CN114311771A - 一种3d立体封闭腔框架结构及其成型制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种3D立体封闭腔框架结构及其成型制备方法，包括步骤S1、在水溶性模具芯模小块的各个面、减轻口模具块凹槽及侧立面上铺放纤维和树脂复合材料的预浸料；S2、将各分区水溶性模具芯模小块以及减轻口模具块分别预压，形成各分区面板结构；S3、利用成型模具组装框架结构，以及进行框架结构蒙皮的铺放；S4、利用成型模具对待成型的框架结构进行预压实并进行固化；S5、拆除成型模具并除去水溶性模具芯模小块以及减轻口水溶性模具块。本发明通过在产品减轻口引入工艺翻边的形式，做到纤维铺放角度与纤维连续性的统一，简化了蒙皮纤维铺放角度与连续性的设计，突破和克服了传统2D面内板式框架结构特点以及装配式立体框架的缺陷。

Description

一种3D立体封闭腔框架结构及其成型制备方法

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种3D立体封闭腔框架结构及其成型制备方法。

背景技术

复合材料封闭腔网格框架结构由于其优异的尺寸稳定性及力学性能，一直在航空航天、卫星结构、相机结构、深空探测等领域均有着广泛的应用。

传统的封闭腔框架结构一般为2D面内板式结构，或者通过装配将2D面内板式结构组装成立体框架式结构，框架间采用金属件连接，不仅具有重量大、连接处力学性能薄弱的缺点，同时由于金属件及复材热胀系数的不匹配也会出现产品尺寸稳定性差的缺陷。

封闭腔框架结构无法从2D面内板式结构突破到3D立体封闭腔框架结构，除结构复杂对产品成型模具设计、工艺人员的要求较高外，还受树脂基纤维增强复合材料的成型工艺特性影响，而纤维复合材料的成型需要兼顾纤维连续性及纤维角度，才能保证产品的力学性能及空间尺寸稳定性。

现有的成型方式仅能够保证2D面内板式结构所有铺放面做到纤维铺放角度与纤维连续性保持一致，对于复杂的3D立体封闭腔框架结构，受产品结构以及减轻口等因素的影响，其蒙皮铺放面与减轻口铺放面无法兼顾纤维连续性及纤维角度。

发明内容

本发明为了解决上述技术缺陷，提出了一种3D立体封闭腔框架结构及其成型制备方法，该方法避免了立体框架蒙皮铺层角度与纤维连续性冲突的缺陷，突破传统2D面内板式框架结构成型及制备特点，产品具有重量更轻、空间尺寸稳定性及力学性能更出色的优异特性。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种3D立体封闭腔框架结构，包括框架结构、框架结构蒙皮，其特征在于，框架结构为一体的3D立体框架结构，框架结构的内腔具有封闭腔网格筋结构。

