CN114986997B - 一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗和装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗和装配方法，属于纤维复合材料设计制造领域，其包括4mm厚的纤维织物复合材料底部、6mm厚的泡沫夹芯层和5mm厚的承载蒙皮结构，纤维织物复合材料底部和泡沫夹芯层通过胶粘剂连接，泡沫夹芯层和承载蒙皮结构通过胶粘剂粘接，纤维织物复合材料底部、泡沫夹芯层和承载蒙皮结构通过复合材料螺钉的胶接和螺接实现一体紧固，该结构通过胶接和复合材料螺钉的胶接、螺接实现局部和整体的一体装配。该结构实现了定厚度情况下，在一定频段范围内对复合材料透波窗产品透波率的要求，该装配方法实现了局部曲面复合材料产品和整体产品的一体性装配，承载优异，型面配合好。
Description
技术领域
本发明属于纤维复合材料设计制造技术领域，特别是涉及一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗和装配方法。
背景技术
纤维复合材料以其轻质高强的优异特性在航空航天等尖端领域的应用越来越多。随着纤维复合材料在高载荷、高飞行速度战术导弹制导武器防护装置等领域的应用，为了实现对纤维复合材料产品内部防护的武器设备运行状态的监测，需要纤维复合材料产品局部实现信号传输的部位具有良好的透波性，从而实现内部信号的良好传输，对内部武器设备的运行状态进行监测。
产品的透波性受介电常数、耗散因数、结构、厚度、入射角度等的影响，树脂基纤维复合材料以其性能/价格比的优势为透波产品的首选。而对于局部透波性能要求的复合材料产品，因为其要作为整体产品的一部分匹配到定厚度的整体产品上，这就对在一定频段内有透波性要求的局部透波复合材料产品的结构设计和工艺方法提出了要求。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗和装配方法，以解决产品局部部位在固定厚度下实现高透波率的设计难题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗，包括纤维织物复合材料底部、泡沫夹芯层和承载蒙皮，所述纤维织物复合材料底部与纤维织物复合材料底部之间夹有泡沫夹芯层，所述纤维织物复合材料底部顶部设置有凹槽一，所述承载蒙皮底部也设置凹槽二，所述泡沫夹芯层固定在凹槽一和凹槽二间；
所述纤维织物复合材料底部的厚度为4mm，所述泡沫夹芯层的厚度为6mm，所述承载蒙皮的厚度为5mm。
更进一步的，所述纤维织物复合材料底部、泡沫夹芯层和承载蒙皮结构均为曲面结构的预制体。
更进一步的，所述纤维织物复合材料底部、泡沫夹芯层和承载蒙皮结构通过胶粘剂连接。
更进一步的，所述定厚织物泡沫曲面结构透波窗和纤维复合材料本体通过复合材料螺钉的胶接和螺接实现一体化紧固连接装配。
更进一步的，所述承载蒙皮通过锁扣绑带和纤维复合材料组合本体1进行连接。
更进一步的，所述定厚织物泡沫曲面结构透波窗的纤维织物复合材料底部预制体和泡沫夹芯层预制体通过胶粘剂连接固化后，该结构通过装配工装实现和纤维复合材料本体的连接。
更进一步的，所述定厚织物泡沫曲面结构透波窗为在16mm厚度情况下实现1.0GHz-3.5GHz频段宽度内的透波率大于85％。
一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的装配方法，具体包括以下步骤：
(1)将纤维织物复合材料底部和泡沫夹芯层装配成组合体；
(2)将纤维织物复合材料底部和泡沫夹芯层的组合体与纤维复合材料本体的装配安装；
(3)承载蒙皮通过锁扣绑带和纤维复合材料组合本体进行连接；
(4)透波窗和纤维复合材料本体通过复合材料螺钉实现局部和本体的有效承载一体化连接。
更进一步的，步骤一(1)的具体方法为：将纤维织物复合材料底部的底部外型面和底部内侧型面位置处涂抹粘接剂，泡沫夹芯层的泡沫外型面、泡沫侧型面和泡沫内型面位置处涂抹粘接剂，粘接纤维织物复合材料底部和泡沫夹芯层，底部外型面和泡沫内型面对接，底部内侧型面和泡沫侧型面对接，待粘接剂固化后处理溢出多余物，并处理组合体的表面至光滑平整。
