CN114872329A - 一种一体化成型复合材料蒙皮与骨架连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种一体化成型复合材料蒙皮与骨架的连接方法，包括如下步骤：(1)根据骨架的结构加工模具；(2)在模具表面铺设增强材料，对模具进行密封，根据工艺要求固化成型U型连接件；(3)对所述U型连接件进行脱模加工；(4)将所述U型连接件内腔胶结包裹在所述骨架上；(5)将所述U型连接件的外侧与复合材料蒙皮一体成型。将现有技术中的金属骨架‑复合材料蒙皮界面转化为U型连接件‑复合材料蒙皮界面，且金属骨架与U型连接件胶结面积远远大于现有技术中的金属骨架与复合材料蒙皮胶结面积，进一步增强了胶结强度。大幅提高骨架与复合材料间的连接稳定性，有效解决了“复合材料蒙皮‑金属骨架”界面强度弱、结构稳定性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料-骨架连接领域，具体而言，涉及一种一体化成型复合材料蒙皮与骨架连接方法。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料是一种高性能的材料，复合材料一体化成型技术具有结构稳定好的优点，被广泛应用于船舶、航空等各个工业领域。如今船舶、航天等领域已采用全复合材料蒙皮，骨架+复合材料蒙皮结构的结构件具有强度高、重量轻的优点。蒙皮与骨架注意依靠胶结的方式进行连接。为保证复合材料和骨架的结构安全性，需要依托骨架成型复合材料蒙皮。由于骨架与复合材料蒙皮接触面积小，复合材料与金属界面强度弱。若仅依靠金属-复合材料间的界面强度，在产品长时间服役过程中，可能会发生金属-复合材料界面分离。因此需设计一种增强金属-复合材料连接强度的方法。在复合材料蒙皮与金属骨架连接方面，界面强度是至关重要的因素，目前常用的增强方法是成型后对蒙皮与骨架进行手糊补强。但该方法增加了后续工序，且在部分狭小位置无法进行补强操作。
专利号CN109435273A的现有技术中公开一种变厚度骨架与蒙皮的连接技术，该方法通过在骨架、蒙皮表面贴一层胶膜，使用热熔胶预浸料技术粘接骨架和蒙皮。该方法避免了由于骨架或蒙皮变形导致接触面脱粘的问题。专利号CN104626623A的现有技术中公开了一种复合材料蒙皮的胶结方法，该方法将蒙皮胶结在骨架上，然后在蒙皮连接位置开阶梯矩形槽，槽内布置玻纤层，然后在蒙皮下方穿丝带，玻纤穿丝带穿过骨架上的穿丝槽。该方法增加了连接强度，大面积胶结并无电偶腐蚀，密封性好。这些方法都适用于后装配的复合材料蒙皮，对于一体化成型的复合材料蒙皮连接问题，无法提供有效的解决方法，导致一体化成型复合材料蒙皮与金属骨架界面强度差。因此，如何设计一种适用于一体成型的复合材料蒙皮与骨架的连接方法，以提高一体化成型复合材料蒙皮与金属骨架之间的界面强度是本领域亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种一体化成型复合材料蒙皮与骨架连接方法，以解决现有技术中一体化成型复合材料蒙皮与金属骨架界面强度差的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种一体化成型复合材料蒙皮与骨架的连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据骨架的结构加工模具；
(2)在模具表面铺设增强材料，对模具进行密封，根据工艺要求固化成型U型连接件；
(3)对所述U型连接件进行脱模加工；
(4)将所述U型连接件内腔胶结包裹在所述骨架上；
(5)将所述U型连接件的外侧与复合材料蒙皮一体成型。
进一步的，在步骤(1)中，根据需连接的结构加工模具，所述模具外线型根据所述骨架线型加工，所述模具厚度大于所述骨架厚度。
进一步的，所述模具与所述骨架的厚度差为+0.5mm～+1.5mm。
进一步的，在步骤(2)中，增强材料覆盖模具顶面、左侧外表面、右侧外表面。
进一步的，所述U型连接件适用于厚度为4mm～50mm的金属骨架。
进一步的，所述U型连接件基体树脂根据复合材料蒙皮的树脂设置。
进一步的，所述模具线型需大于所述骨架线型，公差取0mm～+1.0mm。
进一步的，所述增强材料类型包括玻璃纤维织物、玻璃纤维短切毡、玻璃纤维预浸料，增强材料裁剪时应保留10mm～30mm的成型后加工余量。
进一步的，所述U型连接件包括底板、左侧翼和右侧翼，所述左侧翼和右侧翼的宽度均设置为2mm～30mm。
