CN111590917B - 一种变截面r角空隙碳捻丝的填充方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，该制作方法通过三维软件对复合材料结构件的几何模型进行分析，将R角区域分割，根据曲率变化进行分段，并计算其每个变截面的横截面积及每个变截面横截面上所需填充碳捻丝的宽度；以变截面积最小的碳捻丝宽度尺寸制造基准碳捻丝，然后在截面增大的相应位置处，按照尺寸的差值再对基准碳捻丝加宽，形成碳捻丝预成形体，然后将该碳捻丝预成形体填充到相应的R角区域内，并对R角尖角区域进行补偿。本发明填充方法，可以保证变截面R角区域内部质量，确保捻丝附近铺层纤维走向规整，保证了变截面碳捻丝区域的尺寸和厚度提高了产品的质量稳定性。

Description

一种变截面R角空隙碳捻丝的填充方法

技术领域

本发明涉及一种变截面R角空隙碳捻丝的填充方法。

背景技术

树脂基碳纤维复合材料具有比强度、比刚度高，可设计性强，抗疲劳断裂性能好，耐腐蚀，尺寸稳定性好等优越的性能，是目前航空、航天、交通等领域中应用十分广泛的高性能结构材料。

随着对复合材料零件强度、刚度要求的日益提高，零件的结构也越来越复杂，在飞机的研制过程中存在很多变曲率的复合材料结构件，如加筋类壁板结构件、工型梁、J型梁等；作为典型结构件，这类零件采用整体一次共固化工艺的制造方式进行制造，可以保证载荷强度满足要求，已逐渐成为应用到民用飞机领域的主承力结构件。该类复合材料零件，在制造过程中筋条一般是由两个左右构件组合而成，筋条与上下蒙皮结合时，筋条拐角与蒙皮之间产生一定三角空隙，即R角区域，简称R角。在很多复合材料零件中，R角区域的横截面为变截面，截面尺寸变化较为剧烈，如图1至图3所示。树脂基复合材料在固化过程中固化反应放热以及材料热胀冷缩等因素都会对捻丝条三角区域填充效果产生影响，因此对三角空隙进行填充时必须选择一个合理的使用量和填充方式以获得最佳成型质量。

传统的碳捻丝铺放方法为使用单向带预浸料沿着0°方向卷成圆柱状，再用表面光洁的金属圆棒（直径与三角区相适）滚压成形。但是，这种方式制备得到的碳捻丝很难做出变截面形式的碳捻丝条以及很难制造出三角区域的尖角，由于制作的捻丝为变截面，如图4所示，其尖角比较尖锐，采用常规的手工、普通的钢模模压或者拉挤工艺均无法实现变截面捻丝的预成型，其尖角部分更是很难成型，因此制作的碳捻丝在三角区域不能充分匹配，导致捻丝附近铺层产生褶皱以及明显的树脂填充，无法保证产品质量的稳定性，甚至出现无损分层或者孔隙。如图5所示，捻丝条在三角区域不易控制，R角尺寸和厚度不易保证，R角处的外部有明显的树脂填充，内部纤维产生褶皱等。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明可提供一种变截面R角空隙碳捻丝的填充方法。通过分析复合材料结构件的数学模型，计算出每一个变截面所需的碳捻丝宽度，制作碳捻丝进行填充，使R角三角区的表面质量和内部质量等均符合设计要求，保证产品质量稳定性。具体技术方案如下：

一种变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，包括的步骤如下：

1）量化分析：通过软件对复合材料结构件的数学模型进行分析，将需要填充碳捻丝的R角区域分割出来进行量化分析并分段，然后计算每段变截面的横截面积；

2）计算碳捻丝宽度：通过宽度计算公式计算出步骤1）中R角区域每段变截面的横截面上需要填充的碳捻丝宽度；

3）制作基准碳捻丝：根据步骤2）中计算得到的横截面积最小处碳捻丝的宽度，采用预浸单向带制成一根整长（长度与R角区域等长）的碳捻丝，，作为基准碳捻丝；

4）碳捻丝加宽：然后根据步骤2）中计算得到的其他变截面处碳捻丝的宽度，在横截面积增大的相应位置，增加步骤3）制作的基准碳捻丝的宽度作为变截面增大的补偿，形成碳捻丝预成形体；

5）碳捻丝填充：将步骤4）制作的碳捻丝预成形体填充在复合材料结构件合模形成的R角区域，碾压至平整；并在R角区域的三个尖角处分别填充预浸单向带窄带进行补偿，至目视无缝隙为止；

