CN112849436B - 一种碳纤维复合材料桁架肋及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维复合材料桁架肋及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料桁架肋及其制备方法，该碳纤维复合材料桁架肋为镂空网格状、长条板状结构，碳纤维复合材料桁架肋的外围为周向筋，内部设置有若干个内支撑筋和若干个过渡筋；周向筋为一矩形空腔结构；若干个内支撑筋在周向筋的矩形空腔结内呈+45°、‑45°、+45°、‑45°···交替设置，形成若干个网格；两个相邻内支撑筋之间通过过渡筋连接；其中，过渡筋与周向筋相接合。本发明旨在解决层合板肋、蜂窝夹层肋等常规复合材料结构不能达到航天器太阳翼阵面支撑骨架大尺寸、薄壁厚、轻量化、高承载要求的难题。

Description

一种碳纤维复合材料桁架肋及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料桁架肋及其制备方法。
背景技术
航天器圆形太阳翼是一种大型的可展开、收拢的伞状机构，支撑肋是航天器圆形太阳翼重要组成部分，用于太阳翼阵面的支撑。
现有支撑肋采用碳纤维复合材料制备，有蜂窝夹层结构、缠绕管结构、层合结构等多种结构形式，这些结构形式主要存在以下问题：(1)蜂窝夹层结构的支撑肋由上蒙皮、蜂窝芯、下蒙皮胶接复合而成，受蜂窝芯高度的制约，难以将结构整体厚度降低至3mm以内；(2)缠绕管结构的支撑肋采用纤维缠绕工艺成型，该支撑肋所需的缠绕芯模为外径小于3mm、长度大于4.5m的大细长比结构，其成型直线度以及结构刚度不能满足要求；(3)层合结构的支撑肋由不同铺层角度的预浸料层层铺叠成型，再采用机械加工方法加工其外形及肋内轮廓，该支撑肋含多种预浸料铺层角度，肋内机加后碳纤维被切断，无法保持连续，降低了纤维强度发挥，导致该结构承载效率较低，不能满足轻量化要求。
进一步的，常用的复合材料成型工艺有手工铺层、自动缠绕等，这些成型工艺主要存在以下问题：(1)手工铺层可根据承载力方向设定纤维角度，具有铺放灵活的优点，但人工操作的纤维角度精度差、成型效率低、铺放过程工艺参数不能量化等缺点；(2)自动缠绕工艺不能规避网格结构成型时不同筋条相互交叉导致造成网格交叉节点处与非交叉节点处的厚度不同，影响结构性能。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种碳纤维复合材料桁架肋及其制备方法，旨在解决层合板肋、蜂窝夹层肋等常规复合材料结构不能达到航天器太阳翼阵面支撑骨架大尺寸、薄壁厚、轻量化、高承载要求的难题。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种碳纤维复合材料桁架肋，碳纤维复合材料桁架肋为镂空网格状、长条板状结构，碳纤维复合材料桁架肋的外围为周向筋，内部设置有若干个内支撑筋和若干个过渡筋；
周向筋为一矩形空腔结构；
若干个内支撑筋在周向筋的矩形空腔结内呈+45°、-45°、+45°、-45°···交替设置，形成若干个网格；
两个相邻内支撑筋之间通过过渡筋连接；其中，过渡筋与周向筋相接合。
在上述碳纤维复合材料桁架肋中，若干个内支撑筋±45°交替设置形成的若干个网格的密度沿碳纤维复合材料桁架肋的长度方向逐渐降低、幅宽逐渐收窄。
在上述碳纤维复合材料桁架肋中，若干个碳纤维复合材料桁架肋呈辐射状设置，作为航天器圆形太阳翼的支撑骨架。
在上述碳纤维复合材料桁架肋中，碳纤维复合材料桁架肋的长度为4500mm，碳纤维复合材料桁架肋的厚度为3mm。
在上述碳纤维复合材料桁架肋中，周向筋、内支撑筋和过渡筋的宽度均为3mm。
相应的，本发明还公开了一种碳纤维复合材料桁架肋的制备方法，包括：
