CN111844801B - 一种网格筋成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种网格筋成型方法,属于纤维缠绕成型技术领域。所述网格筋成型方法包括:制备缠绕工装;在缠绕工装上进行网格筋的进行湿法纤维缠绕成型;对成型后的网格筋进行预压;对预压后的网格筋进行固化成型;在网格筋的表面缠绕成型外复合层;使网格筋在缠绕工装上进行脱模,获得网格筋。本发明网格筋成型方法实现了复杂结构网格筋纤维缠绕成型。
Description
技术领域
本发明涉及纤维缠绕成型技术领域,特别涉及一种网格筋成型方法。
背景技术
碳纤维复合材料具有轻质、强度高、刚度高、可设计性等优点,是一种非常优良的结构材料,尤其是在航天航空以及压力容器领域,越来越多的制品采用碳纤维复合材料替代金属材料。而为了进一步减轻重量,提高承载能力,往往在内层设计网格筋结构。
现有技术中的筒状结构内网格筋、柱段加封球结构内网格筋采用纤维缠绕成型。因采用连续缠绕纤维缠绕成型,因此在封球面存在网格收缩以及纤维堆积的问题,尤其是两端极孔部位纤维堆积严重导致厚度偏差过大;同时在网格的交叉节点部位纤维重叠是其他部位的2倍,导致所有节点部位会形成高点,其他部位会形成架空或疏松。
发明内容
本发明提供一种网格筋成型方法,解决了或部分解决了现有技术中纤维堆积、高点、脱模、纤维分布不均导致的内部缺陷的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种网格筋成型方法包括:制备缠绕工装;在缠绕工装上进行网格筋的进行湿法纤维缠绕成型;对成型后的网格筋进行预压;对预压后的网格筋进行固化成型;在网格筋的表面缠绕成型外复合层;使网格筋在缠绕工装上进行脱模,获得网格筋。
进一步地,所述缠绕工装包括:金属内模、橡胶外模、中心轴及两个连接法兰;所述金属内模的两端分别与两个所述连接法兰连接;所述橡胶外模设置在所述金属内模的表面上,所述橡胶外模的两端分别与两个所述连接法兰连接;所述中心轴与两个所述连接法兰连接。
进一步地,所述在缠绕工装上进行网格筋的进行湿法纤维缠绕成型包括:当所述网格筋为筒状结构时,采用螺旋缠绕线形,缠绕纤维方向与轴线间的夹角为缠绕角α,70°≥α≥30°。
进一步地,所述在缠绕工装上进行网格筋的进行湿法纤维缠绕成型包括:当所述网格筋为柱段+两端封球的典型压力容器结构时,采用非测地线或螺旋缠绕线形,缠绕角α=arcsin(d/D),其中d为极孔直径、D为柱段最大直径。
进一步地,所述在缠绕工装上进行网格筋的进行湿法纤维缠绕成型包括:导出纤维展纱宽度应在网格筋理论宽度的100%~120%,保证缠绕时纤维可以将网格筋填满;缠绕理论层数为N=H/h,其中H为网格筋高度,h为单层纤维厚度;缠绕中为了保证纤维可以在网格节点部位向四周填充,减小高点高度;同时,减小两端纤维堆积;在缠绕1层~5层后,将两端极孔部位的纤维切断并均匀分散开,分散后纤维厚度应与网格筋部位纤维厚度相同;在两端纤维分散后,对每个网格交叉节点部位的纤维进行按压或两侧分散,减小节点与周围的厚度偏差,提高均匀性。
进一步地,所述对成型后的网格筋进行预压包括:当网格筋节点部位纤维超出橡胶外模时,采用与橡胶外模外形相同的刚性工装对网格筋高点进行预压。
进一步地,所述对成型后的网格筋进行预压包括:采用工艺蒙皮+真空+外压的形式对高点进行预压,其中真空压力为-0.08MPa~-0.1MPa,外压压力为0~1MPa,预压次数根据实际产品以及高点尺寸确定,预压后网格筋缠绕节点应基本维持在橡胶模的节点位置,且节点凸出橡胶模表面的高度尺寸应控制在网格筋总高度的m%以内,其中m为设计允许的断开纤维占总纤维量的百分比,同时网格筋除节点外的其他部位应与橡胶模表面齐平。
