CN117864422A - 锥面复合材料混合三角网格结构及其成型工装 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了锥面复合材料混合三角网格结构及其成型工装。三角网格结构包括上端框、下端框、双向螺旋筋和上环筋、中环筋、下环筋；混合三角网格结构的外轮廓面为圆锥面；上端框、下端框、双向螺旋筋和环筋为一体成型结构；所述上端框、下端框均为“L”形；双向螺旋筋相互对称；双向螺旋筋的外轮廓面中心线包括等螺距螺旋线、等螺旋角螺旋线及短程线；环筋的外轮廓面中心线为圆锥面上的圆，中环筋位于混合三角网格结构的中间，上环筋、下环筋沿上端框、下端框方向均匀分布。本申请解决了传统的双曲面斜筋无蒙皮复合材料网格结构尤其不适用结构尺寸较小且内包络尺寸有限制的锥段结构或对气动外形有要求的锥段结构的技术问题。

Description

锥面复合材料混合三角网格结构及其成型工装

技术领域

本申请涉及锥段结构技术领域，具体地，涉及锥面复合材料混合三角网格结构及其成型工装。

背景技术

双曲面斜筋无蒙皮复合材料网格结构已经过设计、生产、试验，可用于火箭级间段、卫星支架等结构。由于回转单叶双曲面存在子午线曲率，导致单叶双曲面复合材料网格结构内凹且气动外形不好。双曲面斜筋无蒙皮复合材料网格结构尤其不适用结构尺寸较小且内包络尺寸有限制的锥段结构或对气动外形有要求的锥段结构。

在背景技术中公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此其可能包含没有形成为本领域普通技术人员所知晓的现有技术的信息。

发明内容

本申请实施例提供了锥面复合材料混合三角网格结构及其成型工装，以解决传统的双曲面斜筋无蒙皮复合材料网格结构尤其不适用结构尺寸较小且内包络尺寸有限制的锥段结构或对气动外形有要求的锥段结构的技术问题。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了锥面复合材料混合三角网格结构，其特征在于，包括上端框、下端框、双向螺旋筋和上环筋、中环筋、下环筋；其中：

混合三角网格结构的外轮廓面为圆锥面；

所述上端框、下端框、双向螺旋筋和环筋为一体成型结构，环筋包括上环筋、中环筋、下环筋；

所述上端框、下端框均为“L”形；

双向螺旋筋相互对称；双向螺旋筋的外轮廓面中心线包括等螺距螺旋线、等螺旋角螺旋线及短程线；

环筋的外轮廓面中心线为圆锥面上的圆，中环筋位于混合三角网格结构的中间，上环筋、下环筋沿上端框、下端框方向均匀分布。，

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种硬模成型工装，

缠绕状态时，包括芯轴、下封头、下法兰、芯模、铝分瓣阳模、钢套、上法兰、上封头、档圈、键、小键；

成型状态时，包括芯模、铝分瓣阳模、钢套、上压环、外模、小箍带)、大箍带、下压环；

其中：铝分瓣阳模的外轮廓面为膨胀量几何参数经过修正的锥面；

所述铝分瓣阳模上用以形成双向螺旋筋的筋槽中心线为膨胀量几何参数经过修正的锥面螺旋线。

根据本申请实施例的第三个方面，提供了一种软模成型工装，

缠绕状态时，包括芯轴、下封头、下法兰、芯模、铝垫板、硅橡胶网格软模、钢套、上法兰、上封头、档圈、键、小键；

成型状态时，包括芯模、铝分瓣阳模、钢套、上压环、外模、小箍带、大箍带、下压环；

其中，展开的硅橡胶网格软模上用以形成结构双向螺旋筋的筋槽中心线为膨胀量几何参数经过修正的平面螺旋线或直线。

本申请实施例由于采用以上技术方案，具有以下技术效果：

本申请实施例的锥面复合材料混合三角网格结构适用结构尺寸较小且内包络尺寸有限制的锥段结构或对气动外形有要求的锥段结构。本申请实施例的锥面复合材料混合三角网格结构适应产品化要求，结构整体性好、成型工艺性好、生产效率高，从而实现低成本、轻质化、快速成型复合材料网格结构。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例的一种锥面复合材料混合三角网格结构的立体图；