优选地，框架结构上设置有减轻口。

优选地，减轻口的四周设置有减轻口翻边。

优选地，框架结构蒙皮包括至少一组纤维和树脂复合材料层。

一种3D立体封闭腔框架结构成型制备方法，包括步骤：

S1、按照预设的铺层顺序和铺层角度，在水溶性模具芯模小块的各个面上铺放纤维和树脂复合材料的预浸料；

在减轻口水溶性模具块的四周设置的凹槽的表面铺放预浸料；

S2、将各分区水溶性模具芯模小块以及减轻口模具块分别预压，形成各分区面板结构；

S3、利用成型模具组装框架结构，以及利用成型模具进行框架结构蒙皮的铺放；

框架结构的壳体由各个分区面板结构组装而成；

S4、利用成型模具对待成型的3D立体封闭腔框架结构进行预压实，并送入固化炉中进行固化；

S5、完成固化后拆除成型模具并除去水溶性模具芯模小块以及减轻口水溶性模具块。

优选地，成型模具包括：上盖板、下底板、内胎和侧加压板；

上盖板和下底板均设置有直口，用于合模时的限位；

内胎用于堆叠各个分区面板，形成3D立体封闭腔框架结构的壳体；

内胎置于下底板上，与下底板连接；

侧加压板位于内胎的四周，侧加压板与上盖板和下底板形成容纳空间，容纳空间用于容纳内胎和3D立体封闭腔框架结构。

优选地，步骤S3包括以下步骤：

S301、按照预设的铺层顺序和铺层角度，在内胎上铺放框架结构内侧的内蒙皮；

S302、将各个分区面板结构安装在铺放有内蒙皮的内胎上，完成框架结构的组装；

S303、按照预设的铺层顺序和铺层角度，在完成组装的框架结构外侧铺放外蒙皮，完成框架结构蒙皮的铺放。

优选地，所选纤维和树脂预浸料的纤维的体积分数为57％～63％；预浸料的单层厚度为0.05～0.2mm。

优选地，预浸料的纤维为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤维中的任意一种；

预浸料的树脂为氰酸脂树脂、环氧树脂、双马来酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、邻苯二甲氰树脂中的任意一种。

本发明能够取得以下技术效果：

1、本发明的3D立体封闭腔框架结构在产品内腔横纵交叉分布着网格筋结构，使其具备空间结构稳定性突出、可设计性强、高的比强度与比刚度、结构效率高等优势。

2、本发明设计开发的3D立体封闭腔框架结构制备方法，通过在产品减轻口区域引入工艺翻边结构的形式，使产品形成稳定的工字梁结构，保证了产品的力学性能。避免了传统无翻边结构铺放蒙皮时，内、外蒙皮纤维经过减轻口拐角铺放至减轻口侧壁时内外蒙皮角度发生错乱的情况，做到了内、外蒙皮纤维铺放角度与纤维连续性的统一，使得蒙皮铺放角度与连续性的兼顾设计得到突破和简化，能够广泛适用于一体化3D立体封闭腔框架结构的成型，突破和克服了传统2D面内板式框架结构特点以及装配式立体框架的缺陷。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种3D立体封闭腔框架结构的示意图；

图2是图1的内腔截面示意图；

图3是本发明一个实施例的一种3D立体封闭腔框架结构成型制备方法的流程图；

图4a是本发明一个实施例的减轻口水溶性模具块的结构示意图；

图4b是图4a的左视图；

图5是本发明一个实施例的成型模具合模后的结构示意图。

附图标记：

上盖板1、下底板2、减轻口水溶性模具块3、凹槽31、侧加压板4、内胎5、水溶性模具芯模小块6、封闭腔7、减轻口翻边8、减轻口9。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种3D立体封闭腔框架结构及其成型制备方法。下面将对本发明提供的一种3D立体封闭腔框架结构及其成型制备方法，通过具体实施例来进行详细说明。

图1示出了本发明的3D立体封闭腔框架结构，包括框架结构和框架结构蒙皮，框架结构为一体成型的3D立体框架结构，如图2所示，结合图5，在框架结构的内腔，纵横分布若干封闭腔7，形成封闭腔网格筋。

在本发明的一个优选实施例中，框架结构由多个分区面板结构搭建而成，每个分区面板结构上均设置有减轻口9，在各个减轻口9的四周设置减轻口翻边8，减轻口翻边8形成大开口结构，通过引入翻边结构使产品形成稳定的工字梁结构，避免了传统无翻边结构铺放蒙皮时，内、外蒙皮纤维经过减轻口拐角铺放至减轻口侧壁时内、外蒙皮角度发生错乱的情况，翻边结构的引入使得后续在对框架结构进行蒙皮铺设的时候能够保证蒙皮的纤维铺放角度与纤维连续性的统一，突破和克服传统2D面内板式框架结构特点以及装配式立体框架的缺陷，实现了壳体的3D立体结构一体化成型。

框架结构蒙皮包括至少一组纤维和树脂复合材料层，每组纤维和树脂复合材料层由至少四层纤维和树脂预浸料铺设而成。

下面，结合图3所示的流程图对本发明的3D立体封闭腔框架结构成型制备方法以及图5进行详细说明，包括如下步骤：

S1、按照预设的铺层顺序和铺层角度，在水溶性模具芯模小块的各个面上铺放至少一组纤维和树脂复合材料的预浸料；在减轻口水溶性模具块的四周设置的凹槽的表面及侧立面铺放预浸料，形成翻边结构。