更进一步的，步骤(2)中，用纤维织物复合材料底部和泡沫夹芯层组合体通过底部和泡沫组合安装定型工装来完成，将底部外侧型面和纤维复合材料本体开孔侧型面位置处分别涂抹粘接剂，将纤维织物复合材料底部和泡沫夹芯层的组合体从纤维复合材料本体的内部进行安装，缓慢推至内弧型面顺滑齐平后将安装定型工装安放在组合体的下方，螺旋转动定型工装定位调节杆，使定型工装上部的定型工装定型面、定型工装下部顶紧纤维复合材料本体的内部底面和开孔区域，粘接剂固化过程中支撑定位组合体和纤维复合材料本体的连接；固化后，清理溢出多余物料和底部与泡沫组合外型面，使其光滑平整无凸起。
更进一步的，步骤(3)的具体方法为：安装前，纤维复合材料组合本体在安装位置处划出安装位置轮廓线和中线，承载蒙皮的承载蒙皮外型面划出中心线，将承载蒙皮内型面和承载蒙皮与底部和泡沫夹芯层组合体界面涂抹粘接剂，将组合本体安装承载蒙皮的轮廓区域内涂抹粘接剂，将承载蒙皮安放到安装位置处，调整并对齐组合本体和承载蒙皮的轮廓线和中心线，用两根锁扣绑带一左一右对承载蒙皮进行捆绑和固定，固化后拆开锁扣绑带，清理溢出多余物。
更进一步的，步骤(4)的具体方法为：在承载蒙皮外型面上加工出两个中心线夹角为25°的螺纹孔，深度为13.5mm，清理干净螺纹孔并涂抹粘接剂，将长度为12.5的复合材料紧固螺钉涂抹粘接剂后拧入螺纹孔，在紧固螺钉上刮涂粘接剂，保证高度略高于纤维复合材料本体的型面，固化后清理溢出多余物，打磨至光滑平整无凸起，完成复合材料螺钉的胶接、螺接，实现局部和整体的一体装配，拆除底部和泡沫组合安装定型工装，清理内型面。完成透波窗和纤维复合材料本体的一体化结构设计和装配。
与现有技术相比，本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗和装配方法的有益效果是：
(1)本发明所述一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗结构及其装配方法，实现了定厚度16mm情况下，在1.0GHz-3.5GHz频段范围内对复合材料透波窗产品的透波率达到85％以上的要求，解决了产品局部部位在固定厚度下实现高透波率的设计难题，实现了定厚度下宽频段范围内高透波率的结构设计和装配加工。
(2)本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗及其装配方法，实现了局部曲面复合材料产品和整体产品的一体性装配，在曲面结构产品的透波窗安装位置处开孔后，设计制作满足透波率和承载性能的曲面结构透波窗口部件，从内向外的锥形结构设计满足复合材料产品透波窗承受内压力时，透波窗部件和产品的配合界面可以通过锥形配合面的作用力和反作用力实现力的传递和部分抵消，从而保证透波窗口的力学承载稳定性。
(3)本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗及其装配方法，内曲面通过内曲面定位工装实现了透波窗部件曲面型面和复合材料产品内曲面型面的一致性对接装配，曲面定位工装的型面和自锁紧定位调节功能保证了曲面之间配合的良好过渡和曲型面的顺滑对接。
(4)本发明的透波窗的蒙皮结构起到透波功能作用的同时具有加强承载保护的对功能，蒙皮的中心部位和透波窗底部及夹心共同实现透波窗的透波率，锥形对接界面、透波窗处紧固螺钉的螺接结构形式以及透波窗蒙皮加强结构的外延补强结构设计进一步加强保证了透波窗的承载性能，实现了透波窗结构和复合材料产品的一体化装配，承载优异，型面配合好，避免了传统加工方法承载不稳定，不易装配加工、适型性差的问题，也避免了透波窗结构和纤维复合材料本体交界面的一致性对接问题。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的主视图；
图2为本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的泡沫夹芯层的结构示意图；
图3为本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的泡沫夹芯层的俯视图；
图4为本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的纤维织物复合材料底部的示意图；
图5为本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的纤维织物复合材料底部的俯视图；
