CN114603900A - 一种复合材料外压壳体加筋结构及其成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合材料外压壳体加筋结构及其成型方法，包括复合材料壳体及筋状件；所述筋状件为环筋、矩形筋、六边形筋和多边形网格筋中的一种或多种；所述筋状件通过一体成型或二次粘接连接于所述复合材料壳体内壁处。本发明增强外压壳体的稳定性，在保证壳体强度和稳定性不降低的情况下，减轻壳体的重量，为耐压壳体在深海领域的应用推广做技术积累。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及一种复合材料外压壳体加筋结构及其成型方法。
背景技术
复合材料具有强度高、耐腐蚀性好、抗疲劳程度强、可设计性好等特点，可根据不同的工作要求，设计制造性能不同的复合材料，故近年来复合材料开始替代金属被广泛应用。现阶段深海领域所用的耐压壳体一般为金属材质，多为铝合金和钛合金，随着科技的发展，开始对潜器等深海用设备提出了更高的要求，要求设备续航时间长、航速更高等，故开始选用复合材料壳体代替传统的金属耐压壳体。
复合材料耐压壳体的承压能力来源于壳体的铺层顺序和铺层厚度，根据设置的压力，设置壳体相应参数，从铺层和厚度考虑，无法再对壳体进行进一步减重。
复合材料加筋结构常用于航空航天以及船舶领域，一般用来增强大尺寸板材或者壳体的尺寸稳定性。筋条的形状有多种，常见的有帽型筋、矩形筋、刃型筋、“T”型筋以及“J”型筋等，筋结构结构的成型方式也有多种选择，如缠绕成型、嵌锁成型以及膨胀模块成型等，并可以根据实际的生产情况结合成本等实际因素选用合适的模具，总体来讲可选择性强、灵活性高，适合实际生产过程。结合现阶段耐压壳体需要进一步减重的需求，本专利将加筋结构应用于复合材料外压壳体当中，通过加筋在保证壳体强度和稳定性不降低的情况下减轻壳体的重量，解决现阶段复合材料壳体无法继续减重的问题，为深海领域向长航行、高航速方向发展做技术积累。同时筋结构的应用方便了筒体内部仪器的固定，可以根据实际情况下内部仪器的分布状况设计筋条的分布。
发明内容
为此，本发明提供一种复合材料加筋结构及其制造方法。
本发明的复合材料加筋结构，包括：
复合材料壳体及筋状件；
所述筋状件为环筋、矩形筋、六边形筋和多边形网格筋中的一种或多种；
所述筋状件通过一体成型或二次粘接连接于所述复合材料壳体内壁处。
进一步的，所述筋状件为六边形筋，在所述筋状件的六边形各交点处设有镂空部。
进一步的，所述筋状件通过二次粘接于所述复合材料壳体内壁处，所述复合材料壳体内壁设有多个适于安装所述筋状件的定位槽。
本发明还提供一种复合材料外压壳体加筋结构的成型方法，包括如下步骤：
步骤一、根据工作环境确定复合材料外压壳体的基本参数及筋状件的结构类型，同时确定复合材料外压壳体和筋状件的连接类型；
步骤二、将树脂及复合材料纱团依次多层缠绕于砂芯模具上，固化后制成壳体预制件；
步骤三、清除砂芯模具，完成脱模；
步骤四、对完成脱模的壳体进行二次加工，将壳体预制件用水切割截至基本参数中的预定长度；固定壳体预制件后，对壳体预制件两侧进行加工，加工过程中在所述壳体预制件的两侧与金属件进行配车，然后将金属件于所述壳体预制件进行连接；
步骤五、对所述壳体预制件外表面进行封孔处理，制得复合材料外压壳体。
进一步的，步骤二中，当复合材料壳体与筋状件为二次粘接时，在固化后，在壳体预制件内壁处按确定的筋状件分布开设多个定位槽，沿定位槽将筋状件粘接于壳体预制件内壁，然后再次固化。
进一步的，在步骤二中，
当壳体预制件的壁厚小于25mm时，直接固化；
当壳体预制件的壁厚大于25mm时，旋转固化。
进一步的，步骤二中，进行缠绕的具体过程为，根据步骤一中确定的基本参数和结构类型编写软件缠绕数据进行缠绕。
进一步的，对所述壳体预制件外表面进行封孔，封孔的具体过程为制得封孔剂后，用脱脂棉纱蘸取树脂擦拭壳体外表面1-2次，填补壳体外表面细小的空隙，常温固化后完成封孔。
进一步的，所述封孔剂，以重量份计，包括如下组分：
修补剂1份:包括20%-25%环氧树脂、75%-80%树脂固化剂；
基质剂2-10份：包括丙酮。
本发明还提供一种由复合材料外压壳体加筋结构的在航天及船舶承力结构件的应用。
本发明的上述技术方案，相比现有技术具有以下优点：
1.本发明将复合材料加筋结构应用于外压壳体，在保证壳体强度和稳定性不下降的情况下减轻壳体的重量。
