CN113681937A - 一种复合材料帽型长桁壁板结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合材料帽型长桁壁板结构及制备方法，属于航空制造技术领域。该帽型长桁壁板包括多个帽型长桁单元，所述帽型长桁单元的下凸缘部分无相对间隙，其中，所述多个帽型长桁单元由一个完整铺层预成型得到，且相邻两个帽型长桁单元的下凸缘部分无间隙地与蒙皮进行连接。本发明为复合材料壁板结构提供了一种帽型长桁加筋壁板结构设计构型，基于自动铺放技术和热隔膜成型技术的帽型长桁预成型工装及工艺方法，以及加筋壁板共固化成型工艺流程及实施方案。与传统手工铺放操作过程相比，基于自动化的制造技术可以消除人工影响因素，同时满足大型整体化复合材料加筋壁板制造对于工艺稳定性和生产效率的要求。

Description

一种复合材料帽型长桁壁板结构及制备方法
技术领域
本发明属于航空制造技术领域，具体涉及一种复合材料帽型长桁加筋壁板结构及制备方法。
背景技术
复合材料整体加筋壁板类结构凭借其优异的性能广泛应用于民用飞机主承力壁板结构中。相比T型、J型、L型等长桁构型壁板，帽型长桁壁板结构具有扭转刚度更高，弯曲稳定性更优的特点，并作为最典型的加筋壁板结构在航空航天领域中广泛应用。特别是大型民用飞机的机身桶段，基本都采用了帽型长桁加筋壁板结构。
常见的帽型长桁壁板结构如图1所示，由若干个彼此独立的长桁单元及蒙皮组合而成，其中相邻长桁单元的下凸缘(与蒙皮连接区域)部分保持一定间距。此类壁板结构制造过程中通常采用多个长桁分别铺贴并固化成型而后与未固化蒙皮整体组合定位后共胶接固化成型。已固化的干长桁与未固化的湿蒙皮整体组合过程中，容易出现帽型长桁下凸缘间距尺寸公差以及长桁轴线位置精度较难控制等质量问题。此外，图1所示帽型长桁壁板结构整体共固化成型过程中，可能存在的主要问题分析如下：
1.常见帽型长桁壁板结构设计方案包括若干个彼此独立无连接的长桁单元，其帽型长桁成型过程中下凸缘铺层需预留足够的余量满足净尺寸边界的加工要求，工艺过程繁琐且导致原材料浪费，同时可能存在长桁下凸缘边缘与蒙皮间脱粘分层的制造缺陷；
2.常见的帽型长桁壁板结构中长桁铺层多以手工铺叠成型为主，成型过程存在制造效率低且质量稳定性差，尤其帽型长桁倒圆角区域的质量不易控制，难以满足民机结构工艺稳定性、适航和成本等多方要求。
发明内容
为了有效解决以上问题，本发明提供了一种新型帽型长桁壁板结构设计及基于自动化技术的整体壁板共固化成型工艺方案。其中相邻帽型长桁单元下凸缘部分无相对间隙的构型特点，可以获得远远大于传统帽型长桁壁板结构的胶接面积，有效地避免了长桁与蒙皮连接区域容易出现的局部褶皱及脱粘分层等制造缺陷；本发明提供了一种同时采用自动铺放及热隔膜成型等自动化技术的长桁预成型工装及工艺方法，以及加筋壁板共固化成型工艺方案，可以在大幅度提高工艺稳定性的同时，大大提高制造效率并降低原材料的损耗率。
根据本发明的第一方面，提供一种复合材料帽型长桁壁板，所述帽型长桁壁板包括多个帽型长桁单元，所述帽型长桁单元的下凸缘部分无相对间隙，
其中，所述多个帽型长桁单元由一个完整铺层预成型得到，且相邻两个帽型长桁单元的下凸缘部分无间隙地与蒙皮进行连接。
进一步地，所述多个帽型长桁单元彼此间距为100mm-200mm。“间距”意指两个相邻帽型长桁单元顶部中心线之间距离。
进一步地，所述多个帽型长桁的高度，约为25mm-50mm。
根据本发明的第二方面，提供一种用于制备以上所述复合材料帽型长桁壁板的制备方法，所述方法包括：
步骤1：基于自动铺放技术及热隔膜成型技术预成型帽型长桁；
步骤2：对所述预成型帽型长桁与蒙皮组合后形成壁板结构进行共固化成型及真空封装。
进一步地，所述步骤1具体包括：
步骤11：基于自动铺放技术完成蒙皮及帽型长桁平面毛坯的铺放成型；