图6为本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的纤维织物复合材料底部和泡沫夹芯层组合结构图；
图7为本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的纤维织物复合材料底部和泡沫夹芯层组合结构俯视图；
图8为本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的承载蒙皮结构的示意图；
图9为本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的承载蒙皮结构的俯视图；
图10为本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的纤维复合材料本体的开孔配装示意图；
图11为本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的纤维织物复合材料底部和泡沫夹芯层组合结构装配示意图；
图12为本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的纤维织物复合材料底部和泡沫夹芯层组合结构的安装工装示意图；
图13为本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的纤维织物复合材料底部和泡沫夹芯层组合结构的安装工装的俯视透视图；
图14为本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的透波窗装配示意图；
图15为本发明所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的透波窗和纤维复合材料本体连接开孔示意图；
其中，1-纤维织物复合材料本体，2-纤维织物复合材料底部，3-泡沫夹芯层，4-承载蒙皮，5-复合材料螺钉，6-底部外型面，7-底部内侧型面，8-底部内型面，9-泡沫外型面，10-泡沫侧型面，11-泡沫内型面，12-底部外侧型面，13-纤维复合材料本体开孔侧型面，14-纤维复合材料本体开孔，15-定型工装上部，16-定型工装下部，17-定型工装定型面，18-底部和泡沫组合安装定型工装，19-定型工装定位调节杆，20-承载蒙皮外型面，21-承载蒙皮内型面，22-承载蒙皮与底部和泡沫组合体界面，23-复合材料螺钉，24-复合材料螺钉，25-底部与泡沫组合外型面。
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、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，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。
一、具体实施方式一，参见图1-15说明本实施方式，一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗，包括纤维织物复合材料底部2、泡沫夹芯层3和承载蒙皮4，所述纤维织物复合材料底部2与纤维织物复合材料底部2之间夹有泡沫夹芯层3，所述纤维织物复合材料底部2顶部设置有凹槽一，所述承载蒙皮4底部也设置凹槽二，所述泡沫夹芯层3固定在凹槽一和凹槽二间；
所述纤维织物复合材料底部2的厚度为4mm，所述泡沫夹芯层3的厚度为6mm，所述承载蒙皮4的厚度为5mm。
透波窗要在固定厚度16mm情况下，实现在1.0GHz-3.5GHz频段范围内的透波率达到85％以上，要考虑在满足厚度要求的基础上，既满足透波率要求，又满足承载性要求。这就要同时考虑介电常数、耗散因数和结构组合方案及装配固定形式。为了获得夹层结构形式的最佳透波性能，必须调整纤维织物复合材料底部2和承载蒙皮4之间的间隔以达到相反使两个反射相互抵消，使反射最小，从而获得最佳透波性能。透波窗工作频带较宽，综合考虑透波率、力学性能、介电性能，采用夹层结构设计方案。纤维织物复合材料底，2为透波窗的增强材料，泡沫夹芯层3为夹芯材料，计算最佳厚度的计算公式为：
式中：(dc)N为N级芯层的厚度；N为整数；αc为芯层的相对介电常数αs为蒙皮的相对介电常数/>ds为蒙皮的厚度；λ0为雷达天线罩工作波长；
考虑到泡沫夹芯层3的厚度偏离中心值一个小的量Δdc，则近似的功率反射系数为：
式中：