2.本发明中加筋结构的应用帮助筒体内部的仪器固定，可以根据内部仪器布置适当调整筋条的位置，解决内部仪器难固定的问题。若必要使用螺接还可以避免在筒身进行打孔处理，以免影响强度。
3.本发明可以根据壳体应用的实际情况改变加筋的筋型（矩形、刃型、帽型等）以及筋状件和壳体的连接方式（一体成型和二次胶接），设计灵活度高，工况适配性强。
附图说明
图1是本发明实施例一的复合材料外压壳体加筋结构的结构示意图；
图2是本发明实施例二的复合材料外压壳体加筋结构的结构示意图；
其中，1、复合材料外压壳体；2、环筋；3、矩形筋。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
实施例一
本发明的复合材料加筋结构，如图1所示，包括复合材料壳体和筋状件。
所述复合材料壳体厚度为23mm。
所述筋状件为环筋，筋型为矩形、刃型和帽型中的一种。所述筋状件通过一体成型连接于所述复合材料壳体内壁处。
本实施例还提供一种复合材料外压壳体加筋结构的成型方法，包括如下步骤：
步骤一、根据工作环境确定复合材料外压壳体的基本参数及筋状件的结构类型，同时确定复合材料外压壳体和筋状件的连接类型；
步骤二、将树脂及复合材料纱团依次多层缠绕于砂芯模具上，直接固化后制成壳体预制件；
步骤三、清除砂芯模具，完成脱模；
步骤四、对完成脱模的壳体进行二次加工，将壳体预制件用水切割截至基本参数中的预定长度；固定壳体预制件后，对壳体预制件两侧进行加工，加工过程中在所述壳体预制件的两侧与金属件进行配车，然后将金属件于所述壳体预制件进行连接；
步骤五、对所述壳体预制件外表面进行封孔处理，制得复合材料外压壳体。
进一步的，步骤二中，进行缠绕的具体过程为，根据步骤一中确定的基本参数和结构类型编写软件缠绕数据进行缠绕。
进一步的，对所述壳体预制件外表面进行封孔的具体过程为利用树脂填补壳体外表面细小的空隙，用脱脂棉纱蘸取树脂擦拭壳体外表面1-2次，常温固化后完成封孔。，所述封孔剂，以重量份计，包括如下组分：修补剂1份:包括23%环氧树脂、77%树脂固化剂；基质剂5份：包括丙酮。
实施例二
本发明的复合材料加筋结构，如图2所示，包括复合材料壳体和筋状件。
所述复合材料壳体厚度为28mm。
所述筋状件为矩形筋，所述矩形筋由多跟筋条围设呈矩形。筋型为矩形、刃型和帽型中的一种。所述筋状件通过二次粘接于所述复合材料壳体内壁处，所述复合材料壳体内壁设有多个适于安装所述筋状件的定位槽。
本实施例还提供一种复合材料外压壳体加筋结构的成型方法，包括如下步骤：
步骤一、根据工作环境确定复合材料外压壳体的基本参数及筋状件的结构类型，同时确定复合材料外压壳体和筋状件的连接类型；
步骤二、将树脂及复合材料纱团依次多层缠绕于砂芯模具上，旋转固化后制成壳体预制件；
步骤三、清除砂芯模具，完成脱模；
步骤四、对完成脱模的壳体进行二次加工，将壳体预制件用水切割截至基本参数中的预定长度；固定壳体预制件后，对壳体预制件两侧进行加工，加工过程中在所述壳体预制件的两侧与金属件进行配车，然后将金属件于所述壳体预制件进行连接；
步骤五、对所述壳体预制件外表面进行封孔处理，制得复合材料外压壳体。
进一步的，步骤二中，进行缠绕的具体过程为，根据步骤一中确定的基本参数和结构类型编写软件缠绕数据进行缠绕。当复合材料壳体与筋状件为二次粘接时，在固化后，在壳体预制件内壁处按确定的筋状件分布开设多个定位槽，沿定位槽将筋状件粘接于壳体预制件内壁，然后再次固化。
进一步的，对所述壳体预制件外表面进行封孔的具体过程为利用树脂填补壳体外表面细小的空隙，用脱脂棉纱蘸取树脂擦拭壳体外表面1-2次，常温固化后完成封孔。所述封孔剂，以重量份计，包括如下组分：修补剂1份:包括20%环氧树脂、80%树脂固化剂；基质剂10份：包括丙酮。
实施例三
本发明的复合材料加筋结构，包括复合材料壳体和筋状件。
所述复合材料壳体厚度为28mm。
所述筋状件为六边形筋，所述六边形筋由多跟筋条围设呈六边形，在所述筋状件的六边形各交点处设有镂空部。筋型为矩形、刃型和帽型中的一种。所述筋状件通过二次粘接于所述复合材料壳体内壁处，所述复合材料壳体内壁设有多个适于安装所述筋状件的定位槽。
本实施例还提供一种复合材料外压壳体加筋结构的成型方法，包括如下步骤：
步骤一、根据工作环境确定复合材料外压壳体的基本参数及筋状件的结构类型，同时确定复合材料外压壳体和筋状件的连接类型；
步骤二、将树脂及复合材料纱团依次多层缠绕于砂芯模具上，旋转固化后制成壳体预制件；
步骤三、清除砂芯模具，完成脱模；
