CN117429598B - 一种异形加筋变刚度复合材料结构及其成型方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于航空航天技术领域，特别涉及一种异形加筋变刚度复合材料结构及其成型方法。结构，包括：多层蒙皮以及多个变曲率筋条，所述蒙皮最外两层丝束为直线铺放，所述蒙皮中间层丝束为曲线铺放；多个所述变曲率筋条设置在所述蒙皮上。本申请的异形加筋变刚度复合材料结构及其成型方法，提出了蒙皮纤维曲线铺放、异形筋条随型打印的设计方案，极大拓宽了复合材料结构的设计空间，有效提高了复合材料加筋板的承载效率；提供了面向于异形加筋变刚度复合材料结构可行的制造方法，大尺寸变刚度蒙皮采用AFP工艺制备，以保证成型效率；小尺寸异形筋条采用3D打印工艺实现，以保证成型质量，两种工艺的结合有效兼顾了加筋板成型质量与效率。
Description
技术领域
本申请属于航空航天技术领域，特别涉及一种异形加筋变刚度复合材料结构及其成型方法。
背景技术
国外先进飞行器结构目前大量采用复合材料，尤其是B787、A350等先进民用飞机机身机翼壁板结构已经接近全复材化，近年来我国航空结构的复合材料用量也取得了长足的进步，但还存在差距，主要原因在于复合材料壁板结构强度的优势未充分挖掘。作为航空飞行器机体的典型结构，复合材料壁板局有减重潜力巨大、传载路径复杂等显著特征。复合材料加筋壁板结构载荷型式多样、细节设计考究、成型工艺复杂，是一个多学科耦合的复杂工程问题。
传统的壁板结构采用直线铺放方式，传力路径与纤维方向未能高度吻合，使得复合材料纤维方向高比刚度、高比强度的特性发挥不充分，结构效率低，尤其是复合材料壁板结构在真实情况中常受到多轴载荷联合作用，传统壁板结构的劣势更为明显，难以适应先进军民用飞行器对轻质高效的严苛要求。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本申请的目的是提供了一种异形加筋变刚度复合材料结构及其成型方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
本申请的第一个方面提供了一种异形加筋变刚度复合材料结构，包括：
蒙皮，包括多层，所述蒙皮最外两层丝束为直线铺放，所述蒙皮中间层丝束为曲线铺放；
变曲率筋条，包括多个，多个所述变曲率筋条设置在所述蒙皮上。
在本申请的至少一个实施例中，所述蒙皮共20层。
在本申请的至少一个实施例中，所述蒙皮的单层厚度为0.19mm。
在本申请的至少一个实施例中，所述变曲率筋条的轨迹方程为：
其中，T0为x＝0处切线方向与x轴夹角，T1为x＝L/2处切线方向与x轴夹角。
本申请的第二个方面提供了一种异形加筋变刚度复合材料结构成型方法，包括：
步骤一、在蒙皮模具上通过自动铺丝技术铺覆多层蒙皮，实现蒙皮成型；
步骤二、采用3D打印技术根据预设轨迹在蒙皮上进行变曲率筋条成型；
步骤三、将异形加筋变刚度复合材料结构进行加热固化。
在本申请的至少一个实施例中，步骤一中，所述在蒙皮模具上通过自动铺丝技术铺覆多层蒙皮，实现蒙皮成型，包括：
S11、采用函数参数法定义蒙皮中曲线路径，将每层蒙皮的丝束铺放方向、丝束宽度、最小回转半径、铺层厚度、裁切方式输入到CATIA软件建立数字化模型，并生成丝束铺放轨迹；
S12、选择预浸带进行裁剪，把蒙皮模具放置于自动铺丝装置的自动铺丝头下进行定位，将丝束以平行等距的方式输出；
S13、在压辊的作用下将丝束压紧到芯模表面，使坯料与蒙皮模具贴合，放入热压罐固化后，取出降温脱模，实现蒙皮成型。
在本申请的至少一个实施例中，步骤二中，所述采用3D打印技术根据预设轨迹在蒙皮上进行变曲率筋条成型，包括：
