CN111196045A

CN111196045A - 适用于中空结构的整体缠绕成型方法及中空结构

Info

Publication number: CN111196045A
Application number: CN201811374096.2A
Authority: CN
Inventors: 李丽英; 张维军; 刘爱军; 王国勇
Original assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2020-05-26
Anticipated expiration: 2038-11-19
Also published as: CN111196045B

Abstract

本发明提供适一种用于中空结构的整体缠绕成型方法及中空结构，包括：按照中空结构的内表面成型芯模；制备预压实件，可贴合连接在芯模的外型面上，连接后，预压实件的外型面构成中空结构的正曲率型面；设计辅助工装，可贴合连接在芯模的除去连接预压实件的外型面的其余外型面上，辅助工装的与用于与芯模相贴合连接的型面相背的型面为正曲率型面；将预压实件和辅助工装按相应位置安装在芯模外型面上，然后按照设定的缠绕程序在辅助工装和预压实件的外型面进行缠绕；结束后，撤去辅助工装，并采用辅助工装的用于与芯模相贴合连接的型面压向芯模；固化、冷却脱模即得。该方法能够解决具有负曲率型面的中空结构无法采用整体缠绕方法成型的技术问题。

Description

适用于中空结构的整体缠绕成型方法及中空结构

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及一种适用于中空结构的整体缠绕成型方法及中空结构。

背景技术

缠绕成型工艺是将浸过树脂溶液的连续纤维(或布带、预浸纱)按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。纤维缠绕成型具有比强度高，可靠性高，生产效率高及能够按照产品的受力状况设计缠绕规律，充分发挥纤维的强度等诸多优点，是目前复合材料成型常用的成型方式之一。

然而，缠绕成型也具有一些缺点，例如，不能缠任意结构形式的制品，特别是表面有负曲率型面的制品，因为缠绕时，纤维不能紧贴芯模表面而架空。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的目的在于提供适一种用于中空结构的整体缠绕成型方法及中空结构，能够解决具有负曲率型面的中空结构无法采用整体缠绕方法成型的技术问题。

技术解决方案为：根据一方面，提供一种适用于中空结构的整体缠绕成型方法，该中空结构的部分型面为负曲率型面，中空结构的部分型面为负曲率型面，方法包括以下步骤：

设计芯模，按照所述中空结构的内表面形状成型所述芯模；

制备预压实件，所述预压实件可以贴合连接在所述芯模的外型面上，且所述预压实件与所述芯模连接后，所述预压实件的外型面构成所述中空结构的正曲率型面；

设计辅助工装，所述辅助工装可以贴合连接在所述芯模的除去连接所述预压实件的外型面的其余外型面上，且所述辅助工装的与用于与所述芯模相贴合连接的型面相背的型面为正曲率型面；

将所述芯模安装于缠绕轴上，并将所述预压实件和所述辅助工装按相应位置安装在所述芯模外型面上，然后按照设定的缠绕程序在所述辅助工装和预压实件的外型面进行缠绕；

缠绕结束后，撤去所述辅助工装，并采用所述辅助工装的用于与所述芯模相贴合连接的型面压向所述芯模，以使所述缠绕得到的缠绕层与所述芯模的外型面贴合；

固化、冷却后脱去芯模即得所述中空结构。

进一步地，所述预压实件采用短切纤维增强树脂预浸料成型得到。

进一步地，所述的预压实件与所述芯模粘接连接。

进一步地，所述缠绕成型法适用于布带缠绕成型或丝法缠绕成型。

进一步地，所述方法中，采用浸过树脂溶液的连续纤维进行缠绕。

进一步地，所述连续纤维为有机纤维或无机纤维的长连续纤维；树脂溶液中树脂为热固性树脂或热塑性树脂，且与所述短切纤维增强预浸料中的树脂的固化制度一致。

进一步地，所述成型方法中，采用热压罐工艺进行固化。

根据另一方面，提供一种中空结构，该结构采用上述成型方法成型得到。

进一步地，所述的中空结构为纺锤形壳体结构。

应用上述技术方案，通过设计缠绕辅助工装，将负曲率型面转为正曲率型面，整体缠绕结束后，除去辅助工装，将负曲率型面压实至工装表面，实现具有负曲率型面的中空结构的整体缠绕成型。该方法解决了纺锤形壳体结构无法整体缠绕成型的难点问题，该成型方法具有良好的工艺稳定性和可操作性，对具有负曲率型面复合材料构件的整体缠绕成型具有较好的推广借鉴意义。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为纺锤形壳体结构示意图；