在本发明的一个优选实施例中，预浸料为树脂基纤维增强复合材料。预浸料的纤维为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤维中的任意一种；预浸料的树脂为氰酸脂树脂、环氧树脂、双马来酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、邻苯二甲氰树脂中的任意一种；预浸料的单层厚度均为0.05mm-0.2mm，预浸料中纤维的体积含量为60±3％。

具体的，每组纤维和树脂复合材料由四层纤维和树脂预浸料铺设而成，预浸料的铺层顺序为[0°/90°/±θ]_n，n为预浸料的铺放循环次数，可根据产品的厚度调整循环次数；铺放角度：15°≤θ≤75°。

因此，在水溶性模具芯模小块的各个面上，以及减轻口水溶性模具块的凹槽的底面以及凹槽侧立面均按照上述铺层顺序和铺层角度铺放预浸料。

进一步的，参见图4a、图4b，每个减轻口水溶性模具块3上下表面的四周均设置有凹槽；在凹槽31及凹槽31的侧立面铺放预浸料，形成翻边结构。

在本发明的另一个优选实施例中，水溶性模具芯模小块用于形成框架结构的封闭腔网格筋，减轻口水溶性模具块用于形成框架结构的减轻口翻边及侧壁。分别对各分区水溶性模具芯模小块和减轻口水溶性模具块进行预压，将其预压到理论尺寸大小，使得其在后续的步骤中能够组装到成型模具上。

S2、将各分区水溶性模具芯模小块以及减轻口模具块分别预压，形成各分区面板结构。

具体的，将各分区铺设有预浸料的各个水溶性模具芯模小块6及减轻口水溶性模具块3根据产品的尺寸需求，进行预压，形成多个分区面板结构。

在本发明的一个优选实施例中，如图1所示，分别组装五个分区面板结构，每个分区面板结构中，根据实际产品的需求，使用多个水溶性模具芯模小块6和一个减轻口水溶性模具块3，或使用多个水溶性模具芯模小块6和两个减轻口水溶性模具块3，或使用多个水溶性模具芯模小块6和多个减轻口水溶性模具块3进行预压组装。

S3、利用成型模具组装框架结构以及利用成型模具进行框架结构蒙皮的铺放。

本发明的成型模具包括：上盖板1、下底板2、内胎5和侧加压板4，参见如图5：

内胎5置于下底板2上，与下底板2连接；侧加压板4位于内胎5的四周，与上盖板1和下底板2形成用于容纳内胎5和3D立体封闭腔框架结构的容纳空间。

进一步的，内胎5与下底板2通过连接螺栓及定位销进行紧固和定位；侧加压板4分别与上盖板1和下底板2间利用连接螺栓进行加压；上盖板1和下底板2上均设置有直口，在合模时用于进行限位，从而保证产品的结构尺寸，即3D立体封闭腔框架结构的尺寸。

在本发明的一个优选实施例中，步骤S3包括以下步骤：

S301、按照预设的铺层顺序和铺层角度，在内胎上铺放框架结构内侧的内蒙皮；

S302、将各个分区面板结构安装在铺放有内蒙皮的内胎上，完成框架结构的组装；

S303、按照预设的铺层顺序和铺层角度，在完成组装的框架结构外侧铺放外蒙皮，完成框架结构蒙皮的铺放。

具体的，在成型模具的内胎5上铺放腔框架结构内侧的内蒙皮；再将步骤S2中得到的各个分区面板结构组装到内蒙皮上，形成3D立体封闭腔框架结构；再对完成组装的3D立体封闭腔框架结构进行外蒙皮的铺放，形成框架结构蒙皮。

内蒙皮与外蒙皮为与预浸料组份相同的树脂基纤维增强复合材料，内蒙皮与外蒙皮的铺层顺序和铺层角度可以与步骤S1中对水溶性模具芯模小块6和减轻口水溶性模具块3的各个面的预浸料进行铺放时的铺层顺序和铺层角度相同或不同。