将外围限位单元块和内嵌限位单元块安装在平面铺层模具上，形成可供预浸窄带铺层的网格沟槽；其中，网格沟槽与待制备的碳纤维复合材料桁架肋的构型一致；
采用自动铺丝工艺成型，由纤维复合材料自动铺丝机的铺丝头按照自动铺放路径将预浸窄带铺层、预压于模具沟槽内；
铺层完成后，进行封装、固化、脱模、磨削加工处理，得到镂空网格状、长条板状结构的碳纤维复合材料桁架肋。
在上述碳纤维复合材料桁架肋的制备方法中，纤维复合材料自动铺丝机按照自动铺放路径对预浸窄带进行逐层铺叠；其中，自动铺放路径包括：周向筋路径和内支撑筋路径；纤维复合材料自动铺丝机执行完一次周向筋路径和一次内支撑筋路径后，铺层整体增加一层。
在上述碳纤维复合材料桁架肋的制备方法中，
周向筋路径为：沿碳纤维复合材料桁架肋外围周向一周，沿周向筋方向，一次铺放完成内支撑筋一个铺层；单个铺层内，预浸窄带不切断，纤维保持连续；
内支撑筋路径为：沿内支撑筋走向，从碳纤维复合材料桁架肋一端呈锯齿状延伸至另一端，一次铺放完成内支撑筋一个铺层，单个铺层内预浸窄带不切断，纤维保持连续。
在上述碳纤维复合材料桁架肋的制备方法中，外围限位单元块和内嵌限位单元块均为1mm的标准厚度，随着铺层的逐渐增高，逐渐累加外围限位单元块和内嵌限位单元块，以限制已铺铺层因铺放压力向两侧扩展、变形。
在上述碳纤维复合材料桁架肋的制备方法中，预浸窄带的宽度为3mm，进而铺层形成的周向筋、内支撑筋和过渡筋的宽度均为3mm。
本发明具有以下优点：
(1)本发明所述的碳纤维复合材料桁架肋突破了常规支撑肋结构的厚度极限，实现了大型航天器圆形太阳翼的发射前大比例收拢、折叠。
(2)本发明所述的碳纤维复合材料桁架肋，与层合板肋、蜂窝夹层肋相比，承载能力更强、质量更轻，厚度极限尺寸更小。
(3)本发明所述的碳纤维复合材料桁架肋，网格构型灵活，可根据不同区域承载力大小，设定不同的内支撑筋分布密度以及支撑角度，以达到不同的承载要求。
(4)本发明所述的碳纤维复合材料桁架肋，各筋条设计为单向层合结构，利于自动铺丝工艺的实施，该结构通过自动化技术的使用可提高产品质量，降低制造成本。
附图说明
图1是本发明实施例中一种圆形太阳翼阵面展开时，碳纤维复合材料桁架肋的使用状态示意图；
图2是本发明实施例中一种碳纤维复合材料桁架肋的结构示意图；
图3是本发明实施例中一种用于制备碳纤维复合材料桁架肋的模具的结构示意图；
图4是本发明实施例中一种自动铺丝成型示意图；
其中：1-碳纤维复合材料桁架肋，2-航天器圆形太阳翼，3-周向筋，4-内支撑筋，5-平面铺层模具，6-外围限位单元块，7-内嵌限位单元块，8-网格沟槽，9-铺丝头，10-预紧窄带，11-过渡筋。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
本发明的核心思想之一在于：航天器圆形太阳翼是一种伞状发射阶段收拢、太空在轨展开机构。本发明公开了一种碳纤维复合材料桁架肋，如图1，采用该碳纤维复合材料桁架肋1作为航天器圆形太阳翼2的支撑骨架。其中，该碳纤维复合材料桁架肋为：由碳纤维浸渍树脂的预紧窄带10铺叠、固化成型的呈长条、板状的单向层合板结构。该碳纤维复合材料桁架肋由周向筋3、内支撑筋4和过渡筋11等组成，呈镂空网格状。其中，周向筋的碳纤维铺层角度沿周向筋方向，内支撑筋的碳纤维铺层角度沿内支撑筋方向。
如图2，在本实施例中，该碳纤维复合材料桁架肋1为镂空网格状、长条板状结构。其中，碳纤维复合材料桁架肋的外围为周向筋3，内部设置有若干个内支撑筋4和若干个过渡筋11。
周向筋3为一矩形空腔结构。
若干个支撑筋在周向筋3的矩形空腔结内呈+45°、-45°、+45°、-45°···交替设置，形成若干个网格；两个相邻内支撑筋之间通过过渡筋连接，该过渡筋与周向筋相接合，以保证周向筋与支撑筋呈一体，同时，过渡筋使得±45°设置的各支撑筋纤维连续。也即，+45°支撑筋、过渡筋、-45°支撑筋、过渡筋、+45°支撑筋、过渡筋、-45°支撑筋···交替设置，在周向筋3内形成锯齿状结构。