经计算，透波窗的结构设计为由4mm厚的纤维织物复合材料底部2、6mm厚的泡沫夹芯层3和5mm厚的承载蒙皮结构4组合而成。
所述纤维织物复合材料底部2、泡沫夹芯层3和承载蒙皮结构4均为曲面结构的预制体。内曲面通过内曲面定位工装实现了透波窗部件曲面型面和复合材料产品内曲面型面的一致性对接装配，曲面定位工装的型面和自锁紧定位调节功能保证了曲面之间配合的良好过渡和曲型面的顺滑对接。
所述纤维织物复合材料底部2、泡沫夹芯层3和承载蒙皮结构4通过胶粘剂连接。
所述定厚织物泡沫曲面结构透波窗和纤维复合材料本体1通过复合材料螺钉5的胶接和螺接实现一体化紧固连接装配。
所述承载蒙皮4通过锁扣绑带和纤维复合材料组合本体1进行连接。蒙皮结构起到透波功能作用的同时，具有加强承载保护的对功能，承载蒙皮4的中心部位和透波窗底部及夹芯共同实现透波窗的透波率，锥形对接界面、透波窗处紧固螺钉的螺接结构形式以及透波窗蒙皮加强结构的外延补强结构设计进一步加强保证了透波窗的承载性能，实现了透波窗结构和复合材料产品的一体化装配，承载优异，型面配合好，避免了传统加工方法承载不稳定，不易装配加工、适型性差的问题，也避免了透波窗结构和纤维复合材料本体交界面的一致性对接问题。
所述定厚织物泡沫曲面结构透波窗的纤维织物复合材料底部2预制体和泡沫夹芯层3预制体通过胶粘剂连接固化后，该结构通过底部和泡沫组合安装定型工装18实现和纤维复合材料本体1的连接。
所述定厚织物泡沫曲面结构透波窗为在16mm厚度情况下实现1.0GHz-3.5GHz频段宽度内的透波率大于85％。
所述定厚织物泡沫曲面结构透波窗的安装工装包括定型工装上部15、定型工装下部16、定型工装定型面17和定型工装定位调节杆19，所述定型工装上部15和定型工装下部16之间安装有定型工装定位调节杆19，所述定型工装上部15的顶部为定型工装定型面17，其为弧面，与纤维织物复合材料底部2弧度一致。
所述的一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的具体装配过程为：
(1)纤维织物复合材料底部2和泡沫夹芯层3组合体为预粘接成型，将纤维织物复合材料底部2的底部外型面6和底部内侧型面7位置处涂抹粘接剂，泡沫夹芯层3的泡沫外型面9，泡沫侧型面10和泡沫内型面11位置处涂抹粘接剂。粘接纤维织物复合材料底部2和泡沫夹芯层3，底部外型面6和泡沫内型面11对接，底部内侧型面7和泡沫侧型面10对接，待粘接剂固化后处理溢出多余物，并处理组合体的表面至光滑平整。
(2)纤维织物复合材料底部2和泡沫夹芯层3的组合体与纤维复合材料本体1的装配安装通过使用纤维织物复合材料底部2和泡沫夹芯层3组合安装定型工装18来完成。将底部外侧型面12和纤维复合材料本体开孔侧型面13位置处分别涂抹粘接剂，将纤维织物复合材料底部2和泡沫夹芯层3的组合体从纤维复合材料本体1的内部进行安装，缓慢推至内弧型面顺滑齐平后将安装定型工装18安放在组合体的下方，螺旋转动定型工装定位调节杆19，使定型工装上部15的定型工装定型面17、定型工装下部16顶紧纤维复合材料本体1的内部底面和开孔区域，粘接剂固化过程中支撑定位组合体和纤维复合材料本体的连接。固化后，清理溢出多余物料和底部与泡沫组合外型面25，使其光滑平整无凸起。
(3)承载蒙皮4通过锁扣绑带和纤维复合材料组合本体1进行连接，安装前，纤维复合材料组合本体1在安装位置处划出安装位置轮廓线和中线，承载蒙皮4的承载蒙皮外型面20划出中心线。将承载蒙皮内型面21和承载蒙皮与底部和泡沫夹芯层组合体界面22涂抹粘接剂，将组合本体安装承载蒙皮4的轮廓区域内涂抹粘接剂，将承载蒙皮4安放到安装位置处，调整并对齐组合本体和承载蒙皮4的轮廓线和中心线，用两根锁扣绑带一左一右对承载蒙皮4进行捆绑和固定。固化后拆开锁扣绑带，清理溢出多余物。
(4)透波窗和纤维复合材料本体1通过复合材料螺钉5实现局部和本体的有效承载一体化连接。在承载蒙皮外型面20上加工出两个中心线夹角为25°的螺纹孔，深度为13.5mm。清理干净螺纹孔并涂抹粘接剂，将长度为12.5的复合材料紧固螺钉涂抹粘接剂后拧入螺纹孔，在紧固螺钉上刮涂粘接剂，保证高度略高于纤维复合材料本体的型面，固化后清理溢出多余物，打磨至光滑平整无凸起。完成复合材料螺钉的胶接、螺接，实现局部和整体的一体装配。拆除底部和泡沫组合安装定型工装18，清理内型面。完成透波窗和纤维复合材料本体的一体化结构设计和装配。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (5)
