CN111483156B - 一种复合材料大型薄壁含筋半罩铺层方法 - Google Patents

一种复合材料大型薄壁含筋半罩铺层方法 Download PDF

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Abstract

一种复合材料大型薄壁含筋半罩铺层方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤一、用碳纤维增强树脂基预浸料制作用于铺设蒙皮的预浸料铺层，至少做出下列4种预浸料铺层中的两种或两种以上预浸料铺层，4种预浸料铺层为：预浸料铺层A：将待制作的复合材料大型薄壁含筋半罩蒙皮的在水平方向按形状分割，将分割后的各形状的表面展开，将制好的碳纤维增强树脂基预浸料切割成各形状表面展开的图形，即预浸料铺层A；预浸料铺层A是多块碳纤维增强树脂基预浸料，预浸料铺层A组合起来正好是复合材料大型薄壁含筋半罩的形状。

Description

一种复合材料大型薄壁含筋半罩铺层方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料大型薄壁含筋半罩铺层方法，属于复合材料成型领域。
背景技术
复合材料使用适当的工艺方法将两种或多种不同性质的材料复合而成的新材料，具有比单一材料更为优良的性能，具有质量轻、强度高、可设计性、耐腐蚀性能及电性能好等优点。在航空航天领域，先进的武器和空间结构与先进的复合材料技术紧密连接在一起。近十年，纤维增复合材料蓬勃发展，航空航天中开始大量使用纤维增强树脂基体复合材料替代原有金属结构件，实现产品轻量化的需求。
大型薄壁半罩是一种常用功能件和承力件，通常成对使用。为了增加薄壁半罩的强度，在半罩内壁或者外壁上设计多道法兰、环筋、纵筋以及立筋等。传统大型薄壁半罩采用铝合金通过钣金焊接而成，为了在保证产品的强度的同时实现一步减重，采用碳纤维增强树脂基预浸料铺贴热压成型复合材料大型薄壁半罩。由于半罩为非回转体结构且开口尺寸大，产品通过高温固化成型，纤维与树脂热膨胀系数不同带来的热应力使得产品的变形控制难度大。不同形式的加强筋大大增加了结构铺层设计的复杂程度。本发明提供一种复合材料大型薄壁含筋半罩铺层设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合材料大型薄壁含筋半罩铺层方法，解决复合材料大型薄壁含筋半罩成型变形问题。
一种复合材料大型薄壁含筋半罩铺层方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一、用碳纤维增强树脂基预浸料制作用于铺设蒙皮的预浸料铺层，至少做出下列4种预浸料铺层中的两种以上预浸料铺层，4种预浸料铺层为：
预浸料铺层A：将待制作的复合材料大型薄壁含筋半罩蒙皮在水平方向按结构特征分割，将分割后的各形状的表面展开，将纤维方向平行于水平方向的碳纤维增强树脂基预浸料切割成各形状表面展开的图形，即预浸料铺层A；预浸料铺层A是多块碳纤维增强树脂基预浸料，预浸料铺层A组合起来正好是复合材料大型薄壁含筋半罩的完整的蒙皮形状；
预浸料铺层B：将待制作的复合材料大型薄壁含筋半罩蒙皮在纵向进行切割，即切割线是多条由过轴线的平面与蒙皮相交的直线或曲线，切割后的预浸料铺层B为一整块材料，纤维方向平行于切割线方向，且预浸料铺层B在纵向纤维长度存在变化，即存在部分预浸料在纵向方向上是完全连续的，部分是减短的；即预浸料铺层B存在剪口，预浸料铺层B剪口拼接起来正好是一个立体的复合材料大型薄壁含筋半罩的完整的蒙皮形状；
预浸料铺层C：将一整块正20～70度方向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料在正20～70度方向进行切割，即切割线是穿过与轴心成20-70度角直线的平面与蒙皮相交的直线或曲线，切割后的预浸料铺层C为一整块材料，纤维方向平行于切割线方向；预浸料铺层C在切割方向纤维长度存在变化，即存在部分预浸料在纵向方向上是完全连续的，部分是减短的；即预浸料铺层C存在剪口，预浸料铺层C剪口拼接起来正好是一个立体的复合材料大型薄壁含筋半罩的完整的蒙皮形状；
