CN114311728A - 一种负曲率复合材料网格结构件及其成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法，在网格模具中铺放用于成型负曲率网格筋条的预浸丝，预浸丝铺放时，在节点区域打断，预浸丝末端打散后铺层到负曲率网格的相邻区域，与预浸料进行交替铺放，用于成型端框，将网格结构应用范围由简单回转结构拓展至类回转复杂形面，突破了现有成型工艺的架桥和周期性的局限，可实现负曲率、非周期性的负曲率网格结构的自动成型。本发明还公开了一种基于负曲率复合材料网格结构件的成型方法得到的负曲率复合材料网格结构件，可应用于航天箭体网格舱段、飞机机身、机翼等研制生产。
Description
技术领域
本发明属于树脂基结构复合材料制造技术领域，涉及一种负曲率复合材料 网格结构件及其成型方法。
背景技术
复合材料网格结构自动化成型主要采用测地线缠绕成型工艺，受制于缠绕 工艺不架桥、周期性以及测地线的约束，现有网格结构普遍应用于锥状、柱状 等简单回转结构，且筋条皆采用周向均布，更为复杂的曲母线或折母线回转网 格，特别是具有局部负曲率的网格结构，皆因无法采用缠绕成型，或缠绕成型 难度太大，迟滞了网格结构在此列构件上的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种负曲率复合材料网格结构件的 成型方法，在网格模具中铺放用于成型负曲率网格筋条的预浸丝，预浸丝铺放 时，在节点区域打断，预浸丝末端打散后铺层到负曲率网格的相邻区域，与预 浸料进行交替铺放，用于成型端框，将网格结构应用范围由简单回转结构拓展 至类回转复杂形面，突破了现有成型工艺的架桥和周期性的局限，可实现负曲 率、非周期性的负曲率网格结构的自动成型。本发明还提供一种基于负曲率复 合材料网格结构件的成型方法得到的负曲率复合材料网格结构件，可应用于航 天箭体网格舱段、飞机机身、机翼等研制生产。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法，所述负曲率复合材料网格结 构件包含负曲率网格的结构件、上端框和下端框，包括以下步骤：
(1)制造与待成型负曲率复合材料网格结构件具有相应结构的模具，所述 模具外表面设有与结构件的负曲率网格对应的筋条凹槽；
(2)制备预浸料，并分切预浸料得到预浸丝；
(3)将一层预浸料在模具中进行上端框和下端框的铺层；
(4)将一层预浸丝铺放在模具中所设筋条凹槽中，不同方向的预浸丝等厚 度交替铺放，并同步进行加热和压实；
(5)将铺放在凹槽中的预浸丝两端打散均匀，并铺放至步骤(3)中上端 框和下端框的铺层上；
(6)重复步骤(3)～步骤(5)，使不同方向的预浸丝等厚度交替铺放，并 对节点区域进行打断处理，直至上端框和下端框的预浸料铺层及筋条凹槽中的 预浸丝铺层达到预定尺寸；具体的说，打断处理并非需要在每层预浸丝铺放后 进行，可以在预浸丝铺放多层后，再进行一次打断处理；
(7)对模具及模具上的铺层包覆后进行预压实；
(8)重复步骤(3)～步骤(7)，直至预浸丝填满筋条凹槽；
(9)对上一步所得产物依次进行热固化、脱模及打磨，得到负曲率复合材 料网格结构件。
进一步的，所述步骤(2)中，所述预浸料为热熔法预浸料，利用预浸丝分 切设备分切热熔法预浸料得到预浸丝。
进一步的，所述热熔法预浸料包括环氧树脂基复合材料体系，双马来酰亚 胺树脂复合材料体系或氰酸酯树脂复合材料体系。
进一步的，所述步骤(4)中，采用单丝铺放头将宽于压辊的预浸丝铺放在 筋条凹槽中，在铺放过程中同步使用压辊将预浸丝压实，预浸丝铺放完成后对 预浸丝的两侧边缘进行致密化处理。
进一步的，所述通过吸胶预压实工艺对预浸丝铺层的两侧边缘进行致密化 处理；
所述步骤(4)中，预浸丝为粘弹态或粘流态。
进一步的，所述步骤(6)中，所述节点区域包括两向或三向的预浸丝交叉 铺放所形成的节点；
在节点区域进行打断处理的具体方法为，将节点处多余的预浸丝去除，仅 使某一方向的预浸丝保持连续，节点处任一方向去除的预浸丝层数不超过该方 向预浸丝总层数的一半，允许局部加宽预浸丝宽度，提升预浸丝连续的比例。
进一步的，所述步骤(5)中，将铺放在凹槽中的预浸丝两端打散，并将打 散后的预浸丝在60°夹角范围分布均匀；所述预浸丝在打散处的厚度≤1mm。
进一步的，所述模具所用材料为金属，硅橡胶，石膏，木材或泡沫中的一 种或一种以上组合。
进一步的，在步骤(8)和步骤(9)之间还包括采用预浸丝铺层形成结构 件蒙皮。
进一步的，所述负曲率复合材料网格结构件中负曲率网格的曲率半径≥ 4.5m。
进一步的，所述负曲率复合材料网格结构件中的负曲率网格为具有局部负 曲率的回转形面，整体负曲率的回转形面，局部负曲率的非回转形面，或整体 负曲率的非回转形面；
负曲率网格中网格筋条为周向分布或非周向分布；负曲率网格中网格筋条 为等分度分布或非等分度分布。