图2为根据本发明实施例提供的成型方法中缠绕程序结束后所得缠绕结构的示意图；

图3为根据本发明实施例提供的缠绕程序结束后所得缠绕结构的爆炸示意图；

图4为根据本发明实施例提供的中空结构整体缠绕成型流程示意图。

上述附图包括以下附图标记：

10、中空结构；11、负曲率型面；20、芯模；30、预压实件；40、辅助工装；50、缠绕层。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

正如背景技术所提到的，目前的缠绕成型方法不能缠任意结构形式的制品，特别是表面有负曲率型面的制品，因为缠绕时，纤维不能紧贴芯模表面而架空，如图1所示的中空结构10、也即纺锤形壳体结构，具有依次相连接的四个外型面，其中，一一相对应的两个型面形成正曲率型面，即向外凸，另外一一相对的两个型面形成负曲率型面11，即相内凹。很显然，在缠绕成型时，该纺锤形壳体的负曲率型面处无法进行纤维(预浸有树脂)的缠绕。为解决这一技术问题，如图4所示，本发明实施例提供种适用于中空结构(具有负曲率型面)的整体缠绕成型方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、设计芯模20(也称为成型工装，如附图4所示)，按照所述中空结构10的内表面形状成型所述芯模20，并将芯模20安装于缠绕轴上，其中，所述芯模20的外表面形状与所述中空结构10的内表面形状一致；

步骤2、制备预压实件30，所述预压实件30可以贴合连接在所述芯模20的外型面上，且所述预压实件30与所述芯模20连接后，所述预压实件30的外型面构成所述中空结构10的正曲率型面；并将所述预压实件30和所述辅助工装40按相应位置安装在所述芯模20外型面上，

步骤3、设计辅助工装40，所述辅助工装40可以贴合连接在所述芯模20的除去连接所述预压实件30的外型面的其余外型面上，且所述辅助工装40的与用于与所述芯模20相贴合连接的型面相背的型面为正曲率型面；将所述芯模20安装于缠绕轴上，并将所述预压实件30和所述辅助工装40按相应位置安装在所述芯模20外型面上，

步骤4、然后按照设定的缠绕程序在所述辅助工装40和预压实件30的外型面进行缠绕；

步骤5、缠绕结束后，撤去所述辅助工装40，并采用所述辅助工装40的用于与所述芯模20相贴合连接的型面压向所述芯模20，以使所述缠绕得到的缠绕层50与所述芯模20的外型面贴合；

步骤6、固化、冷却后脱去芯模20即得所述中空结构10。

本发明实施例针对中空结构10存在负曲率型面11，无法整体缠绕成型的特点，设置缠绕用辅助工装40，将负曲率型面11转为正曲率型面，可实现纺锤形壳体结构的整体缠绕成型。该成型方法具有良好的工艺稳定性和可操作性，对具有负曲率型面11复合材料构件的整体缠绕成型具有较好的推广借鉴意义。

本发明实施例中，如图2和3所示，图2示出了根据本发明实施例提供的成型方法中缠绕程序结束后所得缠绕结构的示意图；图3示出了根据本发明实施例提供的缠绕程序结束后所得缠绕结构的爆炸示意图；其中：

在制备所述预压实件30时，所述预压实件30为所述中空结构10组成的一部分，由于上述中空结构10具有正曲率型面，这部分(预压实件30)不需要相应设置辅助工装40，直接基于所述中空结构10形状即可成型出所述预压实件30，并且，该预压实件30与芯模20安装后，在所述预压实件30的外型面对应中空结构10的外型面，即在所述预压实件30的外型面上恰好可以成型所述中空结构10的正曲率型面。在设计所述辅助工装40时，所述辅助工装40用于辅助所述中空结构10的负曲率型面11的缠绕成型，可知上述芯模20必然具备与中空结构10相对应的负曲率型面11，基于此，设计辅助工装40能够贴合连接在该负曲率型面11上(贴合面称为内型面)，且所述辅助工装40的外型面需构成正曲率型面，此外，本领域技术人员应当理解，可以根据缠绕需求(中空结构10负曲率型面11大小等)，设计该辅助工装40的外型面和外型面之间的距离，不能过大或过小，最好所述辅助工装40和所述预压实件30之间可以光滑过渡。

