热塑性胶焊接的方式将所述复合材料增强织物固定到驱动载体外表面上驱动载体控制节点位置处。
优选的是，还可以通过控制线的牵引作用实现腔体结构预制体在成型工装的空腔中的准确定位。例如，在步骤(6)中，在通过向所述第一空腔中充入流体驱动介质使所述驱动载体延展变形的同时，牵引所述控制线的可滑动地穿过成型工装控制节点的那一端，从而使腔体结构预制体的外表面贴覆在所述成型工装的内表面上。
本发明对流动驱动介质没有特别的限制，但是应当能够借助流体驱动介质来为驱动载体的延展变形提供足够的压力，例如流体驱动介质可以是能够高度压缩的气体如空气或能够施加高压的液体例如水。
驱动载体是本发明的方法成功实现的重要辅助材料。在一些优选的实施方式中，所述驱动载体由具有弹性形变材料制成，更优选为由断裂延伸率不小于400％，例如不小于500％或者不小于600％的弹性形变材料制成。例如，所述驱动载体由薄膜材料或无纺布材料制成。在一些更具体的实施方式中，所述驱动载体可以由选自由尼龙薄膜材料、聚酰亚胺薄膜材料、芳纶无纺布材料、聚四氟乙烯无纺布材料组成的组的材料制成。在另外一些优选实施方式中，本发明通过采用了具有较大延伸率的薄层材料作为复合材料预制体例如纤维预制体的雏形的驱动载体，该驱动载体可在流体驱动介质的带动下进行变形运动，实现从复合材料预制体至最终构型的演变。
在另外一些优选的实施方式中，所述控制线具备韧性与变形能力，并且与所述树脂基体具有相容性；更优选的是，所述控制线选自由碳纤维线、玻璃纤维线、芳纶纤维线和超高分子量聚乙烯纤维线。
在另外一些优选的实施方式中，所述复合材料增强织物具有变形能力与规整性；优选的是，所述复合材料增强织物由干态连续纤维织物和/或干态短切纤维毡材料制备。
本发明对腔体结构的尺寸没有限制。例如，所述腔体结构的包络线最大长度可以为1000mm至1500mm，包络线最大宽度可以为300mm至500mm，包络线最大高度可以为150mm至300mm，壁厚可以为0.5mm至10mm。
在一些优选的实施方式中，所述述复合材料增强织物为复合材料铺层结构，例如可以由复合材料增强材料和表层材料铺层得到。复合材料增强材料优选为经编织物如T700-12K碳纤维多轴向经编织物。本文的多轴向经编织物可以由纤维方向相同或不同的多组经纱在经编织机上同时编织成圈、互相串套而成的针织物，单层厚度为0.125mm，面密度为135g/m2。表层可以为平纹织物如T300-3K碳纤维平纹织物，单层厚度可以为0.2mm，面密度可以为205g/m2。但是需要指出的是，本发明对复合材料增强织物没有特别限制，可以是例如经编织物、可以为纬编织物；可以为平纹织物，也可以是缎纹织物。在一些优选的是实施方式中，优选为包含经编织物。
在另外一些优选的实施方式中，所述液态树脂基体为选自由环氧树脂体系、双马来酰亚胺树脂体系和氰酸脂树脂体系组成的组。例如，树脂基体可以为6808中温环氧RTM树脂体系，后固化温度为130℃。
在另外一些优选的实施方式中，所述腔体结构的腔体主轴为非规则曲线；腔体主轴采用本领域技术人员通常理解的含义，即腔体截面中心点形成的轨迹。优选的是，腔体截面形状为非规则形状；进一步优选的是，腔体截面形状沿腔体主轴方向渐变。
在另外一些优选的实施方式中，所述驱动载体具有尺寸小于所述腔体结构的缩比构型；
优选的是，所述驱动载体具有尺寸相对于所述腔体结构为1:1.1～1:5的缩比构型，例如1:1.3的缩比构型。
在另外一些优选的实施方式中，所述成型工装控制节点设置在腔体结构几何形状发生变化尤其是变化剧烈的位置或型面曲率发生改变尤其是发生突变的对应位置，例如与腔体结构的特征点相对应的位置，并且相邻的所述成型工装控制节点之间的距离不超过100mm，例如不超过90mm、80mm、70mm、60mm或50mm，如相邻的所述成型工装控制节点之间的距离在50mm至100mm的范围内。
本发明第二方面提供了根据本发明第一方面所述的方法制得的腔体结构。优选的是，所述腔体结构可以为蛇形隐身气道。
本发明提出了一种特别适合于复合材料异型变截面薄壁腔体整体成型方法，尤其适用于复杂薄壁腔体结构，如隐身飞行器进气道等结构的整体成型。本发明方法首先制备一种与实际腔体结构具有近似几何相似性的驱动载体，然后在成型工装表面预制若干控制节点，可选地通过流体驱动介质使驱动载体变形，与成型工装表面贴合，并将成型工装上控制节点的位置标记在驱动载体上，形成驱动载体控制节点；接着，通过几何映射原理，可选地将复合材料增强织物的边界或内部特征点缝制在驱动载体的控制节点上，形成复合材料预制体的雏形。在成型过程中，在流体驱动介质的作用下，驱动载体带动预制体向模具表面运动，还优选同时在控制线的牵引下，预制体准确贴覆在成型工装表面上。最后，通过液态树脂基体注射与整体固化，实现异型变截面薄壁腔体结构的整体成型。本发明方法解决了复杂异型变截面薄壁腔体结构整体成型的技术难题，提高了结构的整体性与可靠性。
实施例
下面结合一些具体的实施例及附图详细说明本发明。但是这些实施例是说明性的而非限制性的，本发明的保护范围不限于这些实施例。