步骤12：将帽型长桁平面毛坯夹持在上下两层隔膜片之间后真空封装并固定，在适当位置布置真空嘴；
步骤13：将步骤12处理后的帽型长桁平面毛坯放置于热隔膜成型组合工装的上部热隔膜工装和下部热隔膜工装之间，并完成定位；
步骤14：对帽型长桁平面毛坯需要变形的区域进行预热；
步骤15：预热结束后对上下隔膜间抽真空并持续施压，使帽型长桁平面毛坯在铺层间缓慢滑移变形，直至变形为所需要的完全与工装贴合的预成型帽型长桁立体毛坯，即帽型长桁预成型体。
进一步地，步骤11中，所述自动铺放技术包括自动铺带技术或自动铺丝技术。
进一步地，步骤11中，帽型长桁所用预浸料铺层的平面展开图可借助Fibersim软件得到。
进一步地，步骤12中，通过密封胶条对上下隔膜间进行真空封装。
进一步地，步骤12中，所述上下两层隔膜片采用真空袋薄膜或硅橡胶膜。
进一步地，步骤12中，所述真空袋薄膜使用前需摊开静置12h以释放应力。
进一步地，步骤14中，采用加热灯及工装加热等方式对帽型长桁平面毛坯需要变形的区域进行预热。
进一步地，步骤14中，预热温度为60℃～90℃之间，升温速度不超过5℃/min，并且保温一段时间不超过90min。
进一步地，步骤15中，预热结束后，对上下隔膜间以一定速度抽真空，同时借助上部热隔膜工装的下降过程持续施压，促使帽型长桁平面毛坯在上下热隔膜的夹持作用下进行铺层间的缓慢滑移变形，直至变形为所需要的完全与工装贴合的预成型帽型长桁立体毛坯，即帽型长桁预成型体。
进一步地，步骤15中，根据工艺需要将抽真空并持续施压过程分为若干阶段。
进一步地，步骤15中，上部热隔膜工装的下降速度推荐为1mm/s～4mm/s。
进一步地，所述步骤2具体包括：
步骤21：将帽型长桁预成型体放置到蒙皮铺层上，并实现帽型长桁预成型体与蒙皮铺层间的整体组合与定位；
进一步地，步骤21中，利用激光定位的方式实现帽型长桁预成型体与蒙皮铺层间的组合与定位。
步骤22：将帽型气囊式芯模放置在已完成组合的帽型长桁预成型体与蒙皮铺层形成的内型腔中，并进行真空封装，形成真空封装的帽型长桁壁板结构；
进一步地，步骤22中，所述帽型长桁壁板的真空封装结构为：
在帽型长桁壁板结构上依次放置成型软模、隔离膜、透气毡以及真空袋，并通过密封胶条完成真空封装。
进一步地，步骤22中，所述帽型气囊式芯模为以帽型长桁单元内型面为成型面制造完成的气囊式结构，其一端封闭一端开口。
进一步地，步骤22中，所述帽型气囊式芯模制备过程在芯模成型模上依次铺贴1～3层预浸料、1～3层Airpad橡胶、1～3层预浸料，后参考预浸料的固化参数升温固化后加工修整待用。
进一步地，步骤22中，所述成型软模制备过程在软模成型模上依次铺贴1～3层预浸料、1～3层Airpad橡胶、1～3层预浸料，后参考预浸料的固化参数升温固化后加工修整待用。
步骤23：将帽型长桁壁板结构推入热压罐中参考预浸料的工艺曲线进行升温共固化。
进一步地，步骤23中，所述共固化温度为150℃～200℃，升温速率为1℃/min～3℃/min，降温速率为1℃/min～2℃/min，最高温度平台保温时间不小于2h，固化压力为0.5～0.8MPa。
进一步地，步骤23中，固化结束降温脱模过程中可通过将帽型芯模开口端连接真空泵，对整个芯模结构抽真空以辅助壁板结构高效率完成脱模过程。
根据本发明的第三方面，提供一种复合材料帽型长桁壁板的预成型工装结构，所述预成型工装结构包括：
帽型长桁平面毛坯，夹持在上下两层隔膜片之间并固定，与上下两层隔膜片形成真空封装；
真空嘴，在帽型长桁平面毛坯净尺寸外区域布置；
热隔膜成型组合工装，包括上部热隔膜工装和下部热隔膜工装，所述夹持在上下两层隔膜片之间的帽型长桁平面毛坯位于上部热隔膜工装和下部热隔膜工装之间。
进一步地，所述帽型长桁平面毛坯夹持在上下两层隔膜片之间并通过密封胶条形成真空封装。