在本实施例中，若干个内支撑筋交替设置所形成的若干个网格的密度沿碳纤维复合材料桁架肋的长度方向逐渐降低、幅宽逐渐收窄，降低了结构重量。其中，内支撑筋呈±45°的交替设置，可满足碳纤维复合材料桁架肋外边缘拉压载荷和内部剪切载荷需求。
在本实施例中，若干个碳纤维复合材料桁架肋呈辐射状设置，作为航天器圆形太阳翼的支撑骨架。其中，可根据航天器圆形太阳翼的展开半径，设定碳纤维复合材料桁架肋的长度(如，4500mm)，可根据航天器圆形太阳翼的的收拢要求，设定碳纤维复合材料桁架肋的厚度(如，3mm)。
在本实施例中，周向筋、内支撑筋和过渡筋的宽度均为3mm。
在本实施例中，碳纤维复合材料桁架肋为长条板状结构，以便多件层叠收拢，呈镂空网格状，以便减轻结构重量。
如图3和图4，在本实施例中，还公开了一种碳纤维复合材料桁架肋的制备方法，包括：
(1)将外围限位单元块6和内嵌限位单元块7安装在平面铺层模具5上，形成可供预浸窄带10铺层的网格沟槽8。
在本实施例中，平面铺层模具5、外围限位单元块6和内嵌限位单元块7作为碳纤维复合材料桁架肋制备的模具，该模具最终形成的网格沟槽8与待制备的碳纤维复合材料桁架肋的构型一致，即包含与周向筋3相匹配的沟槽、与内支撑筋4形成的网格相匹配的网格空腔。
(2)采用自动铺丝工艺成型，由纤维复合材料自动铺丝机的铺丝头9按照自动铺放路径将预浸窄带10铺层、预压于模具沟槽8内。
在本实施例中，纤维复合材料自动铺丝机按照自动铺放路径对预浸窄带进行逐层铺叠。其中，自动铺放路径包括：周向筋路径和内支撑筋路径。纤维复合材料自动铺丝机执行完一次周向筋路径和一次内支撑筋路径后，铺层整体增加一层。
优选的，周向筋路径为：沿碳纤维复合材料桁架肋外围周向一周，沿周向筋方向，一次铺放完成内支撑筋一个铺层；单个铺层内，预浸窄带不切断，纤维保持连续，以提高结构刚度。内支撑筋路径为：沿内支撑筋走向，从碳纤维复合材料桁架肋一端呈锯齿状延伸至另一端，一次铺放完成内支撑筋一个铺层，单个铺层内预浸窄带不切断，纤维保持连续，纤维保持连续，以提高结构刚度。
优选的，外围限位单元块和内嵌限位单元块均为1mm的标准厚度，随着铺层的逐渐增高，逐渐累加外围限位单元块和内嵌限位单元块；通过外围限位单元块和内嵌限位单元块限制已铺铺层因铺放压力向两侧扩展、变形。
优选的，预浸窄带的宽度为3mm，进而铺层形成的周向筋、内支撑筋和过渡筋的宽度均为3mm。
(3)铺层完成后，进行封装、固化、脱模、磨削加工处理，得到镂空网格状、长条板状结构的碳纤维复合材料桁架肋1。
其中，需要说明的是，在本实施例中，碳纤维复合材料桁架肋的碳纤维角度均与各筋条(周向筋、内支撑筋和过渡筋)走向一致，即单段筋条内碳纤维角度均为0°，各段筋条均为单向层合结构。
在上述实施例的基础上，下面结合一个具体实例进行说明。
(1)构型
11)根据航天器圆形太阳翼的展开半径，设定碳纤维复合材料桁架肋的长度为4500mm，根据航天器圆形太阳翼的收拢要求，设定碳纤维复合材料桁架肋的厚度为3mm。
12)将碳纤维复合材料桁架肋设定为镂空网格状的长板条结构。其中，碳纤维复合材料桁架肋的外围为周向筋，内部为内支撑筋；内支撑筋呈+45°、-45°交替布置形成的网格密度沿肋长度方向逐渐降低，幅宽逐渐收窄。
13)相邻设置的+45°的内支撑筋和-45°的内支撑筋之间设置过渡筋，该过渡筋与周向筋相接合。
(2)模具准备
21)选取平面铺层模具、外围限位单元块和内嵌限位单元块。
22)所有金属零件喷涂脱模剂。
23)将外围限位单元块和内嵌限位单元块通过定位螺销安装在平面铺层模具上，形成可供预浸窄带铺层的网格沟槽，网格沟槽与待制备的碳纤维复合材料桁架肋的轮廓相同。
(3)预浸窄带铺放
31)规划自动铺放路径，将预浸窄带的铺放轨迹分解为外缘的周向筋铺放轨迹和内部的锯齿状内支撑筋铺放轨迹，根据铺放轨迹编制数控代码，形成数控程序。