S4、利用成型模具对待成型的3D立体封闭腔框架结构进行预压实，并送入固化炉中进行固化；

具体的，依次安装成型模具的侧加压板4及上盖板1，通过上盖板1、下底板2及侧加压板4间的连接螺栓对待成型的3D立体封闭腔框架结构进行预压实，接着将其送入固化炉中固化。固化温度为120℃～200℃，固化时间为2h～5h。

S5、完成固化后拆除成型模具并除去水溶性模具芯模小块以及减轻口水溶性模具块。

在本发明的一个优选实施例中，固化出炉后拆卸掉成型模具，通过在产品上预留的工艺孔除去内部的水溶性芯模。

具体的，溶解水溶性模具芯模小块6形成封闭腔7，溶解减轻口水溶性模具块3形成减轻口9。

最终得到具有网格筋结构加强的3D立体封闭腔框架结构。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种3D立体封闭腔框架结构，包括框架结构、框架结构蒙皮，其特征在于，所述框架结构为一体的3D立体框架结构，所述框架结构的内腔具有封闭腔网格筋结构。

2.根据权利要求1所述的3D立体封闭腔框架结构，其特征在于，所述框架结构上设置有减轻口。

3.根据权利要求2所述的3D立体封闭腔框架结构，其特征在于，所述减轻口的四周设置有减轻口翻边。

4.根据权利要求1所述的3D立体封闭腔框架结构，其特征在于，所述框架结构蒙皮包括至少一组纤维和树脂复合材料层。

5.一种3D立体封闭腔框架结构成型制备方法，其特征在于，包括步骤：

S1、按照预设的铺层顺序和铺层角度，在水溶性模具芯模小块的各个面上铺放纤维和树脂复合材料的预浸料；

在减轻口水溶性模具块的四周设置的凹槽的表面铺放所述预浸料；

S2、将各分区水溶性模具芯模小块以及减轻口模具块分别预压，形成各分区面板结构；

S3、利用成型模具组装框架结构，以及利用所述成型模具进行所述框架结构蒙皮的铺放；

所述框架结构的壳体由各个分区面板结构组装而成；

S4、利用所述成型模具对待成型的3D立体封闭腔框架结构进行预压实，并送入固化炉中进行固化；

S5、完成固化后拆除所述成型模具并除去所述水溶性模具芯模小块以及所述减轻口水溶性模具块。

6.根据权利要求5所述的3D立体封闭腔框架结构成型制备方法，其特征在于，所述成型模具包括：上盖板、下底板、内胎和侧加压板；

所述上盖板和所述下底板均设置有直口，用于合模时的限位；

所述内胎用于堆叠各个分区面板，形成所述3D立体封闭腔框架结构的壳体；

所述内胎置于所述下底板上，与所述下底板连接；

所述侧加压板位于所述内胎的四周，所述侧加压板与所述上盖板和所述下底板形成容纳空间，所述容纳空间用于容纳所述内胎和所述3D立体封闭腔框架结构。

7.根据权利要求6所述的3D立体封闭腔框架结构成型制备方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S301、按照预设的铺层顺序和铺层角度，在所述内胎上铺放所述框架结构内侧的内蒙皮；

S302、将各个所述分区面板结构安装在铺放有所述内蒙皮的内胎上，完成所述框架结构的组装；

S303、按照所述预设的铺层顺序和铺层角度，在完成组装的所述框架结构外侧铺放外蒙皮，完成框架结构蒙皮的铺放。

8.根据权利要求5所述的3D立体封闭腔框架结构成型制备方法，其特征在于，所述纤维和树脂预浸料纤维的体积分数为57％～63％；所述预浸料的单层厚度为0.05～0.2mm。

9.根据权利要求5所述的3D立体封闭腔框架结构成型制备方法，其特征在于，所述预浸料的纤维为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤维中的任意一种；

所述预浸料的树脂为氰酸脂树脂、环氧树脂、双马来酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、邻苯二甲氰树脂中的任意一种。

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