CN112848242B - 一种带变形适配器层的缠绕芯模及复合壳体成型方法 - Google Patents

一种带变形适配器层的缠绕芯模及复合壳体成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及固体发动机壳体结构技术领域，公开了一种带变形适配器层的缠绕芯模，所述缠绕芯模用于成型复合壳体，缠绕芯模包括芯模壳体，芯模壳体的前端中央被带有台阶的芯轴穿出，所述芯模壳体包含金属骨架、以及依次包裹在金属骨架外层的麻绳层和石膏层；所述金属骨架与所述麻绳层之间设置具有低弹性模量的变形适配器层；当高温固化复合壳体引发芯轴轴向膨胀时，所述复合壳体保持原有位置不变；所述变形适配器层内壁被热膨胀的金属骨架压缩变形。本发明的缠绕芯模及复合壳体成型方法，该缠绕芯模使得复合壳体内型面更接近于设计状态，且减小了复合壳体的固化内应力。

Description

一种带变形适配器层的缠绕芯模及复合壳体成型方法
技术领域
本发明涉及固体发动机壳体结构技术领域，具体涉及一种带变形适配器层的缠绕芯模及复合壳体成型方法。
背景技术
目前，固体发动机的复合壳体的成型主要是在缠绕芯模上完成，具体地，在缠绕芯模上包覆绝热层，在绝热层表面缠绕纤维层，纤维层和绝热层经过高温固化后脱模得到复合壳体。其中，缠绕芯模作为复合壳体成型的关键模具，其轮廓决定了复合壳体的内型面。
但是，对于大型或大长径比的复合壳体，在高温固化时，缠绕芯模将产出很大的热膨胀变形，尤其是封头部位。在高温固化时，缠绕芯模膨胀变大，复合壳体在高温状态下固化，降温后缠绕芯模收缩变小，而复合壳体在高温下已经固化成型，降温时难以随芯模同步收缩，尤其是接头与芯轴固定，降温时芯轴收缩导致芯轴和壳体彼此受力，使复合壳体的封头型面难以预测，最终导致复合壳体内型面与设计状态有较大偏离，而且复合壳体在芯模膨胀状态固化，还会产生较大内应力。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种带变形适配器层的缠绕芯模及复合壳体成型方法，该缠绕芯模使得复合壳体内型面更接近于设计状态，且减小了复合壳体的固化内应力。
为达到以上目的，本发明公开了一种带变形适配器层的缠绕芯模，所述缠绕芯模用于成型复合壳体，缠绕芯模包括芯模壳体，芯模壳体的前端中央被带有台阶的芯轴穿出；所述芯模壳体包含金属骨架、以及依次包裹在金属骨架外层的麻绳层和石膏层；所述金属骨架与所述麻绳层之间设置具有低弹性模量的变形适配器层；
当高温固化复合壳体引发芯轴轴向膨胀时，所述复合壳体保持原有位置不变；所述变形适配器层内壁被热膨胀的金属骨架压缩变形。
在一些实施例中，所述变形适配器层为多孔结构，采用具有耐高温耐低温特性的硅橡胶类材料。
在一些实施例中，所述变形适配器层的横截面为厚度渐变的弧形，且其厚度由后向前逐渐增大。
在一些实施例中，所述变形适配器层的变形能力与自身开孔率正相关，通过调整变形适配器层的开孔率调节所述变形适配器层的变形能力，使其压缩变形量等于金属骨架的热膨胀变形量。
在一些实施例中，所述变形适配器层为前端开口的球面罩型，所述开口处平整；所述芯轴从所述开口穿过。
在一些实施例中，所述缠绕芯模还包含定位环和限位块，所述定位环套设固定于所述芯轴，且定位环抵持于所述金属骨架的前端面；所述限位块通过接头定位环抵持于所述复合壳体的前端面；当高温固化复合壳体时，拆除限位块。
在一些实施例中，所述定位环、接头定位环和限位块套设于所述芯轴的同一台阶面。
在一些实施例中，所述接头定位环的顶部朝后伸出，且与所述芯轴形成空腔，所述定位环位于所述空腔内。
本发明还公开了一种使用上述缠绕芯模的复合壳体成型方法，包含步骤：
在金属骨架外表面包裹变形适配器层；在变形适配器层外缠绕麻绳层，在麻绳层外粘接石膏层，形成芯模壳体；
将待固化的复合壳体包覆于芯模壳体外表面；