进一步的，在步骤(4)中将所述U型连接件的外侧与胶结在所述骨架上的胶黏剂可以是环氧类、聚氨酯类、丙烯酸类胶黏剂中的至少一种，胶黏剂的粘度为10000mPa·s～80000mPa·s。
相对于现有技术，本发明所述的一体化成型复合材料蒙皮与骨架的连接方法具有以下优势：
(1)本发明中通过提前或并行制作U型连接件，减少了蒙皮成型后的后处理工序，提高了产品的生产效率；U型连接件通过两翼边对骨架进行限制，在蒙皮与骨架胶接失效后仍能对骨架进行一定约束，并且U型连接件使用玻璃纤维为原材料，完全覆盖在骨架上，可做为骨架防腐层，避免碳纤维蒙皮与骨架发生电化学腐蚀，可应用于轨道交通、高速列车、航空航天、船舶与海洋工程等领域的复合材料骨架连接结构中，具有广阔的应用前景。
(2)本发明通过将现有技术中的骨架-复合材料蒙皮的连接方式，转化为骨架-U型连接件-蒙皮的连接方式。将现有技术中的金属骨架-复合材料蒙皮界面转化为U型连接件-复合材料蒙皮界面，且金属骨架与U型连接件胶结面积远远大于现有技术中的金属骨架与复合材料蒙皮胶结面积，进一步增强了胶结强度。大幅提高骨架与复合材料间的连接稳定性，有效解决了“复合材料蒙皮-金属骨架”界面强度弱、结构稳定性差的问题。
(3)本发明中的U型连接件内腔宽度为正公差，刮涂胶粘剂时，能保证胶层厚度均匀，粘接质量更好。
附图说明
图1为本发明实施例所述的平面模具成型示意图；
图2为本发明实施例所述的曲面模具成型示意图；
图3为本发明实施例所述的铺层截面图；
图4为本发明实施例所述的T型钢骨架连接结构。
附图标记说明：
1-模具，2-增强材料，3-骨架，4-U型连接件，41-左侧翼，42-右侧翼，43- 底板，5-蒙皮
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
如图1～4所示，本发明提供了一种一体化成型复合材料蒙皮与骨架的连接方法，涉及到的结构包括模具1、增强材料2、骨架3、U型连接件4和蒙皮5，具体连接方法包括如下步骤：
(1)根据骨架3的结构加工模具1；
(2)在模具1表面铺设增强材料，对模具1进行密封，根据工艺要求固化成型U型连接件4；
(3)对U型连接件4进行脱模加工；
(4)将U型连接件4内腔胶结包裹在骨架3上；
(5)U型连接件的外侧与复合材料蒙皮一体成型。
本发明所述的方法可以根据骨架厚度及线型预制模具，通过添加增强材料使得最终成型后的U型复合材料连接件结构稳定性好，U型连接件胶结在金属骨架上，能大幅提高骨架与复合材料间的连接稳定性，避免蒙皮与骨架发生电化学腐蚀，将现有技术中骨架-复合材料蒙皮的连接方式转化为骨架- 复合材料连接件-蒙皮的连接方式，且金属骨架与U型连接件胶结面积远远大于原先的金属骨架与复合材料蒙皮胶结面积，进一步增强了胶结强度。
在步骤(1)中，根据需连接的结构加工模具1，模具1外线型根据骨架 3线型加工，模具1厚度略大于且接近骨架3厚度，具体模具1与骨架3的厚度差根据成型工艺中的加工误差设置，便于将根据模具加工后的U型连接件胶结包裹在骨架上。优选的，模具1与骨架3的厚度差为+0.5mm～+1.5mm。
在步骤(2)中，增强材料2覆盖模具1顶面、左侧外表面、右侧外表面，使得U型连接件的底板43、左侧翼41和右侧翼42均含有增强材料，保证U 型连接件均匀成型，进而保证其连接稳定性。
其中预制的U型连接件4也可适用于液体成型工艺、预浸料成型工艺成型的复合材料蒙皮5与金属骨架3的连接。预制的U型连接件4基体树脂根据复合材料蒙皮的树脂决定，包括但不限于不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂、环氧树脂、双马树脂等。
本实施例中预制的U型连接件4适用于厚度为4mm～50mm的金属骨架3。金属骨架的材质可以为铝合金、镁合金、铁合金、钛合金。
进一步的，左侧翼41和右侧翼42的宽度均设置为2mm～30mm，根据骨架3结构，两翼边宽度可不相同。
进一步的，模具1为阳模结构，模具1的材质可以设置为金属、木模、复合材料等。模具1线型需大于骨架3线型，公差取0mm～+1.0mm。
本实施例中增强材料2类型包括玻璃纤维织物、玻璃纤维短切毡、玻璃纤维预浸料等；增强材料2裁剪时应保留10mm～30mm的成型后加工余量。
在步骤(4)中，将U型连接件的外侧与胶结在骨架3上的胶黏剂可以是环氧类、聚氨酯类、丙烯酸类胶黏剂中的至少一种，根据工艺需要，一般胶黏剂的使用粘度需要大于10000mPa·s，小于80000mPa·s。
实施例1
针对碳纤维复合材料蒙皮为8mm，骨架厚度为8mm的T型921A钢结构骨架，如图4所示。