进一步地,所述对成型后的网格筋进行预压包括:预压时的温度根据选择的树脂体系进行设定,以树脂凝胶可以维持网格筋预压后的形状,但树脂未固化为准。
进一步地,所述对预压后的网格筋进行固化成型包括:外压钢模辅助固化成型,通过钢模对网格筋进行维型,在烘箱或热压罐中固化过程中,通过橡胶加热膨胀对网格筋进行施压,减小内部缺陷,提高网格筋致密度;同时,高点部位通过钢模强制性向橡胶模方向挤压保证外形尺寸。
进一步地,所述对预压后的网格筋进行固化成型包括:工艺蒙皮+真空+外压固化成型,其中真空压力为-0.08MPa~-0.1MPa,外压压力为0~
1MPa。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案,至少具有如下技术效果或优点:
由于制备缠绕工装,在缠绕工装上进行网格筋的进行湿法纤维缠绕成型,对成型后的网格筋进行预压,对预压后的网格筋进行固化成型,在网格筋的表面缠绕成型外复合层,使网格筋在缠绕工装上进行脱模,获得网格筋,解决了纤维堆积、高点、脱模、纤维分布不均导致的内部缺陷的问题,实现了复杂结构网格筋纤维缠绕成型。
附图说明
图1为本发明实施例提供的网格筋成型方法的流程示意图;
图2为图1中网格筋成型方法的缠绕工装的结构示意图。
具体实施方式
参见图1,本发明实施例提供的一种网格筋成型方法包括:
步骤1,制备缠绕工装.。
步骤2,在缠绕工装上进行网格筋的进行湿法纤维缠绕成型。
步骤3,对成型后的网格筋进行预压。
步骤4,对预压后的网格筋进行固化成型。
步骤5,在网格筋的表面缠绕成型外复合层。
步骤6,使网格筋在缠绕工装上进行脱模,获得网格筋。
本申请具体实施方式由于制备缠绕工装,在缠绕工装上进行网格筋的进行湿法纤维缠绕成型,对成型后的网格筋进行预压,对预压后的网格筋进行固化成型,在网格筋的表面缠绕成型外复合层,使网格筋在缠绕工装上进行脱模,获得网格筋,解决了纤维堆积、高点、脱模、纤维分布不均导致的内部缺陷的问题,实现了复杂结构网格筋纤维缠绕成型。
参见图2,具体地,缠绕工装包括:金属内模1、橡胶外模2、中心轴3及两个连接法兰4。
金属内模1的两端分别与两个连接法兰4连接。
橡胶外模2设置在金属内模1的表面上,橡胶外模2的两端分别与两个连接法兰4连接。
中心轴3与两个连接法兰4连接。
其中,金属内模1作用是内部支撑和缠绕装夹;橡胶外模2作用为提供网格筋缠绕维型、加温膨胀施压提高纤维密实度、橡胶自适应网格节点变形提高外形尺寸控制。同时,为了实现产品成型后的脱模,金属内模1和橡胶外模2采用分瓣结构形式,分瓣数量以实现后续脱模为准,分瓣模周向玄长应小于极孔直径,以便实现脱模。
详细介绍步骤2。
在缠绕工装上进行网格筋的进行湿法纤维缠绕成型包括:
当所述网格筋为筒状结构时,采用螺旋缠绕线形,缠绕纤维方向与轴线间的夹角为缠绕角α,70°≥α≥30°。
在缠绕工装上进行网格筋的进行湿法纤维缠绕成型包括:
当所述网格筋为柱段+两端封球的典型压力容器结构时,采用非测地线或螺旋缠绕线形,缠绕角α=arcsin(d/D),其中d为极孔直径、D为柱段最大直径。
网格筋缠绕切点数(圆周上网格数量)在40以内。
在缠绕工装上进行网格筋的进行湿法纤维缠绕成型包括:
导出纤维展纱宽度应在网格筋理论宽度的100%~120%,保证缠绕时纤维可以将网格筋填满。
缠绕理论层数为N=H/h,其中H为网格筋高度,h为单层纤维厚度。
缠绕中为了保证纤维可以在网格节点部位向四周填充,减小高点高度,同时,减小两端纤维堆积。