对复合壳体进行高温固化；固化时，芯轴轴向膨胀，变形适配器层补偿金属骨架的热膨胀变形，复合壳体保持原有位置不变；
固化完成后，将复合壳体从芯模壳体上脱模而出。
在一些实施例中，所述变形适配器层为多孔结构，采用具有耐高温耐低温特性的硅橡胶类材料；所述变形适配器层的横截面为厚度渐变的弧形，且其厚度由后向前逐渐增大。
本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：
本发明的一种带变形适配器层的缠绕芯模及复合壳体成型方法，在缠绕芯模的金属骨架与麻绳层之间设置具有低弹性模量的变形适配器层，在复合壳体高温固化时，金属骨架膨胀压缩变形适配器层，变形适配器层补偿金属骨架的热膨胀变形，复合壳体保持原有位置不变，保证复合壳体内型面和固化不受缠绕芯模热膨胀影响，且通过变形适配器层吸收固化内应力，减少了复合壳体的固化内应力，优化了复合壳体的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明实施例提供的缠绕芯模固化壳体的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的变形适配器层的局部放大图。
附图标记：100、缠绕芯模；200、复合壳体；11、芯轴；12、芯模壳体；13、接头定位结构；121、金属骨架；122、麻绳层；123、石膏层；124、定位环；125、变形适配器层；131、接头定位环；134、限位块；2、壳体接头；3、绝热层；4、缠绕壳体。
具体实施方式
下面将结合具体实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明公开了一种带变形适配器层的缠绕芯模的实施例，缠绕芯模100包含芯轴11和芯模壳体12。缠绕芯模100作为模具，用于成型复合壳体200，复合壳体200包覆在芯模壳体12的外表面。芯模壳体12的前端中央被带有台阶的芯轴11穿出。
芯模壳体12包含金属骨架121、以及依次包裹在金属骨架121外层的麻绳层122和石膏层123。金属骨架121与麻绳层122之间设置具有低弹性模量的变形适配器层125。当高温固化复合壳体200引发芯轴11轴向膨胀时，复合壳体200保持原有位置不变；同时，变形适配器层125内壁被热膨胀的金属骨架121压缩变形，变形适配器层125的压缩变形量正好补偿金属骨架121的热膨胀变形量。
具体地，变形适配器层125在未开孔状态时，50％应变下，压缩模量1.48MPa～4.60MPa。优选地，变形适配器层125在开孔率为60％状态下，42.5％应变下，压缩模量为0.31MPa。
在一个实施例中，变形适配器层125为多孔结构，采用具有耐高温耐低温特性的橡胶材料制作而成。在高温固化复合壳体200时，变形适配器层125本身受热膨胀的变形量可以忽略不计，主要是受金属骨架121的压缩变形。
具体地，橡胶材料包括硅橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶等。在一个实施例中，变形适配器层125采用杂化改性的室温硫化硅橡胶，在室温和150℃下，压缩性能基本不变，其压缩性能主要受开孔率影响。
如图2所示，进一步地，变形适配器层125的横截面为厚度渐变的弧形，且其厚度由后向前逐渐增大。在实际高温固化复合壳体200的过程中，由于轴向变形量较大，径向变形量相对于轴向变形量基本可以忽略，变形适配器层125的设计主要考虑变形量较大的轴向膨胀量。金属骨架121的受热膨胀主要沿芯轴的轴向，该变形适配器层125的厚度设计能够最大程度的适应金属骨架121的受热膨胀情况，并用变形适配器层125的压缩来补偿金属骨架121的膨胀。