第一步，制作厚度为15.5mm，外线型与骨架相同的木质成型阳模1；
第二步，在成型阳模1上表面铺设克重为300的玻纤短切毡层5层，再按照模具形状在模具顶面、左侧外表面、右侧外表面铺设10层玻纤短切毡层，左右面铺设宽度为65mm，形成U形结构。铺设完成后进行真空密封，完成真空灌注乙烯基树脂，常温固化后脱模，如图1所示。
第三步，产品脱模后进行加工，对铺设余量50mm进行铣床加工。加工成型后的产品，U型连接件左侧翼41和右侧翼42的厚度均为1.5mm，长度为15mm。
第四步，将U型连接件在骨架上进行放样修配，修配完成后，在U型连接件与骨架接触位置的涂抹粘度为80000mPa·s的聚氨酯胶黏剂，扣在对应骨架上，擦拭表面挤出的胶黏剂。待胶粘剂完全固化后，连接件完成成型。
第五步，将复合材料蒙皮一体成型在U型连接件的外侧。
实施例2
针对碳纤维厚度为6mm，骨架厚度为20mm的TC4钛合金异形曲面骨架结构，如图2所示，
第一步，制作厚度为21mm，为100mm，与骨架线型相同宽度的异形曲面模具，模具材质为45#钢；
第二步，在阳模上表面先铺设5层玻璃纤维预浸料，然后在模具顶面、左侧外表面、右侧外表面铺设10层玻璃纤维预浸料，宽度覆盖左右表面 70mm，完成U型结构铺设，然后进行真空封闭，在80℃烘箱中固化12小时，炉冷后脱模；
第三步，对脱模后的连接件进行铣床加工，加工成型后的产品，使U型连接件两翼边厚度为2mm，宽度为20mm；
第四步，将U型连接件与骨架进行放样修配，确认无误后，在U型连接件与骨架接触位置的涂抹粘度为10000mPa·s的环氧结构胶黏剂，扣在对应骨架上，擦拭多余胶黏剂。待胶粘剂完全固化后，U型连接件成型完成。
第五步，将复合材料蒙皮一体成型在U型连接件的外侧。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种一体化成型复合材料蒙皮与骨架的连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据骨架的结构加工模具；
(2)在模具表面铺设增强材料，对模具进行密封，根据工艺要求固化成型U型连接件；
(3)对所述U型连接件进行脱模加工；
(4)将所述U型连接件内腔胶结包裹在所述骨架上；
(5)将所述U型连接件的外侧与复合材料蒙皮一体成型。
2.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，在步骤(1)中，根据需连接的结构加工模具，所述模具外线型根据所述骨架线型加工，所述模具厚度大于所述骨架厚度。
3.根据权利要求2所述的连接方法，其特征在于，所述模具与所述骨架的厚度差为+0.5mm～+1.5mm。
4.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，在步骤(2)中，增强材料覆盖模具顶面、左侧外表面、右侧外表面。
5.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，所述U型连接件适用于厚度为4mm～50mm的金属骨架。
6.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，所述U型连接件基体树脂根据复合材料蒙皮的树脂设置。
7.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，所述模具线型需大于所述骨架线型，公差取0mm～+1.0mm。
8.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，所述增强材料类型包括玻璃纤维织物、玻璃纤维短切毡、玻璃纤维预浸料，增强材料裁剪时应保留10mm～30mm的成型后加工余量。
9.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，所述U型连接件(4)包括底板(43)、左侧翼(41)和右侧翼(42)，所述左侧翼(41)和右侧翼(42)的宽度均设置为2mm～30mm。
10.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，在步骤(4)中将所述U型连接件的外侧与胶结在所述骨架上的胶黏剂可以是环氧类、聚氨酯类、丙烯酸类胶黏剂中的至少一种，胶黏剂的粘度为10000mPa·s～80000mPa·s。
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