6）封装固化成型。

前述述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，步骤1）中，所述分段为根据R角区域的曲率变化进行分段。

前述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，步骤2）中，所述宽度计算公式为：L=S/h；式中：L为碳捻丝的宽度；S为变截面的横截面积；h为单层预浸单向带的厚度。

作为优选的技术方案的，前述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，步骤3）中，所述基准碳捻丝制作为采用常规的方法将预浸单向带卷成一根整长的碳捻丝圆柱，然后采用专有的碳捻丝工装进行预压成型，形成基准碳捻丝。

作为优选的技术方案的，前述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，所述专用碳捻丝工装是根据R角区域横截面积最小处的尺寸及外形所设计的左右组合式模具。

作为优选的技术方案的，前述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，所述预压成型为常温下通过专用碳捻丝工装挤压成形，挤压时间为5～10min。

作为优选的技术方案的，前述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，步骤4）中，所述碳捻丝加宽的方式为：计算横截面积增大位置的碳捻丝与基准碳捻丝宽度的尺寸差值，在基准碳捻丝相应位置处，再卷上一段预浸单向带，增加碳捻丝的宽度使碳捻丝预成形体符合R角区域的曲率变化。

作为优选的技术方案的，前述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，步骤5）中，所述碳捻丝填充具体操作为：

S5-1：在合模的复合材料结构件形成的R角区域第一尖角处填充一条预浸单向带窄带，以保证第一尖角中有碳捻丝填充；

S5-2：将步骤4）制作的碳捻丝预成形体放入R角区域的空隙处并进行碾压至平整；

S5-3：在R角区域第二尖角和第三尖角处再分别填充一条预浸单向带窄带进行补偿，直至目视无可见缝隙为止。

作为优选的技术方案的，前述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，所述预浸单向带窄带的宽度为2～5mm。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明具有以下几个优势：

（1）与传统制备碳捻丝方法相比，该方式制备碳捻丝解决了零件内部质量缺陷，解决了R角区域因为空隙被树脂填充或者附近蒙皮铺层褶皱的情况；

（2）本发明方法填充变截面碳捻丝可以更好的匹配变曲率复合材料结构件的填充区域，改善了等截面碳捻丝无法充分匹配变曲率复合材料结构件导致的内部孔隙等质量问题；

（3）可大大改善变曲率复合材料结构件R角区域的尺寸和厚度，保证R角区域的表面质量和内部质量。

附图说明

图1为工型梁复合材料结构件的横截面示意图；

图2和图3为变截面R角区域结构示意图；

图4为现有方式制作的碳捻丝结构示意图；

图5为传统方式下碳捻丝区域金相图；

图6为R角区域尖角填充示意图；

图7为本发明填充方法填充碳捻丝的金相图。

图中：1、材料铺层；2、R角区域；21、第一尖角；22、第二尖角；23、第三尖角；3、预浸单向带窄带。

具体实施方式

下面将结合实施例及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明部分较佳实施例，而不是全部的实施例，亦并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用所揭示的技术内容加以变更或改型等同变化。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

本实施例是一种变截面R转角空隙碳捻丝的填充方法，包括的步骤如下：

1）量化分析：通过CATIA软件或其他合适的软件对加筋类壁板结构件、工型梁、J型梁等复合材料结构件的几何模型进行分析，将需要填充碳捻丝的R角区域分割出来进行量化分析，根据R角区域横截面曲率的变化对其进行分段，并计算其每段变截面的横截面积。

2）计算碳捻丝宽度：通过宽度计算公式计算出步骤1）所述中R角区域每段变截面的横截面上所需填充的碳捻丝宽度；所述宽度计算公式为：

L=S/h

式中，L为碳捻丝的宽度，S为变截面的横截面积，h为单层预浸单向带的厚度。

3）制作基准碳捻丝：根据步骤2）中计算得到的变截面最小处所需碳捻丝的宽度尺寸，采用常规方法将预浸单向带卷成一根整长（长度与R角区域等长）的碳捻丝圆柱，然后采用专用的碳捻丝工装进行预压成型，作为基准碳捻丝。所述专用碳捻丝工装是根据R角区域横截面积最小处的尺寸及外形所设计的左右组合式模具，常温下将预浸单向带卷成的碳捻丝圆柱通过专用碳捻丝工装挤压5～10min，预压成型，形成基准碳捻丝。

