CN110614778A - 一种防热-隔热-承载组合式一体化预制体结构及数字化成形工艺 - Google Patents

一种防热-隔热-承载组合式一体化预制体结构及数字化成形工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防热‑隔热‑承载组合式一体化预制体结构及数字化成形工艺。该结构包括防热层、隔热层以及承载层，层间通过组合式导向套连接。该数字化成形工艺将预制体三维模型采用切片软件沿垂直方向进行分层，提取分层后每一层截面轮廓信息，并对复合材料构件进行有限元分析，确定热量传递与纤维体积分数的关系，计算每一层的层密度，根据每一层层密度规划单层纤维束走向，并确定纤维束铺放路径参数，根据提取的截面轮廓信息以及优化后的纤维束铺放路径、定位板孔径参数以及导向套尺寸参数，加工出符合使用要求的定位板，在定位底板上依次布置组合式导向套，依次进行织造，最后经致密化成型制备防热‑隔热‑承载组合式一体化复合材料。

Description

一种防热-隔热-承载组合式一体化预制体结构及数字化成形 工艺
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种防热-隔热-承载组合式一体化预制体结构及数字化成形工艺，用于复合材料防热-隔热-承载一体化热防护领域。
背景技术
连续纤维增强复合材料具有高比强度、高比刚度、优异的热稳定性以及可设计性强等特点，广泛应用于航空航天、交通运输等领域。其中纤维增强碳基和陶瓷基复合材料由于具有耐高温、抗冲击等优点，成为航空领域高温结构件的首选材料，比如各种类型飞行器的热防护系统。
随着航空航天、交通运输等领域对轻量化要求的不断提升，以及正朝着多功能一体化的方向发展，未来飞行器热防护系统正朝着防热-隔热-承载多功能一体化的方向发展，那么就对预制体成形工艺提出了更高的要求。目前，受限于制备工艺以及预制体自身的结构特征，导致具有多层结构的预制体难以整体成形，同时浸渍后的复合材料构件抗分层能力差，成为热防护系统复合材料构件一体化成形的瓶颈。
针对具有多层结构预制体一体化成形难的问题，因此一种防热-隔热-承载多层预制体一体化整体成形成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明为解决上述问题，实现热防护领域典型构件防热-隔热-承载一体化，进一步提升热防护系统的性能，降低复合材料构件的重量，提出一种防热-隔热-承载组合式一体化预制体结构及数字化成形工艺。
本发明采用如下的技术方案：
一种防热-隔热-承载组合式一体化预制体结构及数字化成形工艺，一体化预制体结构包括防热层（1）、隔热层（2）、承载层（3）以及连接防热层（1）、隔热层（2）、承载层（3）的组合式导向套（4），一体化预制体的数字化成形工艺步骤包括：
S1：根据预制体三维模型采用通用切片软件沿垂直方向进行分层，提取防热层（1）、隔热层（2）以及承载层（3）分层后每一层截面轮廓信息，同时对复合材料构件进行有限元分析，确定不同方向热量传递与该方向纤维体积分数的关系，再根据热量传递与各方向纤维体积分数关系模型确定每一层的层密度，根据计算出的层密度规划每一层纤维束的走向，并定义纤维束铺放路径、定义定位板孔径参数以及定义导向套尺寸参数；
S2：根据步骤S1提取的截面轮廓信息以及优化后的纤维束铺放路径、定位板孔径参数以及导向套尺寸参数，加工出符合使用要求的定位板；
S3：依据预制体的三维模型和S1提取的截面轮廓信息，在定位底板上布置防热层（1）的组合式导向套（4），形成防热层（1）的导向阵列，防热层（1）的导向套（4）表层沿轴向布置坎合槽，组合导向套上坎合槽的数量相同或不同，坎合槽宽度相同或不同，坎合槽形状相同或不同；
S4：以所述组合式导向套（4）组成的导向阵列为支撑，根据步骤S1优化后的纤维束路径将纤维束沿导向套（4）编织，并固定在导向套（4）表面的坎合槽中，通过张紧力传感器（9）和张力调控装置（5）对不同路径上的纤维束进行张紧力实时调控，使每一段纤维束都处于不同张紧状态，完成防热层（1）预制体的织造；
S5：依据预制体的三维模型和S1提取的截面轮廓信息，在防热层（1）的导向阵列基础上，进行隔热层（2）的组合式导向套布置，形成隔热层（2）的导向阵列，隔热层（2）的导向套（4）表层沿轴向布置坎合槽，组合导向套上坎合槽的数量相同或不同，坎合槽宽度相同或不同，坎合槽形状相同或不同；
S6：重复步骤S4，完成隔热层（2）预制体的织造；
S7：依据预制体的三维模型和S1提取的截面轮廓信息，在隔热层（2）的导向阵列基础上，进行承载层（3）的组合式导向套布置，形成承载层（3）的导向阵列，承载层（3）的导向套（4）表层沿轴向布置坎合槽，组合导向套上坎合槽的数量相同或不同，坎合槽宽度相同或不同，坎合槽形状相同或不同；
S8：重复步骤S4，完成承载层（3）预制体的织造；
S9：防热层（1）、隔热层（2）以及承载层（3）织造完成后，完成防热-隔热-承载一体化预制体的织造；