预浸料铺层D：将一整块负20～70度方向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料在负20～70度方向进行切割，即切割线是穿过与轴心成20-70度角直线的平面与蒙皮相交的直线或曲线，切割后的预浸料铺层D为一块材料，纤维方向平行于切割线方向；预浸料铺层D在切割方向纤维长度存在变化，即存在部分预浸料在纵向方向上是完全连续的，部分是减短的；即预浸料铺层D存在剪口，预浸料铺层D剪口拼接起来正好是一个立体的复合材料大型薄壁含筋半罩的完整的蒙皮形状；
步骤二、选择步骤一中两种以上的预浸料在半罩模型上进行多层预浸料的蒙皮铺设；先将第一层预浸料铺层铺设在半罩模型上，铺设完成后，再进行第二层预浸料铺层的铺贴，第二层预浸料铺层铺贴在第一层预浸料上；第三层预浸料铺层铺贴在第二层预浸料上，以此类推；其中，相邻的预浸料铺层为不同种的预浸料铺层；每完成2到3层的铺贴后，进行抽真空压实处理，保证无褶皱或者气泡存在；
步骤三、当蒙皮的所有预浸料铺层铺贴完成后，再进行加强筋的铺贴，直到完成所有加强筋的铺贴；
步骤四、对整体产品进行加压高温固化成型；
其中，步骤三所述的加强筋有2-4种，4种加强筋也是用碳纤维增强树脂基预浸料制作；4种加强筋如下，
环筋：为用横向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料制作的加强筋；
纵筋：为用纵向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料制作的加强筋；
平面筋：为用的碳纤维增强树脂基预浸料制作的几何形状加强筋，其中间部位有镂空；
立筋：为垂直于蒙皮表面的加强筋，在制作立筋时，把立筋与预浸料铺层整体裁剪为一体的，使左右两个立筋贴在一起，
在铺贴加强筋时，选用二种以上的加强筋，对整个蒙皮表面进行多层铺贴。
步骤一所述的预浸料铺层C，将一整块正20～70度方向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料在正20～70度方向进行切割，所述的正20～70度方向为正45度；
步骤一所述的预浸料铺层D：将一整块负20～70度方向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料在负20～70度方向进行切割，所述的负20～70度方向为负45度。
本发明设计巧妙，制作简单，省时省力。实现大型薄壁含筋半罩的净尺寸成型，且其力学性能满足要求，且不易变形。本发明是碳纤维预浸料铺贴成型的大型薄壁含筋半罩，其重量相较于铝合金减少30.2%-38.8%本。发明可应用于含有相似结构的复合材料产品的铺层。
附图说明
图1、本发明实施例结构示意图；
图2、本发明实施例预浸料铺层A展开结构示意图；
图3、本发明实施例预浸料铺层B展开结构示意图；锥面柱面 0°铺层局部合并图；
图4、本发明实施例预浸料铺层C展开结构示意图；锥面柱面+45°铺层局部合并图；
图5、本发明悬臂加载实验对比分析图。其中复材罩为本发明的实验数据，铝质罩为已有技术的实验数据。
具体实施方式
一种复合材料大型薄壁含筋半罩铺层方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一、用碳纤维增强树脂基预浸料制作用于铺设蒙皮的预浸料铺层，至少做出下列4种预浸料铺层中的两种以上预浸料铺层，4种预浸料铺层为：
预浸料铺层A：将待制作的复合材料大型薄壁含筋半罩蒙皮在水平方向按结构特征分割，将分割后的各形状的表面展开，将纤维方向平行于水平方向的碳纤维增强树脂基预浸料切割成各形状表面展开的图形，即预浸料铺层A；预浸料铺层A是多块碳纤维增强树脂基预浸料，预浸料铺层A组合起来正好是复合材料大型薄壁含筋半罩的完整的蒙皮形状；
预浸料铺层B：将待制作的复合材料大型薄壁含筋半罩蒙皮在纵向进行切割，即切割线是多条由过轴线的平面与蒙皮相交的直线或曲线，切割后的预浸料铺层B为一整块材料，纤维方向平行于切割线方向，且预浸料铺层B在纵向纤维长度存在变化，即存在部分预浸料在纵向方向上是完全连续的，部分是减短的；即预浸料铺层B存在剪口，预浸料铺层B剪口拼接起来正好是一个立体的复合材料大型薄壁含筋半罩的完整的蒙皮形状；