在缠绕1层~5层后,将两端极孔部位的纤维切断并均匀分散开,分散后纤维厚度应与网格筋部位纤维厚度相同。如存在台阶差,可通过填充碳布或纤维的方式补齐。
在两端纤维分散后,对每个网格交叉节点部位的纤维进行按压或两侧分散,减小节点与周围的厚度偏差,提高均匀性。
详细介绍步骤3。
对成型后的网格筋进行预压包括:
当网格筋节点部位纤维超出橡胶外模时,采用与橡胶外模外形相同的刚性工装对网格筋高点进行预压。
所述对成型后的网格筋进行预压包括:
采用工艺蒙皮+真空+外压的形式对高点进行预压,其中真空压力为-0.08MPa~-0.1MPa,外压压力为0~1MPa,预压次数根据实际产品以及高点尺寸确定,预压后网格筋缠绕节点应基本维持在橡胶模的节点位置,且节点凸出橡胶模表面的高度尺寸应控制在网格筋总高度的m%以内,其中m为设计允许的断开纤维占总纤维量的百分比,同时网格筋除节点外的其他部位应与橡胶模表面齐平。
所述对成型后的网格筋进行预压包括:
预压时的温度根据选择的树脂体系进行设定,以树脂凝胶可以维持网格筋预压后的形状,但树脂未固化为准。
详细介绍步骤4。
对预压后的网格筋进行固化成型包括:
外压钢模辅助固化成型,通过钢模对网格筋进行维型,在烘箱或热压罐内的固化过程中,通过橡胶加热膨胀对网格筋进行施压,减小内部缺陷,提高网格筋致密度;同时,高点部位通过钢模强制性向橡胶模方向挤压保证外形尺寸。该方法具有网格筋外形尺寸精度高、外观平整、纤维连续等优点。钢模保型的网格筋外形尺寸和外观质量较好,不需要进行加工,只需通过打磨的方式对网格筋表面进行修整。
对预压后的网格筋进行固化成型包括:
在烘箱或热压罐内进行工艺蒙皮+真空+外压固化成型,其中真空压力为-0.08MPa~-0.1MPa,外压压力为0~1MPa,该方法工艺实现难度小,且对网格筋加压比较均匀,不会因高点干涉导致周边部位纤维疏松,内部质量好。而工艺蒙皮+真空+外压固化成型后的高点无法完全消除,只能通过加工来保证网格筋外形尺寸和外观质量,加工的高点厚度应控制在m%以内,以保证设计的纤维强度,其中m为设计允许的断开纤维占总纤维量的百分比。
详细介绍步骤5。
在网格筋表面直接缠绕成型外复合层,形成网格筋+蒙皮形式的结构舱段或者压力容器。
为了更清楚出介绍本发明实施例,下面从本发明实施例的使用方法上予以介绍。
当要获得的网格筋为典型柱段+两端封球结构,网格筋缠绕线形为非测地线,缠绕角度由公式α=arcsin(d/D)计算得出,为18°,缠绕切点数为36,即圆周方向有36个网格,材料选择T700碳纤维,树脂为120℃固化的环氧树脂。
网格筋采用非测地线线形缠绕成型,具体参数如下:a)网格筋宽度为8mm,纤维选用碳纤维T700-24K,因此采用双股纱缠绕成型,通过调节丝嘴角度和分纱器保证输出纤维展纱宽度为8.2~8.6mm;b)网格筋高度为10mm,单层缠绕厚度约0.2mm,理论缠绕层数为50层;c)缠绕时,每缠绕5层,对两端极孔以及网格筋交叉节点进行分散处理,提高网格筋缠绕厚度均匀性;d)当缠绕到40层时,网格筋交叉节点高出橡胶表面形成高点,采用蒙皮+真空+热压罐加压的形式对其进行预压,预压真空为-0.09MPa,热压罐压力为0.6MPa,温度控制在50℃以内,预压时间为1h;e)后续在45层时再预压一次。
采用蒙皮+真空+热压罐加压的形式对网格筋进行加压固化成型,固化真空不大于-0.09MPa,热压罐压力为0.6MPa,固化温度为120℃。固化后,局部节点高出橡胶模具表面最大尺寸约1.5mm,设计允许纤维断裂比例为20%。
采用数控车的方式,加工掉网格筋外层高点。