步骤四、对完成脱模的壳体进行二次加工，将壳体预制件用水切割截至基本参数中的预定长度；固定壳体预制件后，对壳体预制件两侧进行加工，加工过程中在所述壳体预制件的两侧与金属件进行配车，然后将金属件于所述壳体预制件进行连接；
步骤五、对所述壳体预制件外表面进行封孔处理，制得复合材料外压壳体。
进一步的，步骤二中，进行缠绕的具体过程为，根据步骤一中确定的基本参数和结构类型编写软件缠绕数据进行缠绕。当复合材料壳体与筋状件为二次粘接时，在固化后，在壳体预制件内壁处按确定的筋状件分布开设多个定位槽，沿定位槽将筋状件粘接于壳体预制件内壁，然后再次固化。
进一步的，对所述壳体预制件外表面进行封孔的具体过程为利用树脂填补壳体外表面细小的空隙，用脱脂棉纱蘸取树脂擦拭壳体外表面1-2次，常温固化后完成封孔。所述封孔剂，以重量份计，包括如下组分：修补剂1份:包括20%环氧树脂、80%树脂固化剂；基质剂10份：包括丙酮。
实施例四
本实施例提供一种由实施例一至三任一所述的复合材料外压壳体加筋结构在航天及船舶承力结构件的应用。
本实施例将复合材料加筋结构应用于外压壳体，在保证壳体强度和稳定性不下降的情况下减轻壳体的重量。
本实施例中加筋结构的应用帮助筒体内部的仪器固定，可以根据内部仪器布置适当调整筋条的位置，解决内部仪器难固定的问题。若必要使用螺接还可以避免在筒身进行打孔处理，以免影响强度。
本实施例可以根据壳体应用的实际情况改变加筋的筋型（矩形、刃型、帽型等）以及筋状件和壳体的连接方式（一体成型和二次胶接），设计灵活度高，工况适配性强。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种复合材料外压壳体加筋结构，其特征在于，包括：复合材料壳体及筋状件；
所述筋状件为环筋、矩形筋、六边形筋和多边形网格筋中的一种或多种；
所述筋状件通过一体成型或二次粘接连接于所述复合材料壳体内壁处。
2.根据权利要求1所述的复合材料壳体加筋结构，其特征在于，所述筋状件为六边形筋，在所述筋状件的六边形各交点处设有镂空部。
3.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述筋状件通过二次粘接于所述复合材料壳体内壁处，所述复合材料壳体内壁设有多个适于安装所述筋状件的定位槽。
4.一种复合材料外压壳体加筋结构的成型方法，其特征在于，包括如下步骤:
步骤一、根据工作环境确定复合材料外压壳体的基本参数及筋状件的结构类型，同时确定复合材料外压壳体和筋状件的连接类型；
步骤二、将树脂及复合材料纱团依次多层缠绕于砂芯模具上，固化后制成壳体预制件；
步骤三、清除砂芯模具，完成脱模；
步骤四、对完成脱模的壳体进行二次加工，将壳体预制件切割截至基本参数中的预定长度；固定壳体预制件后，对壳体预制件两侧进行加工，加工过程中在所述壳体预制件的两侧与金属件进行配车，然后将金属件于所述壳体预制件进行连接；
步骤五、对所述壳体预制件外表面进行封孔处理，制得复合材料外压壳体。
5.根据权利要求4所述的复合材料外压壳体加筋结构的成型方法，其特征在于，步骤二中，当复合材料壳体与筋状件为二次粘接时，在固化后，在壳体预制件内壁处按确定的筋状件分布开设多个定位槽，沿定位槽将筋状件粘接于壳体预制件内壁，然后再次固化。
6.根据权利要求5所述的复合材料外压壳体加筋结构的成型方法，其特征在于，在步骤二中，
当壳体预制件的壁厚小于25mm时，直接固化；
当壳体预制件的壁厚大于25mm时，旋转固化。
7.根据权利要求6所述的复合材料外压壳体加筋结构的成型方法，其特征在于，步骤二中，进行缠绕的具体过程为，根据步骤一中确定的基本参数和结构类型编写软件缠绕数据进行缠绕。
8.根据权利要求7所述的复合材料外压壳体加筋结构的成型方法，其特征在于，对所述壳体预制件外表面进行封孔，封孔的具体过程为制得封孔剂后，用脱脂棉纱蘸取树脂擦拭壳体外表面1-2次，填补壳体外表面细小的空隙，常温固化后完成封孔。
9.根据权利要求8所述的复合材料外压壳体加筋结构的成型方法，其特征在于，所述封孔剂，以重量份计，包括如下组分：
修补剂1份，修补剂包括20-25份环氧树脂、75-80份树脂固化剂；
基质剂2-10份，基质剂包括丙酮。
10.一种由权利要求1-3中任一所述的复合材料外压壳体加筋结构的在航天及船舶承力结构件的应用。
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