预浸料铺层C：将一整块正20～70度方向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料在正20～70度方向进行切割，即切割线是穿过与轴心成20-70度角直线的平面与蒙皮相交的直线或曲线，切割后的预浸料铺层C为一整块材料，纤维方向平行于切割线方向；预浸料铺层C在切割方向纤维长度存在变化，即存在部分预浸料在纵向方向上是完全连续的，部分是减短的；即预浸料铺层C存在剪口，预浸料铺层C剪口拼接起来正好是一个立体的复合材料大型薄壁含筋半罩的完整的蒙皮形状；
预浸料铺层D：将一整块负20～70度方向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料在负20～70度方向进行切割，即切割线是穿过与轴心成20-70度角直线的平面与蒙皮相交的直线或曲线，切割后的预浸料铺层D为一块材料，纤维方向平行于切割线方向；预浸料铺层D在切割方向纤维长度存在变化，即存在部分预浸料在纵向方向上是完全连续的，部分是减短的；即预浸料铺层D存在剪口，预浸料铺层D剪口拼接起来正好是一个立体的复合材料大型薄壁含筋半罩的完整的蒙皮形状；
步骤二、选择步骤一中两种以上的预浸料在半罩模型上进行多层预浸料的蒙皮铺设；先将第一层预浸料铺层铺设在半罩模型上，铺设完成后，再进行第二层预浸料铺层的铺贴，第二层预浸料铺层铺贴在第一层预浸料上；第三层预浸料铺层铺贴在第二层预浸料上，以此类推；其中，相邻的预浸料铺层为不同种的预浸料铺层；每完成2到3层的铺贴后，进行抽真空压实处理，保证无褶皱或者气泡存在；
步骤三、当蒙皮的所有预浸料铺层铺贴完成后，再进行加强筋的铺贴，直到完成所有加强筋的铺贴；
步骤四、对整体产品进行加压高温固化成型；
其中，步骤三所述的加强筋有2-4种，4种加强筋也是用碳纤维增强树脂基预浸料制作；4种加强筋如下，
环筋：为用横向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料制作的加强筋；
纵筋：为用纵向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料制作的加强筋；
平面筋：为用的碳纤维增强树脂基预浸料制作的几何形状加强筋，其中间部位有镂空；
立筋：为垂直于蒙皮表面的加强筋，在制作立筋时，把立筋与预浸料铺层整体裁剪为一体的，使左右两个立筋贴在一起；
在铺贴加强筋时，选用二种以上的加强筋，对整个蒙皮表面进行多层铺贴。
步骤一所述的预浸料铺层C，将一整块正20～70度方向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料在正20～70度方向进行切割，所述的正20～70度方向为正45度；
步骤一所述的预浸料铺层D：将一整块负20～70度方向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料在负20～70度方向进行切割，所述的负20～70度方向为负45度。
本发明通过以下步骤实现：
步骤一：初始铺层展开图。分析产品结构，提取出产品中包含的锥面、柱面、法兰、环筋，将复杂的结构件拆解成多个特征单一的简单结构，对各个简单结构进行铺层展开。
步骤二： 典型铺层角度展开图合并。为了保证纤维的连续性，合并某一特定铺层角度下的相邻特征展开图。产品表面存在由锥面到柱面、由柱面到锥面以及由曲面到立筋的变曲面，预浸料纤维方向曲面的变化发生偏转。纤维实际铺放方向与纤维设计铺放方向不重合，偏转角过大会对复合材料构件力学性能造成影响。为了保证纤维方向与设计方向在给定的误差范围内。展开图合并时，在纤维尽可能连续的准则下考虑纤维铺放角度，对展开图合并进行角度与位置调整。
步骤三：整体铺层设计。通过多层纤维预浸料热压固化，计算出单层预浸料的厚度。根据大型薄壁含筋半罩的模型分别计算出各个厚度位置处的铺层数。根据产品工况，设计各个角度初始铺层比例，并根据复合材料铺层设计准则进行调整优化。
步骤四：环筋与纵筋铺层设计。产品环筋与纵筋特点为厚度与薄壁厚度相当，整体接触面积大，铺贴时，预浸料直接铺贴在薄壁面上。环筋与纵筋预浸料的纤维方向与筋的整体走向相同。如果遇到交叉的环筋与纵筋，且交叉处厚度与环向纵向厚度相同时，进行局部截断拼接处理。对于某一层铺层，设计环筋铺层纤维连续，纵筋铺层切断，与环筋拼接。