32)启动纤维复合材料自动铺丝机，执行编制的数控程序，纤维复合材料自动铺丝机按照规划的自动铺放路径将预浸窄带铺放于模具沟槽内。其中，每铺10层，增加1层外围限位单元块和内嵌限位单元块。
(4)封装固化
预浸窄带铺满网格沟槽后，用带孔膜、毛毡、真空袋膜封装，进热压罐固化。
(5)脱模
拆除带孔膜、毛毡、真空袋膜封装，卸下外围限位单元块和内嵌限位单元块，将制备得到碳纤维复合材料桁架肋坯件从模具上取下。
(6)机加
磨削加工碳纤维复合材料桁架肋坯件的铺层面，保证产品厚度尺寸；铣削加工桁碳纤维复合材料桁架肋坯件的边缘，形成符合产品尺寸要求的外形轮廓；最终得到碳纤维复合材料桁架肋。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，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、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种碳纤维复合材料桁架肋，其特征在于，碳纤维复合材料桁架肋为镂空网格状、长条板状结构，碳纤维复合材料桁架肋的外围为周向筋，内部设置有若干个内支撑筋和若干个过渡筋；
周向筋为一矩形空腔结构；
若干个内支撑筋在周向筋的矩形空腔结内呈+45°、-45°、+45°、-45°···交替设置，形成若干个网格；其中，若干个内支撑筋±45°交替设置形成的若干个网格的密度沿碳纤维复合材料桁架肋的长度方向逐渐降低、幅宽逐渐收窄；
两个相邻内支撑筋之间通过过渡筋连接；其中，过渡筋与周向筋相接合；
若干个碳纤维复合材料桁架肋呈辐射状设置，作为航天器圆形太阳翼的支撑骨架；
在制备时，有：
将外围限位单元块和内嵌限位单元块安装在平面铺层模具上，形成可供预浸窄带铺层的网格沟槽；其中，网格沟槽与待制备的碳纤维复合材料桁架肋的构型一致；
采用自动铺丝工艺成型，由纤维复合材料自动铺丝机的铺丝头按照自动铺放路径将预浸窄带铺层、预压于模具沟槽内；其中，纤维复合材料自动铺丝机按照自动铺放路径对预浸窄带进行逐层铺叠；其中，自动铺放路径包括：周向筋路径和内支撑筋路径；纤维复合材料自动铺丝机执行完一次周向筋路径和一次内支撑筋路径后，铺层整体增加一层；周向筋路径为：沿碳纤维复合材料桁架肋外围周向一周，沿周向筋方向，一次铺放完成内支撑筋一个铺层；单个铺层内，预浸窄带不切断，纤维保持连续；内支撑筋路径为：沿内支撑筋走向，从碳纤维复合材料桁架肋一端呈锯齿状延伸至另一端，一次铺放完成内支撑筋一个铺层，单个铺层内预浸窄带不切断，纤维保持连续；
铺层完成后，进行封装、固化、脱模、磨削加工处理，得到镂空网格状、长条板状结构的碳纤维复合材料桁架肋。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料桁架肋，其特征在于，碳纤维复合材料桁架肋的长度为4500mm，碳纤维复合材料桁架肋的厚度为3mm。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料桁架肋，其特征在于，周向筋、内支撑筋和过渡筋的宽度均为3mm。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料桁架肋，其特征在于，外围限位单元块和内嵌限位单元块均为1mm的标准厚度，随着铺层的逐渐增高，逐渐累加外围限位单元块和内嵌限位单元块，以限制已铺铺层因铺放压力向两侧扩展、变形。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料桁架肋，其特征在于，预浸窄带的宽度为3mm，进而铺层形成的周向筋、内支撑筋和过渡筋的宽度均为3mm。
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