S21、在3D打印装置的3D打印头内部加入热固性树脂及其固化剂混合物，并通过加热熔融得到熔融树脂基体，将纤维丝束从料卷输送至3D打印头内部，浸渍熔融树脂基体；
S22、将成型好的蒙皮放置于3D打印装置的打印基板上，调整蒙皮中心使其与打印基板中心保持一致，将纤维丝束随熔融树脂基体从3D打印头喷嘴挤出，定型附着于蒙皮上；
其中，3D打印头沿预设的单个切片轨迹在X-Y平面内移动，单层打印完成后，打印基板沿Z向下降单个切片厚度，循环本步骤直至完成单个变曲率筋条的打印成型；
重复单个变曲率筋条的打印过程，完成全部变曲率筋条的打印。
在本申请的至少一个实施例中，步骤三中，所述将异形加筋变刚度复合材料结构进行加热固化，包括：
S31、将异形加筋变刚度复合材料结构通过柔性真空袋包裹，并通过密封胶密封；
S32、通过外接真空泵对柔性真空袋施加真空压力，排除柔性真空袋内部空气并保持其原始形状；
S33、通过烘箱进行加热固化。
在本申请的至少一个实施例中，还包括步骤四、对异形加筋变刚度复合材料结构的边缘进行休整，切除多余量并打磨掉毛刺，完成异形加筋变刚度复合材料结构的成型。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的异形加筋变刚度复合材料结构，极大拓宽了复合材料结构的设计空间，有效提高了复合材料加筋板的承载效率。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的异形加筋变刚度复合材料结构的蒙皮最外两层丝束铺放方向示意图；
图2是本申请一个实施方式的异形加筋变刚度复合材料结构的蒙皮中间层丝束铺放方向示意图；
图3是本申请一个实施方式的变曲率筋条轨迹设计示意图；
图4是本申请一个实施方式的数字化模型中自动铺丝路径规划界面；
图5是本申请一个实施方式的自动铺丝成型原理示意图；
图6是本申请一个实施方式的纤维预浸及打印成型原理示意图；
图7是本申请一个实施方式的3D打印筋条过程示意图；
图8是本申请一个实施方式的异形加筋变刚度复合材料结构成品示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
下面结合附图1至图8对本申请做进一步详细说明。
本申请的第一个方面提供了一种异形加筋变刚度复合材料结构，包括：多层蒙皮以及多个变曲率筋条。
具体的，蒙皮最外两层丝束为直线铺放，蒙皮中间层丝束为曲线铺放；多个变曲率筋条设置在蒙皮上。在本申请的一个实施方式中，蒙皮共20层，蒙皮的单层厚度为0.19mm。
在本申请的优选实施方式中，变曲率筋条的轨迹方程进行如下设计：
定义中心曲线；
中心曲线为线性角度变化曲线，该曲线关于原点中心对称，在x＝0处切线方向与x轴夹角为T0，在x＝L/2处切线方向与x轴夹角为T1，于是有在曲线任意一点切线方向与x轴夹角为α(x)：
中心曲线方程如下：
其余曲线由中心曲线平移得到。
本申请的第二个方面提供了一种异形加筋变刚度复合材料结构成型方法，包括：
S1、在蒙皮模具上通过自动铺丝技术铺覆多层蒙皮，实现蒙皮成型；
S2、采用3D打印技术根据预设轨迹在蒙皮上进行变曲率筋条成型；
S3、将异形加筋变刚度复合材料结构进行加热固化。
在本申请的优选实施方式中，S1中蒙皮成型的过程包括：
S11、采用函数参数法定义蒙皮中曲线路径，将每层蒙皮的丝束铺放方向、丝束宽度、最小回转半径、铺层厚度、裁切方式输入到CATIA软件建立数字化模型，并生成丝束铺放轨迹；
S12、选择预浸带进行裁剪，把蒙皮模具放置于自动铺丝装置的自动铺丝头下进行定位，将丝束以平行等距的方式输出；
S13、在压辊的作用下将丝束压紧到芯模表面，使坯料与蒙皮模具贴合，放入热压罐固化后，取出降温脱模，实现蒙皮成型。