S10：将防热-隔热-承载一体化预制体进行致密化成型，制备出防热-隔热-承载一体化复合材料构件。
进一步的，通过有限元分析并确定不同方向热量传递与该方向纤维体积分数的关系，需首先根据复合材料构件实际使用工况定义有限元分析中的边界条件，再根据均匀化理论计算热量分布与各方向纤维体积分数关系，将各方向的纤维体积分数平均分配到每一层上。
进一步的，根据计算出的层密度规划每一层纤维束的走向，首先根据有限元分析的热量分布路径信息，采用Python编写的程序提取构件内部热量分布路径的节点坐标信息，再根据节点坐标信息在切片软件中定义纤维束走向，尽量将纤维束铺放路径沿着热量分布路径，完成纤维束路径的铺放设计。
进一步的，防热层（1）、隔热层（2）和承载层（3）通过组合式导向套（4）进行连接，能够有效降低预制体成形中以及浸渍后构件的分层效应，实现多结构预制体一体化成形。
进一步的，防热层（1）、隔热层（2）和承载层（3）选用纤维材质为碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维的一种或多种，选用的基体材料为树脂、碳、陶瓷的一种或多种。
进一步的，组合式导向套（4）材质为纤维增强碳基或者陶瓷基复合材料、金属、纯树脂的一种或多种，所述导向套（4）可以为空心管、半空心管、实心棒的一种或多种，所述导向套（4）截面形状为锯齿形、矩形、半圆形、波浪形的一种或多种。
进一步的，张紧力调控装置安装在编织针和纤维滚筒之间，通过张力传感器测量输送过程中纱线的张力，再与设定值进行比较，实时调整，使纤维束始终处于张紧状态。
进一步的，组合式导向套可以通过螺纹连接、粘接、铆接以及插接中的一种或多种方式进行组合。
本发明具有以下优点：
1、本发明首先根据构件三维模型沿某一方向进行分层，依据层截面轮廓信息进行织造，实现预制体降维织造，降低工艺难度。
2、本发明纤维束铺放路径沿着构件内部热量传递方向，最大限度的发挥不同种类纤维的性能。
3、本发明防热层、隔热层和承载层沿着组合式导向套缠绕成形，组合式导向套可通过螺纹连接、粘接、铆接以及插接中的一种或多种连接，能够实现多结构、多材料预制体整体成形，浸渍后的复合材料构件能够有效降低分层效应。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示
意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了防热-隔热-承载组合式一体化预制体结构的示意图；
图2示出了一种组合式导向套示意图；
图3示出了组合式导向套连接示意图；
图4示出了张紧力实时调控系统的示意图；
图5示出了纤维沿着坎合结构导向套织造过程示意图；
图6示出了一种防热-隔热-承载坎合一体化预制体经渗碳浸渍后的复合材料示意图。
附图标记
1—防热层，2—隔热层，3—承载层，4—组合式导向套，5—张紧力调控装置，6—防热-隔热-承载一体化预制体，7—底板，8—纤维张力仪，9—纤维束，10—织造针。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实例来详细说明本发明。
根据本发明典型的实施案例，要制备的多结构预制体如图1所示。首先，制备如图2所示的带坎合结构导向套，实施案例中组合式导向套为实心圆柱形，纤维束沿着不同导向套间处于同一水平面的坎合槽间进行缠绕。
根据本发明的实施案例，组合式导向套材质为铝合金，通过AB胶将不同尺寸导向套粘接成一体，如图3所示。
根据本发明的实施案例，张力实时调控如图3所示，张力调整装置如3所示，根据纤维张力仪（8）中测得的纤维束（9）在织造过程中的张紧力值，通过控制程序判断是否在设定区间内，如果测量值在设定区间内，则张力调整装置（5）保持不动，如果张力测量值不在设定区间内，则张力调整装置（5）沿着垂直纤维方向运动或者沿着平行纤维方向运动，以达到调整纤维束张力值在设定区间内。
根据本发明的实施案例，纤维束路径信息规划完成后分别进行防热层（1）、隔热层（2）以及承载层（3）的织造，织造过程如图4所示，织造针（10）带着纤维束沿着相邻导向套两个坎合槽之间进行织造，在这里导向套直径为4mm，坎合圆柱直径为6mm，相邻两个导向套中心距为20mm。坎合导向套（4）固定在底板（7）上。
根据本发明的实施案例，防热层（1）纤维选用碳化硅纤维，隔热层（2）纤维选用石英纤维，承载层（3）纤维选用碳纤维。
所有层织造完成后，制备出如图1所示的多结构、多材料坎合连接预制体，经过渗碳处理，制备出连续纤维增强碳基复合材料（6），如图5所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种防热-隔热-承载组合式一体化预制体结构及数字化成形工艺，其特征在于，包括防热层（1）、隔热层（2）、承载层（3）以及连接所述防热层（1）、隔热层（2）、承载层（3）的组合式导向套（4），所述数字化成形工艺步骤包括：