进一步地，变形适配器层125的变形能力与自身开孔率正相关，通过调整变形适配器层125的开孔率调节变形适配器层125的变形能力，使其压缩变形量等于金属骨架121的热膨胀变形量。变形适配器层125的开孔率通过试验得到。变形适配器层125的压缩变形量等于金属骨架121的热膨胀变形量，芯模壳体12整体的形状保持不变，复合壳体200的位置保持不变，从而保证在固化之后，复合壳体的内型面更加接近设计状态。
具体地，变形适配器层125为前端开口的球面罩型，开口处平整；芯轴11从开口穿过。
在一个实施例中，缠绕芯模100还包含定位环124和限位块134，定位环124套设固定于芯轴11，且定位环124抵持于金属骨架121的前端面。限位块134通过接头定位环131抵持于复合壳体200的前端面；当高温固化复合壳体200时，拆除限位块134，使得芯轴11的膨胀与金属骨架121的膨胀相对独立，且芯轴11的轴向膨胀不会改变复合壳体200的位置。具体地，限位块134通过螺栓与芯轴11可拆卸固定连接。
进一步地，定位环124、接头定位环131和限位块134套设于芯轴11的同一台阶面。值得说明的是，在现有技术当中，定位环124位于一个台阶面，接头定位环131和限位块134位于另一个台阶面，且接头定位环131贴近芯轴11的侧端面抵持于两台阶的过渡处，芯轴11的轴向膨胀会推动接头定位环131向前移动，进而使得复合壳体200的相对位置发生改变，加大了复合壳体200内型面的误差。本发明的定位环124、接头定位环131和限位块134套设于芯轴11的同一台阶面，并在固化之前拆除限位块134，解决了上述技术问题，减小了复合壳体200的内型面误差。
在一个实施例中，接头定位环131的顶部朝后伸出，且与芯轴11形成空腔，定位环124位于空腔内；实现了复合壳体200和金属骨架121的独立定位。
本发明的一种带变形适配器层的缠绕芯模，在缠绕芯模100的金属骨架121与麻绳层122之间设置具有低弹性模量的变形适配器层125，在复合壳体200高温固化时，金属骨架121膨胀压缩变形适配器层125，变形适配器层125补偿金属骨架121的热膨胀变形，复合壳体200保持原有位置不变，保证复合壳体200内型面和固化不受缠绕芯模100热膨胀影响，且通过变形适配器层125吸收固化内应力，减少了复合壳体200的固化内应力，优化了复合壳体200的性能。
本发明还公开了一种使用上述缠绕芯模的复合壳体成型方法，包含步骤：
在金属骨架121外表面包裹变形适配器层125；在变形适配器层125外缠绕麻绳层122，在麻绳层122外粘接石膏层123，形成芯模壳体12。
将待固化的复合壳体200包覆于芯模壳体12外表面；
对复合壳体200进行高温固化；固化时，芯轴11轴向膨胀，变形适配器层125补偿金属骨架121的热膨胀变形，复合壳体200保持原有位置不变；
固化完成后，将复合壳体200从芯模壳体12上脱模而出。
具体地，将待固化的复合壳体200包覆于芯模壳体12外表面，包含，在芯模壳体12外表面缠绕纤维增强树脂基材料，并形成复合壳体200。
进一步地，变形适配器层125为变厚度的多孔结构，采用具有耐高温耐低温特性的橡胶类材料；变形适配器层125的横截面为厚度渐变的弧形，且其厚度由后向前逐渐增大。优选地，变形适配器层125采用杂化改性的室温硫化硅橡胶，在室温和150℃下，压缩性能基本不变，其压缩性能主要受开孔率影响。
在一个实施例中，缠绕芯模100还包含定位环124和限位块134，定位环124套设固定于芯轴11，且定位环124抵持于金属骨架121的前端面。限位块134通过接头定位环131抵持于复合壳体200的前端面；当高温固化复合壳体200时，拆除限位块134，使得芯轴11的膨胀与金属骨架121的膨胀相对独立，且芯轴11的轴向膨胀不会改变复合壳体200的位置。