本发明实施例中，本领域技术人员应当理解，上述的步骤1～3的顺序可根据实际情况进行调换，此外，上述的辅助工装40和芯模20之间为可拆卸连接。

作为本发明一种实施例，所述预压实件30可以采用短切纤维增强树脂预浸料成型得到。

作为本发明一种实施例，为了便于预压实件30可所述芯模20可拆卸的连接，所述的预压实件30与所述芯模20粘接连接。

作为本发明一种实施例，上述的缠绕成型法适用于目前的布带缠绕成型或丝法缠绕成型。

作为本发明一种实施例，所述方法中，缠绕成型所用原料可采用现有缠绕方法所用原料，即可以采用浸过树脂溶液的连续纤维进行缠绕。

本发明实施例中，连续纤维为有机纤维或无机纤维的长连续纤维；树脂为热固性树脂或热塑性树脂，且与所述短切纤维增强预浸料中的树脂的固化制度一致，以保证固化效果。

作为本发明一种实施例，为了便于结构成型，所述成型方法中，在缠绕结束后，采用热压罐工艺进行固化。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。

如图1所示，制作一个纺锤形壳体结构，缠绕层厚度为13mm，材料选用T700碳纤维/环氧树脂纤维布。

如图2-4，具体实施过程如下：

第一步：采用短切碳纤维/环氧预混料制备模压预压实件。

第二步：将纺锤形壳体结构成型工装安装于缠绕轴上；

第三步：将缠绕辅助工装安装于成型工装上；

第四步：将预压实件粘接于成型工装上；

第五步：按照设计的缠绕厚度13mm及结构构型，设定缠绕程序进行缠绕；

第六步：缠绕结束后，撤去辅助工装，并用辅助工装使复合材料紧贴芯模表面；

第七步：采用热压罐工艺，按照环氧树脂的固化工艺进行固化；

第八步：冷却后脱模，获得纺锤形壳体结构产品。

具体实施例2：

如图1所示，制作一个纺锤形壳体结构，缠绕层厚度为13mm，材料选用石英纤维/酚醛树脂纤维布。

如图2-4，具体实施过程如下：

第一步：采用短切石英纤维/酚醛预混料制备模压预压实件。

第二步：将纺锤形壳体结构成型工装安装于缠绕轴上；

第三步：将缠绕辅助工装安装于成型工装上；

第四步：将预压实件粘接于成型工装上；

第七步：采用热压罐工艺，按照酚醛树脂的固化工艺进行固化；

第八步：冷却后脱模，获得纺锤形壳体结构产品。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims

1.一种适用于中空结构的整体缠绕成型方法，所述中空结构的部分型面为负曲率型面，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

设计芯模，按照所述中空结构的内表面形状成型所述芯模；

固化、冷却后脱去芯模即得所述中空结构。

2.根据权利要求1所述的一种适用于中空结构的整体缠绕成型方法，其特征在于，所述预压实件采用短切纤维增强树脂预浸料成型得到。

3.根据权利要求1所述的一种适用于中空结构的整体缠绕成型方法，其特征在于，所述的预压实件与所述芯模粘接连接。

4.根据权利要求1所述的一种适用于中空结构的整体缠绕成型方法，其特征在于，所述缠绕成型法适用于布带缠绕成型或丝法缠绕成型。

5.根据权利要求1-4述的一种适用于中空结构的整体缠绕成型方法，其特征在于，所述方法中，采用浸过树脂溶液的连续纤维进行缠绕。

6.根据权利要求5所述的一种适用于中空结构的整体缠绕成型方法，其特征在于，所述连续纤维为有机纤维或无机纤维的长连续纤维；树脂溶液中树脂为热固性树脂或热塑性树脂，且与所述短切纤维增强预浸料中的树脂的固化制度一致。

7.根据权利要求1所述的一种适用于中空结构的整体缠绕成型方法，其特征在于，所述成型方法中，采用热压罐工艺进行固化。

8.一种中空结构，其特征在于，所述中空结构采用权利要求1-7所述的成型方法成型得到。

9.根据权利要求8所述的一种中空结构，其特征在于，所述的中空结构为纺锤形壳体结构。