一种负曲率复合材料网格结构件，采用上述一种负曲率复合材料网格结构 件的成型方法成型。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法中，提出了一种适 于负曲率网格筋条自动铺放的工艺方法，突破了网格缠绕成型架桥区域无法成 型的限制，解决了负曲率网格筋条自动化成型难题；
(2)本发明一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法，打破了网格筋条 轨迹周期性限制和均布性约束，可实现非均布的网格筋条自动化成型，废料率 由网格缠绕的50％下降至10％左右；
(3)本发明一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法中，提出了网格筋 条节点优化处理方法，通过预浸丝打断和预浸丝末端打散操作，解决了节点处 平整铺放的工艺难题，实现了节点区域的低缺陷高质量成型；
(4)本发明一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法中，实现了网格筋 条无外阴模高质量固化，提高了自动化程度，本发明方法适于负曲率网格结构 研制，特别适用于曲率半径≥4.5m的负曲率网格的成型，可应用于航天箭体网 格舱段、飞机机身、机翼等研制生产，相对传统成型方式，技术优势明显，大 幅度提高构件复合材料的成型质量和成型效率，经济和社会效益前景可观。
附图说明
图1为本发明预浸丝在筋条凹槽中的铺放示意图；
图2为本发明实施例1中锥形负曲率网格构件示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而 变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示 例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示 出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明针对于局部负曲率网格结构开展了研究工作，提出了一种负曲率复 合材料网格结构件的成型方法，包括如下步骤：
(1)制造与待成型负曲率复合材料网格结构件具有相应结构的模具，所述 模具外表面设有与结构件的负曲率网格对应的筋条凹槽；
(2)根据产品三维数字模型，对局部负曲率区域的铺层尺寸进行精确计算， 得到筋条的预定尺寸；
(3)采用热熔法预浸料，根据产品三维数字模型中筋条宽度，得到预浸丝 尺寸，利用预浸丝分切设备制备预浸丝，用于后续步骤中的网格筋条成型，还 可以用于蒙皮成型；
(4)利用预浸料采用手工辅助铺覆的工艺在模具上下端框对应部分进行上 下端框的铺层；
(5)利用步骤(3)分切的预浸丝，并利用自动下料设备精确下料完成预 浸丝在筋条凹槽中的自动铺放；
具体为，将热熔法预浸丝铺放在网格模具表面的每根筋条凹槽中，同步进 行红外加热灯预热和压辊压实，保证预浸丝与模具凹槽底部或上一铺层保持紧 密接触；不同方向预浸丝等厚度交替铺放，在节点区域允许进行打断处理；
(6)将步骤(5)铺放的预浸丝打散铺放至上下端框铺层上，尽量保证分 散均匀；
(7)重复步骤(4)至(6)，直至预浸丝达到预定高度，且上下端框铺层 达到预定厚度；
(8)对模具及其上铺层进行包覆，包覆完成后进行热压罐高温高压预压实；
(9)重复步骤(4)至(8)，直至预浸丝填满网格筋条凹槽；
(10)若有蒙皮，则按设定的铺层顺序利用步骤(3)分切的预浸丝自动铺 丝成型结构件蒙皮，若无蒙皮直接转至步骤(11)；
(11)对网格模具及其上铺层进行包覆，并进热压罐固化；
(12)出罐后脱模，经打磨、去飞边，获得负曲率网格结构件。
进一步的，步骤(5)中，预浸丝自动铺放过程采用单丝铺放头将宽于压辊 的热熔法预浸丝铺放在网格模具上的筋条凹槽中，在铺放过程中同步压辊将预 浸丝压实致密，预浸丝铺放完成后通过吸胶预压实工艺进行预浸丝两侧边缘的 预浸丝致密化处理。
进一步的，本发明方法可满足不同种类预浸料的需求，预浸料种类可包括 环氧、双马、氰酸酯等复合材料体系。
进一步的，步骤(5)中，铺放温度是自动铺丝成型的重要工艺参数之一。 预浸丝铺放温度主要取决于基体树脂配方，同时受铺放过程中传输温度的影响。 预浸丝的基体树脂不同，其粘性随温度变化具有不同的规律。自动铺丝成型过 程中要求预浸丝具有一定的粘性，同时具有一定的粘性流动特性，即处于粘弹 态或粘流态。因此，不同树脂体系的预浸丝在自动铺丝成型过程中具有不同的 铺放温度。铺放温度较低时，基体树脂流动性差导致预浸丝树脂粘度过小，预 浸丝无法与模具及预浸料基体之间良好地贴合，最终导致制品的孔隙率过高； 铺放温度过高时，基体树脂具有较好的流动性，预浸丝在压辊压力作用下极易发生横向变形，进而出现褶皱。