S1：根据预制体三维模型采用通用切片软件沿垂直方向进行分层，提取防热层（1）、隔热层（2）以及承载层（3）分层后每一层截面轮廓信息，同时对复合材料构件进行有限元分析，确定不同方向热量传递与该方向纤维体积分数的关系，再根据热量传递与各方向纤维体积分数关系模型确定每一层的层密度，根据计算出的层密度规划每一层纤维束的走向，并定义纤维束铺放路径、定义定位板孔径参数以及定义导向套尺寸参数；
S2：根据步骤S1提取的截面轮廓信息以及优化后的纤维束铺放路径、定位板孔径参数以及导向套尺寸参数，加工出符合使用要求的定位板；
S3：依据预制体的三维模型和S1提取的截面轮廓信息，在所述定位底板上布置防热层（1）的组合式导向套（4），形成防热层（1）的导向阵列，所述防热层（1）的导向套（4）表层沿轴向布置坎合槽，所述组合导向套上坎合槽的数量相同或不同，坎合槽宽度相同或不同，坎合槽形状相同或不同；
S4：以所述组合式导向套（4）组成的导向阵列为支撑，根据步骤S1优化后的纤维束路径将纤维束沿导向套（4）编织，并固定在导向套（4）表面的坎合槽中，通过张紧力传感器（9）和张力调控装置（5）对不同路径上的纤维束进行张紧力实时调控，使每一段纤维束都处于不同张紧状态，完成防热层（1）预制体的织造；
S5：依据预制体的三维模型和S1提取的截面轮廓信息，在所述防热层（1）的导向阵列基础上，进行所述隔热层（2）的组合式导向套布置，形成隔热层（2）的导向阵列，所述隔热层（2）的导向套（4）表层沿轴向布置坎合槽，所述组合导向套上坎合槽的数量相同或不同，坎合槽宽度相同或不同，坎合槽形状相同或不同；
S6：重复步骤S4，完成隔热层（2）预制体的织造；
S7：依据预制体的三维模型和S1提取的截面轮廓信息，在所述隔热层（2）的导向阵列基础上，进行所述承载层（3）的组合式导向套布置，形成承载层（3）的导向阵列，所述承载层（3）的导向套（4）表层沿轴向布置坎合槽，所述组合导向套上坎合槽的数量相同或不同，坎合槽宽度相同或不同，坎合槽形状相同或不同；
S8：重复步骤S4，完成承载层（3）预制体的织造；
S9：所述防热层（1）、隔热层（2）以及承载层（3）织造完成后，完成防热-隔热-承载一体化预制体的织造；
S10：将防热-隔热-承载一体化预制体进行致密化成型，制备出防热-隔热-承载一体化复合材料构件。
2.根据权利要求1所述的一种防热-隔热-承载一体化预制体结构及数字化成形工艺，其特征在于，所述的进行有限元分析并确定不同方向热量传递与该方向纤维体积分数的关系，需首先根据复合材料构件实际使用工况定义有限元分析中的边界条件，再根据均匀化理论计算热量分布与各方向纤维体积分数关系，将各方向的纤维体积分数平均分配到每一层上。
3.根据权利要求1所述的一种防热-隔热-承载一体化预制体结构及数字化成形工艺，其特征在于，所述的计算出的层密度规划每一层纤维束的走向，首先根据权利要求2所述有限元分析的热量分布路径信息，采用Python编写的程序提取构件内部热量分布路径的节点坐标信息，再根据节点坐标信息在切片软件中定义纤维束走向，尽量将纤维束铺放路径沿着热量分布路径，完成纤维束路径的铺放设计。
4.根据权利要求1所述的一种防热-隔热-承载一体化预制体结构及数字化成形工艺，其特征在于，所述的防热层（1）、隔热层（2）和承载层（3）通过组合式导向套（4）进行连接，能够有效降低预制体成形中以及浸渍后构件的分层效应，实现多结构预制体一体化成形。
5.根据权利要求1所述的一种防热-隔热-承载一体化预制体结构及数字化成形工艺，其特征在于，所述的防热层（1）、隔热层（2）和承载层（3）选用纤维材质为碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维的一种或多种，选用的基体材料为树脂、碳、陶瓷的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种防热-隔热-承载一体化预制体结构及数字化成形工艺，其特征在于，所述的组合式导向套（4）材质为纤维增强碳基或者陶瓷基复合材料、金属、纯树脂的一种或多种，所述导向套（4）可以为空心管、半空心管、实心棒的一种或多种，所述导向套（4）截面形状为锯齿形、矩形、半圆形、波浪形的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种防热-隔热-承载一体化预制体结构及数字化成形工艺，其特征在于，所述的张紧力调控装置安装在编织针和纤维滚筒之间，通过张力传感器测量输送过程中纱线的张力，再与设定值进行比较，实时调整，使纤维束始终处于张紧状态。
8.根据权利要求1所述的一种防热-隔热-承载一体化预制体结构及数字化成形工艺，其特征在于，所述的组合式导向套可以通过螺纹连接、粘接、铆接以及插接中的一种或多种方式进行组合。
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