图2为圆锥段纵向截面示意图；

图3为锥面复合材料混合三角网格结构的螺旋线示意图；

图4为锥面复合材料混合三角网格结构的剖视图；

图5为锥面短程线网格结构的展开示意图。

图6为密排螺旋线螺旋角与丝束宽度的示意图；

图7为圆锥段密排螺旋线等厚铺放的示意图；

图8为膨胀量修正用圆锥段纵向截面的示意图；

图9为锥面复合材料混合三角网格结构的缠绕状态示意图；

图10为锥面复合材料混合三角网格结构的固化状态示意图；

图11为锥面复合材料混合三角网格结构成型工装阳模的三维模型俯视图；

图12为锥面复合材料混合三角网格结构双封头缠绕纤维丝束缠绕轨迹的示意图；

图13为锥面复合材料混合三角网格结构大端对头缠绕纤维丝束缠绕轨迹的示意图；

图14为锥面复合材料混合三角网格结构成型工装下封头纵向截面的示意图；

图15为锥面混合三角网格结构硬模成型工装大端对头缠绕的剖视图；

图16为锥面复合材料混合三角网格结构缠绕后拆除封头前的立体图；

图17为铝垫板及硅橡胶网格软模的示意图；

图18为铝垫板剖视图；

图19为硅橡胶网格软模的示意图；

图20为浇注出的硅橡胶筋槽网格阳模；

图21为锥面及展开三种螺旋线的对比的示意图。

图22为等螺距螺旋筋混合三角网格结构的示意图；

图23为等螺旋角螺旋筋混合三角网格结构的示意图；

图24为短程线螺旋筋混合三角网格结构的示意图。

附图标记：

1芯轴，2下封头，3下法兰，4芯模，5铝分瓣阳模，6钢套，7上法兰，8上封头，9档圈，10键，11小键，

12上压环，13外模，14小箍带，15大箍带，16下压环，

17硅橡胶阳模浇注模组成包括左端框，

18等螺距螺旋筋硅橡胶网格阳模浇注模底板，

19等螺旋角螺旋筋硅橡胶网格阳模浇注模底板，

20短程线螺旋筋硅橡胶网格阳模浇注模底板，

21短端框一，22右端框，23短端框二，24螺栓，25钢套，26上盖板，

101上端框，102上端框，103双向螺旋筋，104环筋，

111铝垫板，112硅橡胶网格软模。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本申请的发明人发现双曲面斜筋无蒙皮复合材料网格结构已经过设计、生产、试验，可用于火箭级间段、卫星支架等结构。由于回转单叶双曲面存在子午线曲率，导致单叶双曲面复合材料网格结构内凹且气动外形不好。因此结构尺寸较小且内包络尺寸有限制的锥段结构或对气动外形有要求的锥段结构，应设计为锥面复合材料网格结构。

本申请提供了一种自动成型的锥面复合材料混合三角网格结构及其成型工装。此自动成型的锥面复合材料混合三角网格结构及其成型工装设计合理，实现结构低成本、轻质化，其成型工装适合用于自动成型锥面复合材料混合三角网格结构自动化批量生产。

实施例一

图1为本申请实施例的一种锥面复合材料混合三角网格结构的立体图；为清楚地显示网格，蒙皮未示出。如图1所示，本申请实施例提供一种自动成型的锥面复合材料混合三角网格结构，包括上端框101、下端框102、双向螺旋筋103和上环筋、中环筋、下环筋；其中：