进一步地，所述上下两层隔膜片采用真空袋薄膜或硅橡胶膜。
根据本发明的第四方面，提供一种复合材料帽型长桁壁板的共固化成型及真空封装结构，所述共固化成型及真空封装结构包括：
固化模具，其上铺放蒙皮铺层；
蒙皮铺层，其上铺放帽型长桁预成型体，所述帽型长桁预成型体与蒙皮铺层形成整体组合与定位结构；
帽型气囊式芯模，放置在帽型长桁预成型体与蒙皮铺层间形成的内型腔中；
成型软模、隔离膜、透气毡以及真空袋，由内至外依次放置在帽型长桁壁板结构上，并通过密封胶条完成真空封装。
进一步地，所述帽型气囊式芯模为以帽型长桁单元内型面为成型面制造完成的气囊式结构，其一端封闭一端开口。
进一步地，所述帽型气囊式芯模由下至上包括预浸料1～3层、Airpad橡胶1～3层，以及预浸料1～3层。
进一步地，所述成型软模由下至上包括预浸料1～3层、Airpad橡胶1～3层，以及预浸料1～3层。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种适用于自动化制造技术的新型帽型长桁壁板结构设计方案，大大提高复合材料帽型长桁壁板结构的有效连接区域，改善了壁板结构整体性能，同时大幅简化了复合材料壁板结构制备加工流程。
本发明提供了一种基于自动铺放技术和热隔膜成型技术的新型帽型长桁预成型工装和方法，减少了原材料的浪费，提高了铺叠效率，降低制备成本的同时保证了产品的质量。
本发明提供了一种采用单端开口的气囊式芯模的共固化成型工艺方案，保证了帽型长桁壁板内型面区域的压力控制及整体成型质量，提高了复合材料加筋壁板整体成型的工艺稳定性和生产效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。
图1为现有技术中常见帽型长桁壁板结构图；
图2为根据本发明的复合材料帽型长桁壁板结构示意图；
图3为根据本发明的帽型长桁双热隔膜预成型过程示意图；
图4为根据本发明的帽型长桁壁板共固化工艺流程图；
图5为根据本发明的帽型长桁壁板固化过程封装示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本公开的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
多个，包括两个或者两个以上。
和/或，应当理解，对于本公开中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
本发明提供一种新型帽型长桁壁板结构设计方案，大大提高复合材料帽型长桁壁板结构的有效连接区域，改进壁板结构整体性能，同时在大幅度提高工艺稳定性的同时，大大提高生产效率并降低制造成本。
本发明另外提供一种同时采用自动铺放及长桁热隔膜成型等自动化技术的长桁预成型工装及工艺方法，以及加筋壁板共固化成型工艺方案，可以在大幅度提高工艺稳定性的同时，大大提高制造效率，降低复合材料损耗率，并保证产品的质量和精度。
如上所述，本发明提出了一种新型的复合材料帽型长桁壁板结构，如图2所示。其中相邻长桁单元下凸缘部分无相对间隙，多个长桁单元由一个完整铺层预成型得到。相比图一中长桁单元彼此独立无连接的常见帽型长桁壁板结构设计，本发明增加了长桁与蒙皮间的有效连接区域，提高了长桁单元的承载力，减少了制造过程中下凸缘净尺寸边界加工所带来的原材料损耗，与自动化制造技术结合后可以大幅度提高了产品的生产效率。
如上所述，本发明相比于传统手工铺贴长桁工艺方法，提供了基于自动铺放技术及热隔膜预成型等自动化技术的帽型长桁预成型工装及工艺方法，可通过自动化技术严格控制工艺参数，减少人工操作对于工艺稳定性的影响，大幅度提高最终产品质量。
其中自动铺放技术是指采用特定设备通过数字化、自动化的手段实现复合材料预浸带料或预浸丝束的连续铺放、加压、加热及切料功能的一种复合材料自动化制造技术。通常包括自动铺带技术及自动铺丝技术两种。