4）碳捻丝加宽：根据步骤2）中计算得到的其他段变截面碳捻丝的宽度尺寸，在截面增大的相应位置，按照尺寸的差值再在基准碳捻丝上卷一段预浸单向带作为变截面增大的补偿，形成结构符合R角区域的曲率变化的碳捻丝预成形体。

5）碳捻丝填充：将复合材料结构件的两片材料铺层1合模，形成R角区域2；先在R角区域2的第一尖角21处（如图6所示）填充一条的预浸单向带窄带3，保证尖角中有碳捻丝填充；预浸单向带窄带3的具体宽度根据R角区域2的结构选定，一般其宽度范围为2～5mm。然后步骤4）制作的碳捻丝预成形体放入R角空隙处并进行碾压至平整。最后，在R角区域2的第二尖角22和第三尖角23（如图6所示）处也采用宽度为2～5mm的预浸单向带窄带3进行复合材料结构件的另一片材料铺层1合模补偿，直至目视无可见缝隙为止，

6）最终将碳捻丝填充完毕的整个复合材料结构件与工装一起封装，再进行固化成型，即可。

通过本发明方法填充的碳捻丝，其金相结构如图7所示，可解决变截面三角区域内部质量缺陷，确保R角区域附近铺层纤维走向规整，并且尖角区补偿细条后，解决了原本此区域因为空隙被树脂填充或者附近蒙皮铺层褶皱的情况，提高了产品的质量稳定性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以与现有技术及本领域惯用技术手段等适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，其特征在于：包括的步骤如下：

1）量化分析：通过软件对复合材料结构件的数学模型进行分析，将需要填充碳捻丝的R角区域分割出来进行量化分析并分段，然后计算每段变截面的横截面积；

2）计算碳捻丝宽度：通过宽度计算公式计算出步骤1）中R角区域每段变截面的横截面上需要填充的碳捻丝宽度；

3）制作基准碳捻丝：根据步骤2）中计算得到的横截面积最小处碳捻丝的宽度，采用预浸单向带制成一根整长的碳捻丝，作为基准碳捻丝；

4）碳捻丝加宽：然后根据步骤2）中计算得到的其他变截面处碳捻丝的宽度，在横截面积增大的相应位置，增加步骤3）制作的基准碳捻丝的宽度作为变截面增大的补偿，形成碳捻丝预成形体；

5）碳捻丝填充：将步骤4）制作的碳捻丝预成形体填充在复合材料结构件合模形成的R角区域，碾压至平整；并在R角区域的三个尖角处分别填充预浸单向带窄带进行补偿，至目视无缝隙为止；

6）封装固化成型。

2.根据权利要求1所述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，其特征在于：步骤1）中，所述分段为根据R角区域的曲率变化进行分段。

3.根据权利要求1所述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，其特征在于：步骤2）中，所述宽度计算公式为：L=S/h；式中：L为碳捻丝的宽度；S为变截面的横截面积；h为单层预浸单向带的厚度。

4.根据权利要求1所述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，其特征在于：步骤3）中，所述基准碳捻丝制作为采用常规的方法将预浸单向带卷成一根整长的碳捻丝圆柱，然后采用专用碳捻丝工装进行预压成型，形成基准碳捻丝。

5.根据权利要求4所述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，其特征在于：所述专用碳捻丝工装是根据R角区域横截面积最小处的尺寸及外形所设计的左右组合式模具。

6.根据权利要求4所述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，其特征在于：所述预压成型为常温下通过专用碳捻丝工装挤压成形，挤压时间为5～10min。

7.根据权利要求1所述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，其特征在于：步骤4）中，所述碳捻丝加宽的方式为：计算横截面积增大位置的碳捻丝与基准碳捻丝宽度的尺寸差值，在基准碳捻丝相应位置处，再卷上一段预浸单向带，增加碳捻丝的宽度使碳捻丝预成形体结构符合R角区域的曲率变化。

8.根据权利要求1所述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，其特征在于：步骤5）中，所述碳捻丝填充具体操作为：

S5-1：在合模的复合材料结构件形成的R角区域第一尖角处填充一条预浸单向带窄带，以保证第一尖角中有碳捻丝填充；

S5-2：将步骤4）制作的碳捻丝预成形体放入R角区域的空隙处并进行碾压至平整；

S5-3：在R角区域第二尖角和第三尖角处再分别填充一条预浸单向带窄带进行补偿，直至目视无可见缝隙为止。

9.根据权利要求8所述的变截面R角空隙碳捻丝的填充方法，其特征在于：所述预浸单向带窄带的宽度为2～5mm。

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