步骤五：立筋铺层设计。产品立筋垂直于薄壁面，两者之间的接触面为立筋的厚度与高度。立筋成型时预浸料铺贴面与薄壁面垂直，为了增加立筋与罩整体的连接强度，将立筋与薄壁面展开图进行合并处理。在与立筋连接的位置切开薄壁展开面，将立筋展开面与之合并。
步骤六：大型薄壁含筋半罩的整体铺层部分纤维完全连续，为了保证产品的强度，尽可能高的发挥出纤维的优良力学性能，每层预浸料铺贴时，用刮板、橡胶滚筒从纤维中间向两侧刮压、滚压，排除预浸料与模具或者预浸料层与层间夹杂的气泡。
步骤七：每完成2到3层的铺贴后，进行抽真空压实处理，保证无褶皱或者气泡存在。
步骤八：加压高温固化成型。
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示为一个大型薄壁半罩，由多个半柱面、半锥面组成，在柱面和锥面上存在纵横交错的环筋与纵筋，在罩体下方存在多个三角形立筋。一种复合材料大型薄壁含筋半罩铺层设计方法，包括如下步骤：
步骤一：初始铺层展开图。提取出大型薄壁半罩中包含的顶部锥面1、主体锥面2、中部柱面3、底部锥面4、底部柱面5以及薄壁外侧的多条纵筋6、环筋7与立筋8，如图1所示。对各个简单结构进行铺层展开，大型薄壁半罩局部展开图如图2所示，其中顶部锥面1展开对应扇面9，主体锥面2展开对应扇面10、中部柱面3展开对应矩形11、底部锥面4展开对应扇面12、底部柱面5展开对应矩形13。
步骤二： 典型铺层角度展开图合并。实施例1铺层为0°，90°以及+45°和-45°这四种角度，定义0°方向为半罩轴向，90°方向为周向方向，0°与90°的中心线方向为45°方向。为了保证纤维的连续性，合并这四种铺层角度下的相邻特征展开图。以典型的锥面和柱面合并为例，主体锥面2展开对应扇面10和中部柱面3展开对应的矩形11，0°局部合并展开图如图3所示，在该展开图中，纤维方向竖直。+45°局部合并展开图如图4所示，在该展开图中，纤维方向为45°，通过镜像可得到-45°局部合并展开图。
步骤三：整体铺层设计。通过多层纤维预浸料热压固化，计算出单层预浸料的厚度。根据大型薄壁含筋半罩的模型分别计算出各个厚度位置处的铺层数，根据产品工况，设计满足复合材料结构铺层设计准则的铺层顺序。
步骤四：环筋与纵筋铺层设计。产品环筋与纵筋特点为厚度与薄壁厚度相当，整体接触面积大，铺贴时，预浸料直接铺贴在薄壁面上。环筋与纵筋预浸料的纤维方向与筋的整体走向相同。如果遇到交叉的环筋与纵筋，且交叉处厚度与环向纵向厚度相同时，进行局部截断拼接处理。在筋铺层的第n层，设计环筋铺层纤维连续，纵筋铺层切断，与环筋拼接；在筋铺层的第n+1层，设计纵筋铺层纤维连续，环筋铺层切断，与环筋拼接。
步骤五：立筋铺层设计。立筋垂直于薄壁面，两者之间的接触面为立筋的厚度与高度。立筋成型时预浸料铺贴面与薄壁面垂直，为了增加立筋与罩整体的连接强度，将立筋与薄壁面展开图进行合并处理。在与立筋连接的位置切开薄壁展开面，将立筋展开面与之合并。
步骤六：大型薄壁含筋半罩的整体铺层部分纤维完全连续，为了保证产品的强度，尽可能高的发挥出纤维的优良力学性能，每层预浸料铺贴时，用刮板、橡胶滚筒从纤维中间向两侧刮压、滚压，排除预浸料与模具或者预浸料层与层间夹杂的气泡。
步骤七：每完成2到3层的铺贴后，进行抽真空压实处理，控制真空度大于95%，持续2h，保证无褶皱或者气泡存在。
步骤八：加压高温固化成型。
将实施例1所得到的复合材料大型薄壁含筋半罩和现有的铝制大型薄壁含筋半罩进行对比，重量减轻了31.8%。
将实施例1所得到的复合材料大型薄壁含筋半罩和现有的铝制大型薄壁含筋半罩按照产品使用工况设计悬臂力学实验。将罩子安装在工装上，开口向上，底部固支在工装上，构成一个悬臂结构。以500N为步长给罩子施加垂直向下的过载，一直施加到2500N。两个罩子的最大位移随加载力的变化曲线如图5所示。在相同的载荷下，复材罩的远端位移一直小于铝制罩，抗变形能力提高42.1%。
以上所述，仅仅是本发明较有代表性的实施例，并非对本发明的技术范围做出任何限制。

Claims (4)

1.一种复合材料大型薄壁含筋半罩铺层方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一、用碳纤维增强树脂基预浸料制作用于铺设蒙皮的预浸料铺层，至少做出下列4种预浸料铺层中的两种以上预浸料铺层，4种预浸料铺层为：