其中热隔膜成型工艺是指一种将预浸料层板放置与热隔膜成型工装上，借助一种特制超塑性膜片的辅助作用经过隔膜内抽真空，以及加热升温等方法促使预浸料层间滑移变形，将平面的预浸料层板压贴合到模具表面得到预制体，完成预浸料铺层结构预成型的过程。
由此，本发明为复合材料壁板结构提供了一种帽型长桁加筋壁板结构设计构型，基于自动铺放和热隔膜成型技术的帽型长桁预成型工装及工艺方法，以及加筋壁板共固化成型工艺流程及实施方案。与传统手工铺放操作过程相比，基于自动化的制造技术可以消除人工影响因素，同时满足大型整体化复合材料加筋壁板制造对于工艺稳定性和生产效率的要求。
实施例
本发明中基于自动铺放技术及热隔膜预成型等自动化技术进行的帽型长桁预成型过程如图3所示，主要操作步骤如下：
a.采用自动铺带技术或自动铺丝技术分别完成蒙皮及帽型长桁平面毛坯的铺放成型，优选的，所述帽型长桁预浸料的展开图可以借助Fibersim软件得到；
b.将帽型长桁平面毛坯由铺放工装上转移至上下两层隔膜片之间，同时借助密封胶条完成上下隔膜间真空封装，并在适当的位置布置真空嘴。优选的，所用夹持膜片可以采用真空袋薄膜，也可以采用硅橡胶膜；优选的，所用真空袋隔膜使用前需摊开在平台上静置12h以释放应力；
c.将帽型长桁平面毛坯放置于热隔膜成型所用上下组合工装之间，并完成定位；
d.采用加热灯及工装加热等方式对帽型长桁平面毛坯需要变形的区域进行预热，所用温度为60℃～90℃之间，升温速度不超过5℃/min，并且保温一段时间不超过90min；
e.预热结束后，对上下隔膜间抽真空，同时借助热隔膜工装(上)的下降过程持续施压，促使帽型长桁平面毛坯在上下热隔膜的夹持左右下进行铺层间的缓慢滑移变形，直至变形为所需要的完全与工装贴合的预成型立体毛坯。优选的，可以根据工艺需要将抽真空并持续施压过程分为若干阶段。其中热隔膜工装的下降速度推荐为1mm/s至4mm/s。
如上所述，本发明提出了一种复合材料帽型长桁加筋壁板共固化成型工艺方案，共固化成型工艺流程及固化过程真空封装示意图分别如图4及图5所示。其主要操作步骤如下：
a.蒙皮及长桁单元预浸料铺贴。通过自动铺带技术或者自动铺丝技术完成蒙皮及长桁单元预浸料平面毛坯(料片)的铺放成型；
b.长桁预成型。采用上述热隔膜成型技术实现帽型长桁单元整体预成型并转移至已完成蒙皮铺层上；
c.长桁与蒙皮间组合与定位。利用激光定位的方式实现帽型长桁预制体与蒙皮铺层间组合与定位；
d.壁板与芯模组合定位。利用帽型气囊式芯模确保帽型长桁内型面尺寸及压力控制；
e.真空封装固化。参考图5所示完成帽型长桁壁板结构真空封装，推入热压罐中参考预浸料工艺曲线进行升温固化。优选的，所述共固化温度为150℃～200℃，升温速率为1℃/min～3℃/min，降温速率为1℃/min～2℃/min，最高温度平台保温时间不小于2h，固化压力为0.5～0.8MPa。
上述芯模为以帽型长桁单元内型面为成型面制造完成的气囊式结构，其一端封闭一端开口，其制备过程在芯模成型模上依次铺贴1～3层预浸料、1～3层Airpad橡胶、1～3层预浸料，然后参考预浸料固化参数升温固化后加工修整待用。
成型软模，其制备过程在软模成型模上依次铺贴1～3层预浸料、1～3层Airpad橡胶，1～3层预浸料，然后参考预浸料固化参数升温固化后加工修整待用。
固化完成脱模过程中可以通过将帽型芯模开口端连接真空泵，对整个芯模结构抽真空以辅助壁板结构高效率完成脱模过程。
如上所述，本发明提供了一种包含单侧开口的气囊式芯模的复合材料新型帽型长桁加筋壁板整体共固化成型工装及成型方法，解决了复合材料帽型长桁内型面区域以及下凸缘与蒙皮连接区域的固化质量较难控制的问题，提高了复合材料加筋壁板整体成型的工艺稳定性和生产效率。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种复合材料帽型长桁壁板结构，其特征在于，所述帽型长桁壁板包括多个帽型长桁单元，所述帽型长桁单元的下凸缘部分无相对间隙，