进一步的，步骤(5)中，铺放压力是预浸丝自动铺放成型的重要工艺参数， 直接影响铺层的质量。在自动铺丝成型过程中，铺放压力使正在铺放的层与上 一层的预浸丝紧密贴合，可有效减少层间的空隙，增加层间粘合。压辊压力过 小时，预浸料靠自身的粘性无法粘牢在模具表面，同时，预浸料层与层之间无 法压实，最终导致层合板中存在大量的气泡和突起，降低制品质量。压力过大 时，预浸丝在铺放过程中横向延展变大，丝束间会存在重叠，纤维发生屈曲， 同时，压力过大导致压辊变形过大，致使送纱通道阻力加剧，不利于预浸丝的 可靠性输送。
进一步的，步骤(5)中，打断处理为将两向或多向预浸丝交叉铺放的节点 处多余的预浸丝去除，仅使某一方向的预浸丝保持连续，节点处去除的预浸丝 层数不超过预浸丝总层数的一半，一般不会超过3个方面的交点，且可以通过 局部筋条加宽来保证容量。
进一步的，步骤(6)中，预浸丝打散需要在60°夹角范围内进行均匀分 布，打散处理预浸丝分布区域的厚度不大于1mm，提升预浸丝与端框铺层的连 续性。
进一步的，复合材料网格结构模具可以为金属材质，也可为硅橡胶、石膏、 木材或泡沫等材质或以上材料的混合体。
在实际应用中，舱段构件的网格筋条具有局部的负曲率特性，本发明工艺 可适于此类舱段构件成型，本发明工艺适用于的负曲率网格曲率半径范围不小 于1m，最佳范围为4.5m半径以上。
本发明所适用的负曲率复合材料网格结构件中负曲率网格筋条可以沿圆周 方向等分度或非等分度分布(分布角度不均匀)，也可以沿非周向等分度或非等 分度分布，不同筋条凹槽可以是周向均匀分布的，也可以具有不同的铺放轨迹 或角度。负曲率网格结构件可以为传统回转形面，也可以是类回转复杂形面或 非可展自由曲面。
实施例1：
本实施采用本发明一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法制备锥形负 曲率网格构件：
锥形负曲率网格构件下端框1外径1000mm，上端框2外径750mm，锥 角为50°，负曲率网格3母线的曲率半径为5m，上下端框皆为内翻L端框， 厚度为8.4mm，翻边长度45mm，铺层采用准各向同性铺层[-45/0/45/90]7S， 筋条4截面为等腰梯形，梯形上底长6mm，下底长7.5mm，梯形高度8mm， 上底为产品内表面，筋条4螺旋角为±30°，40根筋条4沿圆周等螺旋角分布， 具体结构见图2。
锥形负曲率网格构件采用TG800/603B碳纤维增强环氧树脂基预浸料，厚 度为0.15mm。
本实施例具体步骤如下：
(1)制造与待成型负曲率复合材料网格结构件具有相应结构的模具，所述 模具外表面设有与结构件的负曲率网格对应的筋条凹槽5；
(2)根据产品三维数字模型，对局部负曲率区域的铺层尺寸进行精确计算， 得到筋条的预定尺寸；
(3)采用热熔法预浸料，根据产品三维数字模型，利用预浸丝分切设备制 备6.5mm宽度的预浸丝，用于后续步骤中网格筋条成型，还可以用于蒙皮成型；
(4)利用预浸料采用手工辅助铺覆的工艺在模具上进行上下端框铺层；
(5)如图1，利用步骤(3)分切的预浸丝，采用预浸丝自动铺放技术进 行预浸丝在筋条凹槽5中的铺放，将热熔法预浸丝逐层铺放在网格模具表面的 每根凹槽中，同步进行红外加热灯预热和压辊6压实，保证预浸丝与模具凹槽 底部或上一铺层保持紧密接触；不同方向筋条等厚度交替铺放，在节点区域允 许进行打断处理；6.5mm宽TG800/603B预浸丝铺放工艺参数见表1。
表1构件筋条铺放工艺参数
| 参数 | 描述 |
| 铺放压力 | 0.30MPa |
| 铺放温度 | 23-28℃ |
| 丝束张力 | 0.02-0.04MPa |
| 铺放速率 | 10m/min |
| 预浸丝宽度 | 6.5mm |
在预浸丝铺放过程中，压实区域丝束铺放平整、无明显褶皱，纤维取直性 好，贴合紧密，成型质量良好。
(6)将步骤(5)铺放的预浸丝打散铺放至上下端框铺层上，尽量保证分 散均匀；
(7)重复步骤(4)至(6)，直至预浸丝达到预定高度和上下端框铺层达 到预定厚度；
(8)对模具进行包覆，包覆完成后进行热压罐高温高压预压实；
(9)重复步骤(4)-(8)，直至预浸丝填满网格筋条凹槽；
(10)若有蒙皮，则按设定的铺层顺序利用步骤(3)分切的预浸丝自动 铺丝成型构件蒙皮，若无直接转至步骤(11)；
(11)对网格模具进行包覆，并进热压罐固化；
(12)出罐后脱模，经打磨、去飞边，获得锥形负曲率网格构件。
在锥形负曲率网格构件固化后，采用超声探伤对其成型质量进行了检测。 经检测，该试验件成型质量良好，未发现任何分层、夹杂、气孔等缺陷。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些 说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精 神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、 修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求 为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (12)