采用同体系的纤维和树脂,通过非测地线形式在网格筋外部直接缠绕成型外复合层,形成全复合材料内胆。
通过抽芯的方式将内部工装脱模,得到网格筋结构内胆制品。
最后所应说明的是,以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照实例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种网格筋成型方法,其特征在于,包括:
制备缠绕工装;
在缠绕工装上进行网格筋的进行湿法纤维缠绕成型;
对成型后的网格筋进行预压;
对预压后的网格筋进行固化成型;
在网格筋的表面缠绕成型外复合层;
使网格筋在缠绕工装上进行脱模,获得网格筋;
所述缠绕工装包括:金属内模、橡胶外模、中心轴及两个连接法兰;
所述金属内模的两端分别与两个所述连接法兰连接;
所述橡胶外模设置在所述金属内模的表面上,所述橡胶外模的两端分别与两个所述连接法兰连接;
所述中心轴与两个所述连接法兰连接;
所述在缠绕工装上进行网格筋的进行湿法纤维缠绕成型包括:
导出纤维展纱宽度应在网格筋理论宽度的100%~120%,保证缠绕时纤维可以将网格筋填满;
缠绕理论层数为N=H/h,其中H为网格筋高度,h为单层纤维厚度;
缠绕中为了保证纤维可以在网格节点部位向四周填充,减小高点高度;同时,减小两端纤维堆积;
在缠绕1层~5层后,将两端极孔部位的纤维切断并均匀分散开,分散后纤维厚度应与网格筋部位纤维厚度相同;
在两端纤维分散后,对每个网格交叉节点部位的纤维进行按压或两侧分散,减小节点与周围的厚度偏差,提高均匀性;
所述对预压后的网格筋进行固化成型包括:
外压钢模辅助固化成型,通过钢模对网格筋进行维型,在烘箱或热压罐中固化过程中,通过橡胶加热膨胀对网格筋进行施压,减小内部缺陷,提高网格筋致密度;同时,高点部位通过钢模强制性向橡胶模方向挤压保证外形尺寸;
采用工艺蒙皮+真空+外压的形式对高点进行预压,其中真空压力为-0.08MPa~-0.1MPa,外压压力为0~1MPa,预压次数根据实际产品以及高点尺寸确定,预压后网格筋缠绕节点应基本维持在橡胶模的节点位置,且节点凸出橡胶模表面的高度尺寸应控制在网格筋总高度的m%以内,其中m为设计允许的断开纤维占总纤维量的百分比,同时网格筋除节点外的其他部位应与橡胶模表面齐平。
2.根据权利要求1所述的网格筋成型方法,其特征在于,所述在缠绕工装上进行网格筋的进行湿法纤维缠绕成型包括:
当所述网格筋为筒状结构时,采用螺旋缠绕线形,缠绕纤维方向与轴线间的夹角为缠绕角α,70°≥α≥30°。
3.根据权利要求1所述的网格筋成型方法,其特征在于,所述在缠绕工装上进行网格筋的进行湿法纤维缠绕成型包括:
当所述网格筋为柱段+两端封球的典型压力容器结构时,采用非测地线或螺旋缠绕线形,缠绕角α=arcsin(d/D),其中d为极孔直径、D为柱段最大直径。
4.根据权利要求1所述的网格筋成型方法,其特征在于,所述对成型后的网格筋进行预压包括:
当网格筋节点部位纤维超出橡胶外模时,采用与橡胶外模外形相同的刚性工装对网格筋高点进行预压。
5.根据权利要求1所述的网格筋成型方法,其特征在于,所述对成型后的网格筋进行预压包括:
预压时的温度根据选择的树脂体系进行设定,以树脂凝胶可以维持网格筋预压后的形状,但树脂未固化为准。
6.根据权利要求1所述的网格筋成型方法,其特征在于,所述对预压后的网格筋进行固化成型包括:
工艺蒙皮+真空+外压固化成型,其中真空压力为-0.08MPa~-0.1MPa,外压压力为0~1MPa。
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