其中，所述多个帽型长桁单元由一个完整铺层预成型得到，且相邻两个帽型长桁单元的下凸缘部分无间隙地与蒙皮进行连接。
2.一种用于制备根据权利要求1所述的所述复合材料帽型长桁壁板结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：基于自动铺放技术及热隔膜成型技术预成型帽型长桁；
步骤2：对所述预成型帽型长桁与蒙皮组合后形成壁板结构进行共固化成型及真空封装。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤11：基于自动铺放技术完成蒙皮及帽型长桁平面毛坯的铺放成型；
步骤12：将帽型长桁平面毛坯夹持在上下两层隔膜片之间后真空封装并固定，在适当位置布置真空嘴；
步骤13：将步骤12处理后的帽型长桁平面毛坯放置于热隔膜成型组合工装的上部热隔膜工装和下部热隔膜工装之间，并完成定位；
步骤14：对帽型长桁平面毛坯需要变形的区域进行预热；
步骤15：预热结束后对上下隔膜间抽真空并持续施压，使帽型长桁平面毛坯在铺层间缓慢滑移变形，直至变形为所需要的完全与工装贴合的预成型帽型长桁立体毛坯，即帽型长桁预成型体。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤11中，所述自动铺放技术包括自动铺带技术或自动铺丝技术。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤14中，预热温度为60℃～90℃之间，升温速度不超过5℃/min，并且保温一段时间不超过90min。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤15中，预热结束后，对上下隔膜间以一定速度抽真空，同时借助上部热隔膜工装的下降过程持续施压，促使帽型长桁平面毛坯在上下热隔膜的夹持作用下进行铺层间的缓慢滑移变形，直至变形为所需要的完全与工装贴合的预成型帽型长桁立体毛坯，即帽型长桁预成型体。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤21：将帽型长桁预成型体放置到蒙皮铺层上，并实现帽型长桁预成型体与蒙皮铺层间的整体组合与定位；
步骤22：将帽型气囊式芯模放置在已完成组合的帽形长桁预成型体与蒙皮铺层形成的内型腔中，并进行真空封装，形成真空封装的帽型长桁壁板结构；
步骤23：将帽型长桁壁板结构推入热压罐中参考预浸料的工艺曲线进行升温共固化。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤22中，所述帽型长桁壁板结构的真空封装结构为：
在帽型长桁壁板结构上依次放置成型软模、隔离膜、透气毡以及真空袋，并通过密封胶条完成真空密封。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤22中，所述帽型气囊式芯模为以帽型长桁单元内型面为成型面制造完成的气囊式结构，其一端封闭一端开口。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤23中，所述共固化温度为150℃～200℃，升温速率为1℃/min～3℃/min，降温速率为1℃/min～2℃/min，最高温度平台保温时间不小于2h，固化压力为0.5～0.8MPa。
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