预浸料铺层A：将待制作的复合材料大型薄壁含筋半罩蒙皮在水平方向按结构特征分割，将分割后的各形状的表面展开，将纤维方向平行于水平方向的碳纤维增强树脂基预浸料切割成各形状表面展开的图形，即预浸料铺层A；预浸料铺层A是多块碳纤维增强树脂基预浸料，预浸料铺层A组合起来正好是复合材料大型薄壁含筋半罩的完整的蒙皮形状；
预浸料铺层B：将待制作的复合材料大型薄壁含筋半罩蒙皮在纵向进行切割，即切割线是多条由过轴线的平面与蒙皮相交的直线或曲线，切割后的预浸料铺层B为一整块材料，纤维方向平行于切割线方向，且预浸料铺层B在纵向纤维长度存在变化，即存在部分预浸料在纵向方向上是完全连续的，部分是减短的；即预浸料铺层B存在剪口，预浸料铺层B剪口拼接起来正好是一个立体的复合材料大型薄壁含筋半罩的完整的蒙皮形状；
预浸料铺层C：将一整块正20～70度方向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料在正20～70度方向进行切割，即切割线是穿过与轴心成20-70度角直线的平面与蒙皮相交的直线或曲线，切割后的预浸料铺层C为一整块材料，纤维方向平行于切割线方向；预浸料铺层C在切割方向纤维长度存在变化，即存在部分预浸料在纵向方向上是完全连续的，部分是减短的；即预浸料铺层C存在剪口，预浸料铺层C剪口拼接起来正好是一个立体的复合材料大型薄壁含筋半罩的完整的蒙皮形状；
预浸料铺层D：将一整块负20～70度方向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料在负20～70度方向进行切割，即切割线是穿过与轴心成20-70度角直线的平面与蒙皮相交的直线或曲线，切割后的预浸料铺层D为一块材料，纤维方向平行于切割线方向；预浸料铺层D在切割方向纤维长度存在变化，即存在部分预浸料在纵向方向上是完全连续的，部分是减短的；即预浸料铺层D存在剪口，预浸料铺层D剪口拼接起来正好是一个立体的复合材料大型薄壁含筋半罩的完整的蒙皮形状；
步骤二、选择步骤一中两种以上的预浸料在半罩模型上进行多层预浸料的蒙皮铺设；先将第一层预浸料铺层铺设在半罩模型上，铺设完成后，再进行第二层预浸料铺层的铺贴，第二层预浸料铺层铺贴在第一层预浸料上；第三层预浸料铺层铺贴在第二层预浸料上，以此类推；其中，相邻的预浸料铺层为不同种的预浸料铺层；每完成2到3层的铺贴后，进行抽真空压实处理，保证无褶皱或者气泡存在；
步骤三、当蒙皮的所有预浸料铺层铺贴完成后，再进行加强筋的铺贴，直到完成所有加强筋的铺贴；
步骤四、对整体产品进行加压高温固化成型。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料大型薄壁含筋半罩铺层方法，其特征在于，步骤三所述的加强筋有2-4种，4种加强筋也是用碳纤维增强树脂基预浸料制作；4种加强筋如下，
环筋：为用横向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料制作的加强筋；
纵筋：为用纵向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料制作的加强筋；
平面筋：为用的碳纤维增强树脂基预浸料制作的几何形状加强筋，其中间部位有镂空；
立筋：为垂直于蒙皮表面的加强筋，在制作立筋时，把立筋与预浸料铺层整体裁剪为一体的，使左右两个立筋贴在一起，
在铺贴加强筋时，选用二种以上的加强筋，对整个蒙皮表面进行多层铺贴。
3.根据权利要求1或2所述的一种复合材料大型薄壁含筋半罩铺层方法，其特征在于，步骤一所述的预浸料铺层C，将一整块正20～70度方向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料在正20～70度方向进行切割，所述的正20～70度方向为正45度。
4.根据权利要求1或2所述的一种复合材料大型薄壁含筋半罩铺层方法，其特征在于，步骤一所述的预浸料铺层D：将一整块负20～70度方向纤维的碳纤维增强树脂基预浸料在负20～70度方向进行切割，所述的负20～70度方向为负45度。
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