本发明的复合壳体成型方法，采用具有低弹性模量的变形适配器层125的缠绕芯模100进行复合壳体200的成型，在复合壳体200高温固化时，金属骨架121膨胀压缩变形适配器层125，变形适配器层125补偿金属骨架121的热膨胀变形，复合壳体200保持原有位置不变，保证复合壳体200内型面和固化不受缠绕芯模100热膨胀影响，减少了复合壳体200的固化内应力，采用本发明的复合壳体成型方法成型的复合壳体200的内型面更加接近设计状态，具有较高的经济价值。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而要符合与本文所发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种带变形适配器层的缠绕芯模，所述缠绕芯模(100)用于成型复合壳体(200)，缠绕芯模(100)包括芯模壳体(12)，芯模壳体(12)的前端中央被带有台阶的芯轴(11)穿出，其特征在于：
所述芯模壳体(12)包含金属骨架(121)、以及依次包裹在金属骨架(121)外层的麻绳层(122)和石膏层(123)；所述金属骨架(121)与所述麻绳层(122)之间设置具有低弹性模量的变形适配器层(125)；
当高温固化复合壳体(200)引发芯轴(11)轴向膨胀时，所述复合壳体(200)保持原有位置不变；所述变形适配器层(125)内壁被热膨胀的金属骨架(121)压缩变形；
所述变形适配器层(125)为多孔结构，采用具有耐高温耐低温特性的橡胶类材料。
2.根据权利要求1所述的一种带变形适配器层的缠绕芯模，其特征在于：所述变形适配器层(125)的横截面为厚度渐变的弧形，且其厚度由后向前逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的一种带变形适配器层的缠绕芯模，其特征在于：所述变形适配器层(125)的变形能力与自身开孔率正相关，通过调整变形适配器层(125)的开孔率调节所述变形适配器层(125)的变形能力，使其压缩变形量等于金属骨架(121)的热膨胀变形量。
4.根据权利要求1所述的一种带变形适配器层的缠绕芯模，其特征在于：所述变形适配器层(125)为前端开口的球面罩型，所述开口处平整；所述芯轴(11)从所述开口穿过。
5.根据权利要求1所述的一种带变形适配器层的缠绕芯模，其特征在于：所述缠绕芯模(100)还包含定位环(124)和限位块(134)，所述定位环(124)套设固定于所述芯轴(11)，且定位环(124)抵持于所述金属骨架(121)的前端面；所述限位块(134)通过接头定位环(131)抵持于所述复合壳体(200)的前端面；当高温固化复合壳体(200)时，拆除限位块(134)。
6.根据权利要求5所述的一种带变形适配器层的缠绕芯模，其特征在于：所述定位环(124)、接头定位环(131)和限位块(134)套设于所述芯轴(11)的同一台阶面。
7.根据权利要求6所述的一种带变形适配器层的缠绕芯模，其特征在于：所述接头定位环(131)的顶部朝后伸出，且与所述芯轴(11)形成空腔，所述定位环(124)位于所述空腔内。
8.一种使用权利要求1所述缠绕芯模的复合壳体成型方法，其特征在于，包含步骤：
在金属骨架(121)外表面包裹变形适配器层(125)；在变形适配器层(125)外缠绕麻绳层(122)，在麻绳层(122)外粘接石膏层(123)，形成芯模壳体(12)；
将待固化的复合壳体(200)包覆于芯模壳体(12)外表面；
对复合壳体(200)进行高温固化；固化时，芯轴(11)轴向膨胀，变形适配器层(125)补偿金属骨架(121)的热膨胀变形，复合壳体(200)保持原有位置不变；
固化完成后，将复合壳体(200)从芯模壳体(12)上脱模而出。
9.根据权利要求8所述的复合壳体成型方法，其特征在于：所述变形适配器层(125)为多孔结构，采用具有耐高温耐低温特性的橡胶类材料；所述变形适配器层(125)的横截面为厚度渐变的弧形，且其厚度由后向前逐渐增大。
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