在本申请的优选实施方式中，S2中变曲率筋条成型的过程包括：
S21、在3D打印装置的3D打印头内部加入热固性树脂及其固化剂混合物，并通过加热熔融得到熔融树脂基体，将纤维丝束从料卷输送至3D打印头内部，浸渍熔融树脂基体；
S22、将成型好的蒙皮放置于3D打印装置的打印基板上，调整蒙皮中心使其与打印基板中心保持一致，将纤维丝束随熔融树脂基体从3D打印头喷嘴挤出，定型附着于蒙皮上；
其中，3D打印头沿预设的单个切片轨迹在X-Y平面内移动，单层打印完成后，打印基板沿Z向下降单个切片厚度，循环本步骤直至完成单个变曲率筋条的打印成型；
重复单个变曲率筋条的打印过程，完成全部变曲率筋条的打印。
在本申请的优选实施方式中，S3中将异形加筋变刚度复合材料结构进行加热固化的过程包括：
S31、将异形加筋变刚度复合材料结构通过柔性真空袋包裹，并通过密封胶密封；
S32、通过外接真空泵对柔性真空袋施加真空压力，排除柔性真空袋内部空气并保持其原始形状；
S33、通过烘箱进行加热固化。
在本申请的优选实施方式中，还包括S4、对异形加筋变刚度复合材料结构的边缘进行休整，切除多余量并打磨掉毛刺，完成异形加筋变刚度复合材料结构的成型。
在本申请的一个实施方式中，以500mm×500mm的异形加筋变刚度复合材料壁板为例，设计及成型的过程如下：
蒙皮设计：蒙皮尺寸为500mm×500mm，共20层，铺层方式为[±45/±<87|-75>4]S。为确保蒙皮表面的平整性，保证蒙皮与变曲率筋条界面强度满足设计要求，最外两层丝束采用直线铺放，其余中间层丝束采用曲线铺放方式，该设计方案同样可以满足刚度局部最优设计，使得传力路径与丝束方向大致相似。图1为蒙皮最外两层丝束铺放方向示例，图2为蒙皮中间层丝束铺放方向示例，图3为变曲率筋条轨迹方程示例。
数字化模型建立：将每层蒙皮的纤维丝束铺放方向、丝束宽度、最小回转半径、铺层厚度、裁切方式等输入到CATIA软件，建立数字模型，并生成丝束铺放轨迹。图4为数字化模型中自动铺丝路径规划界面。
自动铺丝成型蒙皮：选择常规T700-12K预浸带制造，其中碳纤维牌号为UA2433-200，树脂基体为JF-307，单层名义厚度为0.19mm，名义纤维体积含量约为60％。将预浸带按照合适带宽进行裁剪，把蒙皮模具放置于自动铺丝装置的自动铺丝头下进行定位，将纤维丝束以平行等距的方式输出，然后在压辊的作用下将丝束压紧到芯模表面，使坯料与蒙皮模具贴合，放入热压罐固化后，取出降温脱模，实现蒙皮的成型。图5为自动铺丝成型原理示意图。
3D打印材料准备：在3D打印装置的3D打印头内部加入热固性树脂及其固化剂混合物，并通过加热熔融以降低粘度；然后，将连续纤维丝束从料卷输送至3D打印头内部，浸渍该熔融树脂基体。
3D打印成型筋条：将成型好的蒙皮放置于3D打印装置的打印基板上，调整蒙皮中心与打印基板中心保持一致，将纤维丝束随树脂基体从3D打印头喷嘴挤出，定型附着于蒙皮上；3D打印头沿CAD模型单层切片轨迹在X-Y平面内移动，单层打印完成后，打印基板沿Z向下降单个切片厚度，循环上述步骤以完成单个变曲率筋条的打印成型。重复单个变曲率筋条的打印过程，即可完成加筋壁板全部变曲率筋条的预成型体制造工作。图6为纤维预浸及打印成型原理示意图。图7为3D打印筋条过程示意图。
固化成型：将加筋壁板预成型体通过柔性真空袋及密封胶包裹并密封；然后，通过外接真空泵施加真空压力，以排除内部空气并保持其原始形状；最后，利用烘箱加热整个装置，激活固化剂分子活性，引发预聚物分子链间发生聚合交联反应而固化。
裁切打磨：对加筋壁板边缘进行休整，切除多余量并打磨掉毛刺，完成异形加筋变刚度复合材料结构的成型。图8为异形加筋变刚度复合材料结构成品示意图。