1.一种定厚织物泡沫曲面结构透波窗的装配方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)将纤维织物复合材料底部(2)和泡沫夹芯层(3)装配成组合体；
(2)将纤维织物复合材料底部(2)和泡沫夹芯层(3)的组合体与纤维复合材料本体(1)的装配安装；
(3)承载蒙皮(4)通过锁扣绑带和纤维复合材料本体(1)进行连接；
(4)透波窗和纤维复合材料本体(1)通过复合材料螺钉(5)实现局部和本体的有效承载一体化连接；
所述定厚织物泡沫曲面结构透波窗为在16mm厚度情况下实现1.0GHz-3.5GHz频段宽度内的透波率大于85％；
所述纤维织物复合材料底部(2)的厚度为4mm，所述泡沫夹芯层(3)的厚度为6mm，所述承载蒙皮(4)的厚度为5mm；
步骤(1)的具体方法为：将纤维织物复合材料底部(2)的底部外型面(6)和底部内侧型面(7)位置处涂抹粘接剂，泡沫夹芯层(3)的泡沫外型面(9)、泡沫侧型面(10)和泡沫内型面(11)位置处涂抹粘接剂，粘接纤维织物复合材料底部(2)和泡沫夹芯层(3)，底部外型面(6)和泡沫内型面(11)对接，底部内侧型面(7)和泡沫侧型面(10)对接，待粘接剂固化后处理溢出多余物，并处理组合体的表面至光滑平整；
步骤(2)中，用纤维织物复合材料底部(2)和泡沫夹芯层(3)组合体通过底部和泡沫组合安装定型工装(18)来完成，将底部外侧型面(12)和纤维复合材料本体开孔侧型面(13)位置处分别涂抹粘接剂，将纤维织物复合材料底部(2)和泡沫夹芯层(3)的组合体从纤维复合材料本体(1)的内部进行安装，缓慢推至内弧型面顺滑齐平后将底部和泡沫组合安装定型工装(18)安放在组合体的下方，螺旋转动定型工装定位调节杆(19)，使定型工装上部(15)的定型工装定型面(17)、定型工装下部(16)顶紧纤维复合材料本体(1)的内部底面和开孔区域，粘接剂固化过程中支撑定位组合体和纤维复合材料本体的连接；固化后，清理溢出多余物料和底部与泡沫组合外型面(25)，使其光滑平整无凸起；
步骤(3)的具体方法为：安装前，纤维复合材料本体(1)在安装位置处划出安装位置轮廓线和中线，承载蒙皮(4)的承载蒙皮外型面(20)划出中心线，将承载蒙皮内型面(21)和承载蒙皮与底部和泡沫组合体界面(22)涂抹粘接剂，将组合本体安装承载蒙皮(4)的轮廓区域内涂抹粘接剂，将承载蒙皮(4)安放到安装位置处，调整并对齐组合本体和承载蒙皮(4)的轮廓线和中心线，用两根锁扣绑带一左一右对承载蒙皮(4)进行捆绑和固定，固化后拆开锁扣绑带，清理溢出多余物；
步骤(4)的具体方法为：在承载蒙皮外型面(20)上加工出两个中心线夹角为25°的螺纹孔，深度为13.5mm，清理干净螺纹孔并涂抹粘接剂，将长度为12.5的复合材料紧固螺钉涂抹粘接剂后拧入螺纹孔，在紧固螺钉上刮涂粘接剂，保证高度略高于纤维复合材料本体的型面，固化后清理溢出多余物，打磨至光滑平整无凸起，完成复合材料螺钉的胶接、螺接，实现局部和整体的一体装配，拆除底部和泡沫组合安装定型工装(18)，清理内型面，完成透波窗和纤维复合材料本体(1)的一体化结构设计和装配。
2.一种如权利要求1所述的定厚织物泡沫曲面结构透波窗的装配方法得到的定厚织物泡沫曲面结构透波窗，其特征在于：包括纤维织物复合材料底部(2)、泡沫夹芯层(3)和承载蒙皮(4)，所述纤维织物复合材料底部(2)与承载蒙皮(4)之间夹有泡沫夹芯层(3)，所述纤维织物复合材料底部(2)顶部设置有凹槽一，所述承载蒙皮(4)底部也设置凹槽二，所述泡沫夹芯层(3)固定在凹槽一和凹槽二间。
3.根据权利要求2所述的定厚织物泡沫曲面结构透波窗，其特征在于：所述纤维织物复合材料底部(2)、泡沫夹芯层(3)和承载蒙皮(4)均为曲面结构的预制体。
4.根据权利要求2或3所述的定厚织物泡沫曲面结构透波窗，其特征在于：所述纤维织物复合材料底部(2)、泡沫夹芯层(3)和承载蒙皮(4)通过胶粘剂连接。
5.根据权利要求4所述的定厚织物泡沫曲面结构透波窗，其特征在于：所述定厚织物泡沫曲面结构透波窗和纤维复合材料本体(1)通过复合材料螺钉(5)的胶接和螺接实现一体化紧固连接装配。
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