1.一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法，所述负曲率复合材料网格结构件包含负曲率网格的结构件、上端框和下端框，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制造与待成型负曲率复合材料网格结构件具有相应结构的模具，所述模具外表面设有与结构件的负曲率网格对应的筋条凹槽；
(2)制备预浸料，并分切预浸料得到预浸丝；
(3)将一层预浸料在模具中进行上端框和下端框的铺层；
(4)将一层预浸丝铺放在模具中所设筋条凹槽中，并同步进行加热和压实；
(5)将铺放在凹槽中的预浸丝两端打散均匀，并铺放至步骤(3)中上端框和下端框的铺层上；
(6)重复步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)，使不同方向的预浸丝等厚度交替铺放，并对节点区域进行打断处理，直至上端框和下端的预浸料铺层及筋条凹槽中的预浸丝铺层达到预定尺寸；
(7)对模具及模具上的铺层包覆后进行预压实；
(8)重复步骤(3)～步骤(7)，直至预浸丝填满筋条凹槽；
(9)对上一步所得产物依次进行热固化、脱模及打磨，得到负曲率复合材料网格结构件。
2.根据权利要求1所述的一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述预浸料为热熔法预浸料，利用预浸丝分切设备分切热熔法预浸料得到预浸丝。
3.根据权利要求2所述的一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法，其特征在于，所述热熔法预浸料包括环氧树脂基复合材料体系，双马来酰亚胺树脂复合材料体系或氰酸酯树脂复合材料体系。
4.根据权利要求1述的一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法，其特征在于，所述步骤(4)中，采用单丝铺放头将宽于压辊的预浸丝铺放在筋条凹槽中，在铺放过程中同步使用压辊将预浸丝压实，预浸丝铺放完成后对预浸丝的两侧边缘进行致密化处理。
5.根据权利要求4所述的一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法，其特征在于，所述通过吸胶预压实工艺对预浸丝铺层的两侧边缘进行致密化处理；
所述步骤(4)中，预浸丝为粘弹态或粘流态。
6.根据权利要求1所述的一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所述节点区域包括两向或三向的预浸丝交叉铺放所形成的节点；
在节点区域进行打断处理的具体方法为，将节点处多余的预浸丝去除，仅使某一方向的预浸丝保持连续，节点处任一方向去除的预浸丝层数不超过该方向预浸丝总层数的一半，允许局部加宽预浸丝宽度，提升预浸丝连续的比例。
7.根据权利要求1所述的一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法，其特征在于，所述步骤(5)中，将铺放在凹槽中的预浸丝两端打散，并将打散后的预浸丝在60°夹角范围分布均匀；所述预浸丝在打散处的厚度≤1mm。
8.根据权利要求1所述的一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法，其特征在于，所述模具所用材料为金属，硅橡胶，石膏，木材或泡沫中的一种或一种以上组合。
9.根据权利要求1所述的一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法，其特征在于，在步骤(8)和步骤(9)之间还包括采用预浸丝铺层形成结构件蒙皮。
10.根据权利要求1所述的一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法，其特征在于，所述负曲率复合材料网格结构件中负曲率网格的曲率半径≥4.5m。
11.根据权利要求1所述的一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法，其特征在于，所述负曲率复合材料网格结构件中的负曲率网格为具有局部负曲率的回转形面，整体负曲率的回转形面，局部负曲率的非回转形面，或整体负曲率的非回转形面；
负曲率网格中网格筋条为周向分布或非周向分布；负曲率网格中网格筋条为等分度分布或非等分度分布。
12.一种负曲率复合材料网格结构件，其特征在于，采用权利要求1-11任一项所述的一种负曲率复合材料网格结构件的成型方法成型。
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