本申请的异形加筋变刚度复合材料结构及其成型方法，提出了蒙皮纤维曲线铺放、异形筋条随型打印的设计方案，极大拓宽了复合材料结构的设计空间，有效提高了复合材料加筋板的承载效率；提供了面向于异形加筋变刚度复合材料结构可行的制造方法，大尺寸变刚度蒙皮采用AFP工艺制备，以保证成型效率；小尺寸异形筋条采用3D打印工艺实现，以保证成型质量，两种工艺的结合有效兼顾了加筋板成型质量与效率。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种异形加筋变刚度复合材料结构，其特征在于，包括：
蒙皮，包括多层，所述蒙皮最外两层丝束为直线铺放，所述蒙皮中间层丝束为曲线铺放；
变曲率筋条，包括多个，多个所述变曲率筋条设置在所述蒙皮上；
所述变曲率筋条的轨迹方程为：
其中，T0为x＝0处切线方向与x轴夹角，T1为x＝L/2处切线方向与x轴夹角；L为蒙皮在x轴上的长度；
所述异形加筋变刚度复合材料结构采用蒙皮中间层丝束曲线铺放，变曲率筋条随型打印的设计方案，使得传力路径与丝束方向相近。
2.根据权利要求1所述的异形加筋变刚度复合材料结构，其特征在于，所述蒙皮共20层。
3.根据权利要求2所述的异形加筋变刚度复合材料结构，其特征在于，所述蒙皮的单层厚度为0.19mm。
4.一种权利要求1所述异形加筋变刚度复合材料结构的成型方法，其特征在于，包括：
步骤一、在蒙皮模具上通过自动铺丝技术铺覆多层蒙皮，实现蒙皮成型；
步骤二、采用3D打印技术根据预设轨迹在蒙皮上进行变曲率筋条成型；
步骤三、将异形加筋变刚度复合材料结构进行加热固化。
5.根据权利要求4所述的异形加筋变刚度复合材料结构成型方法，其特征在于，步骤一中，所述在蒙皮模具上通过自动铺丝技术铺覆多层蒙皮，实现蒙皮成型，包括：
S11、采用函数参数法定义蒙皮中曲线路径，将每层蒙皮的丝束铺放方向、丝束宽度、最小回转半径、铺层厚度、裁切方式输入到CATIA软件建立数字化模型，并生成丝束铺放轨迹；
S12、选择预浸带进行裁剪，把蒙皮模具放置于自动铺丝装置的自动铺丝头下进行定位，将丝束以平行等距的方式输出；
S13、在压辊的作用下将丝束压紧到芯模表面，使坯料与蒙皮模具贴合，放入热压罐固化后，取出降温脱模，实现蒙皮成型。
6.根据权利要求5所述的异形加筋变刚度复合材料结构成型方法，其特征在于，步骤二中，所述采用3D打印技术根据预设轨迹在蒙皮上进行变曲率筋条成型，包括：
S21、在3D打印装置的3D打印头内部加入热固性树脂及其固化剂混合物，并通过加热熔融得到熔融树脂基体，将纤维丝束从料卷输送至3D打印头内部，浸渍熔融树脂基体；
S22、将成型好的蒙皮放置于3D打印装置的打印基板上，调整蒙皮中心使其与打印基板中心保持一致，将纤维丝束随熔融树脂基体从3D打印头喷嘴挤出，定型附着于蒙皮上；
其中，3D打印头沿预设的单个切片轨迹在X-Y平面内移动，单层打印完成后，打印基板沿Z向下降单个切片厚度，循环本步骤直至完成单个变曲率筋条的打印成型；
重复单个变曲率筋条的打印过程，完成全部变曲率筋条的打印。
7.根据权利要求6所述的异形加筋变刚度复合材料结构成型方法，其特征在于，步骤三中，所述将异形加筋变刚度复合材料结构进行加热固化，包括：
S31、将异形加筋变刚度复合材料结构通过柔性真空袋包裹，并通过密封胶密封；
S32、通过外接真空泵对柔性真空袋施加真空压力，排除柔性真空袋内部空气并保持其原始形状；
S33、通过烘箱进行加热固化。
8.根据权利要求7所述的异形加筋变刚度复合材料结构成型方法，其特征在于，还包括步骤四、对异形加筋变刚度复合材料结构的边缘进行休整，切除多余量并打磨掉毛刺，完成异形加筋变刚度复合材料结构的成型。
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