实施例1
本实施例制作一个复合材料异型变截面薄壁腔体结构，该腔体结构为进气道缩比件结构，其横向剖面如图2所示、纵向剖面如图3所示，包括驱动载体1、成型工装2、成型工装上的驱动载体控制节点(即成型工装控制节点)3、流动驱动介质4、驱动载体上的控制节点(即驱动载体控制节点)5、腔体结构预制体6、控制线7，腔体结构的包络线最大长度为1200mm，包络线最大宽度包络为460mm，包络线最大高度包络为220mm，壁厚为2.4mm，复合材料铺层为[(0/90)f/(45/0/-45/90)2]s,((0/90)f表示平纹织物，()2表示将小括号内的铺层进行两次循环，[]s表示首先将中括号内铺层铺放，在此基础上铺放与上述铺层对称的铺层。
在本实施例中，复合材料增强材料采用T700-12K碳纤维多轴向经编织物(多轴向经编织物是由纤维方向相同或不同的几组经纱在经编织机上同时编织成圈、互相串套而成的针织物)，其单层厚度为0.125mm，面密度为135g/m2；表层采用T300-3K碳纤维平纹织物制备，单层厚度为0.2mm，面密度为205g/m2；树脂基体采用6808中温环氧RTM树脂体系，后固化温度为130℃。
成型过程中驱动载体采用尼龙薄膜，厚度为0.1mm，断裂延伸率为500％，最高使用温度为205℃；控制线采用芳纶纤维；流体驱动介质为空气，驱动压力为0.6MPa。
上述复合材料异型变截面薄壁腔体结构整体成型的具体实施过程如图1所示：
(1)制备驱动载体：
利用几何映射原理，采用尼龙薄膜制备与实际结构相似的缩比构型，制备过程中采用焊接和胶接的方法形成与实际结构近似相似的1：1.3的缩比构型，形成驱动载体1。
(2)确定控制节点：
首先在成型工装2沿实际结构长度方向上均匀设置12排成型工装控制节点3，每排成型工装控制节点3的数量根据该处截面尺寸确定，确保相邻的成型工装控制节点3之间的距离不大于100mm。
(3)将制备好的驱动载体1置于成型工装2的空腔中，并将驱动载体1边界(即与腔体结构的开口周缘相对应的位置)固定在成型工装2上；在驱动载体1内施加流体驱动介质4，使其发生运动变形，将与成型工装2上控制节点3相对应的位置标记在驱动载体1上，形成驱动载体1的控制节点5。
(3)取出标记了控制节点5的驱动载体1，然后按铺层顺序将T700-12K多轴向经编织物和T300-3K平纹织物叠层的边界或内部特征点缝制在驱动载体1的控制节点5上，形成薄壁腔体结构预制体6的雏形，其中缝线采用芳纶纤维。
(4)将腔体结构预制体6置于成型工装2的空腔中，在驱动载体1的空腔中充入流体驱动介质4，驱动载体1在流体驱动介质4压力下延展变形，并带动腔体结构预制体6向成型工装2的空腔内表面运动，同时，在控制线7辅助牵引下，使腔体结构预制体6准确贴覆在成型工装2的空腔的内表面上，成型过程中腔体结构预制体6演变过程如图4所示。
(5)保持介质压力为0.6MPa，并对腔体结构预制体1抽真空，真空度为0.0095bar，同时将成型工装缓慢升温至70℃，然后在70℃恒温条件下完成6808树脂注射。
(6)根据6808树脂体系的固化制度完成复合材料固化成型。
(7)冷却后脱模，获得复合材料异型变截面薄壁腔体结构(如图5所示)。
根据肉眼观察，发现按本实施例所述方法制备的复合材料异型变截面薄壁腔体结构外观良好。采用三坐标检测方法对本实施例所述方法制备的复合材料异型变截面薄壁腔体结构进行尺寸精度检测，发现腔体结构的尺寸精度保持率高。为了检测该结构成型质量，还对腔体结构进行超声C扫描检测，检测结果显示，复合材料异型变截面薄壁腔体结构无明显分层和疏松，内部质量良好，与其他传统的成型方法相比，具有相当的内部质量与工艺效果，而在复杂制件的成型工艺性、制造成本等方面具有明显的优势。
实施例2
采用与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于，所述驱动载体由断裂延伸率为400％的芳纶无纺布材料制成。
实施例3
采用与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于，所述控制线为玻璃纤维线。
实施例4
采用与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于，所述复合材料增强织物中，复合材料增强材料采用纬编织物代替经编织物；表层材料采用缎纹织物代替平纹织物。
实施例5
采用与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于，所述液态树脂基体采用双马来酰亚胺树脂体系，后固化温度为142℃。
实施例6
采用与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于，所述驱动载体1:1.2的缩比构型。
实施例7
采用与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于，相邻的所述成型工装控制节点之间的距离不超过70mm。
实施例8
采用与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于，在利用流体驱动介质使腔体结构预制体6贴覆在成型工装2的空腔的内表面上时不借助于控制线7的辅助牵引。
表1.各实施例中制得的腔体结构检测结果
| 实施例 | 尺寸精度保持率(％) | 超声C扫描检测 |
| 实施例1 | 96％ | 无分层、疏松现象 |
| 实施例2 | 94％ | 无分层、疏松现象 |
| 实施例3 | 96％ | 无分层、疏松现象 |
| 实施例4 | 98％ | 无分层、疏松现象 |
| 实施例5 | 93％ | 无分层、疏松现象 |
| 实施例6 | 94％ | 无分层、疏松现象 |
| 实施例7 | 97％ | 无分层、疏松现象 |
| 实施例8 | 85％ | 有分层、但无疏松 |
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种制备腔体结构的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)根据待制备的腔体结构的外形提供与所述腔体结构的外形具有几何相似性的具有第一空腔的驱动载体；
(2)在具有第二空腔的成型工装的内表面上设置成型工装控制节点；
(3)在所述驱动载体上与所述成型工装控制节点相对应的位置确定驱动载体控制节点；
(4)将复合材料增强织物铺覆在所述驱动载体的外表面上，然后置于所述第二空腔中，并在驱动载体控制节点位置处将所述复合材料增强织物固定到所述驱动载体的外表面上，从而形成腔体结构预制体；
(5)利用控制线将相对应的成型工装控制节点与驱动载体控制节点连接，其中所述控制线的一端向外可滑动地穿过成型工装控制节点，另一端与该成型工装控制节点相对应的驱动载体控制节点固定连接；
(6)通过向所述第一空腔中充入流体驱动介质使所述驱动载体延展变形，直至所述腔体结构预制体的外表面贴覆在所述成型工装的内表面上；
(7)向所述第二空腔注入液态树脂基体；
(8)使所述树脂基体固化，从而得到所述腔体结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
在步骤(6)中，在通过向所述第一空腔中充入流体驱动介质使所述驱动载体延展变形的同时，牵引所述控制线的可滑动地穿过成型工装控制节点的一端，从而使腔体结构预制体的外表面贴覆在所述成型工装的内表面上。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：
所述驱动载体由具有弹性形变材料制成；更优选为由断裂延伸率不小于400％的弹性形变材料制成；
更优选的是，所述驱动载体由薄膜材料或无纺布材料制成；
进一步优选的是，所述驱动载体由选自由尼龙薄膜材料、聚酰亚胺薄膜材料、芳纶无纺布材料、聚四氟乙烯无纺布材料组成的组的材料制成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：
所述控制线具备韧性与变形能力，并且与所述树脂基体具有相容性；更优选的是，所述控制线选自由碳纤维线、玻璃纤维线、芳纶纤维线和分子量为超高分子量聚乙烯纤维线。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：
所述复合材料增强织物具有变形能力与规整性；
优选的是，所述复合材料增强织物由干态连续纤维织物和/或干态短切纤维毡材料制备；
进一步优选的是，所述述复合材料增强织物为复合材料铺层结构。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于：
所述液态树脂基体为选自由环氧树脂体系、双马来酰亚胺树脂体系和氰酸脂树脂体系组成的组。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于：
所述腔体结构的腔体主轴为非规则曲线；
优选的是，腔体截面形状为非规则形状；
进一步优选的是，腔体截面形状沿腔体主轴方向渐变。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于：
所述驱动载体具有尺寸小于所述腔体结构的缩比构型；
优选的是，所述驱动载体具有尺寸相对于所述腔体结构为1:1.1～1:1.4的缩比构型。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于：
所述成型工装控制节点和/或所述驱动载体控制节点设置在腔体结构几何形状发生变化或型面曲率发生改变的对应位置，并且相邻的所述成型工装控制节点之间的距离不超过100mm。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法制得的腔体结构；优选的是，所述腔体结构为蛇形隐身气道。
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