混合三角网格结构的外轮廓面为圆锥面；

所述上端框101、下端框102、双向螺旋筋103和环筋104为一体成型结构，环筋104包括上环筋、中环筋、下环筋；

所述上端框101、下端框102均为“L”形；

双向螺旋筋103相互对称；双向螺旋筋103的外轮廓面中心线包括等螺距螺旋线、等螺旋角螺旋线及短程线；

环筋104的外轮廓面中心线为圆锥面上的圆，中环筋位于混合三角网格结构的中间，上环筋、下环筋沿上端框、下端框方向均匀分布。

本申请实施例的锥面复合材料混合三角网格结构适用结构尺寸较小且内包络尺寸有限制的锥段结构或对气动外形有要求的锥段结构。本申请实施例的锥面复合材料混合三角网格结构适应产品化要求，结构整体性好、成型工艺性好、生产效率高，从而实现低成本、轻质化、快速成型复合材料网格结构。

实施中，双向螺旋筋和环筋截面均为梯形，环筋截面中心线均沿锥面法线；所有双向螺旋筋、环筋共同构成三角形与菱形相间的混合三角状网格结构。

实施中，混合三角网格结构的材料为碳纤维或环氧树脂复合材料。

具体的，等螺距螺旋线、等螺旋角螺旋线及短程线在工艺上简易可行。

具体的，通过调整双向螺旋筋对称面位置，实现中环筋位于混合三角网格结构的整体结构中间。

实施中，双向螺旋筋、环筋为自动化连续缠绕成型。

实施中，对于高415mm，下端直径φ＝950mm，半锥角β＝15°的截锥段；

混合三角网格结构的圆锥面母线方程为：z取值范围为(1357.72,1772.72)，坐标原点在圆锥顶点。

所述锥面复合材料混合三角网格结构可设计为工艺上简易可行的锥面等螺距螺旋筋复合材料混合三角网格结构、锥面等螺旋角螺旋筋复合材料混合三角网格结构、锥面短程线螺旋筋复合材料混合三角网格结构，其双向螺旋筋分别沿锥面等螺距螺旋线、锥面等螺旋角螺旋线、锥面短程线扫略而成。

实施中，对于高415mm，下端直径φ＝950mm，半锥角β＝15°的截锥段；双向螺旋筋中的一条螺旋筋的外轮廓面中心线方程为：

1)锥面等螺距螺旋线轨迹方程：

2)锥面等螺旋角螺旋线轨迹方程：

3)锥面短程线轨迹方程：

或

(x,y,z)为曲线上点的坐标，θ为参数；为便于对比，三种锥面螺旋线的起点和终点均重合。

实施中，双向螺旋筋的截面均为相互全等的梯形，梯形截面几何尺寸为高9mm、上底宽6mm、两腰夹角15°；弯扭载荷共同决定筋的高宽比应在大于等于和小于等于/>

优选的，弯扭载荷共同决定筋的高宽比为1.5，从而兼顾强度和刚度、抗弯和抗扭。

可选的，弯扭载荷共同决定筋的高宽比可取1.6，从而接近黄金分割值。

具体的，所述梯形截面垂直于双向螺旋筋的外轮廓面中心线，梯形截面中心线指向锥面旋转轴方向，梯形截面下底中点沿斜筋的外轮廓面中心线扫略形成斜筋。

实施中，对于高415mm，下端直径φ＝950mm，半锥角β＝15°的截锥段；各环筋截面中心线为锥面上的圆环。

梯形截面中心线沿锥面法线，梯形截面下底中点沿环筋的外轮廓面中心线扫略形成环筋。

实施中，锥面复合材料混合三角网格结构可设计为有蒙皮及无蒙皮的结构。有蒙皮的锥面复合材料混合三角网格结构其蒙皮为自动缠绕与密排螺旋等厚自动铺放相结合成形。

蒙皮等厚密排自动铺放的密排螺旋线方程为：

可取z₀＝1352.56。调整z₀数值得到不同螺旋角的蒙皮铺层。

为说明式(8)、式(12)、式(26)、式(27)、式(45)的来源及依据。下面对本申请中各方程及结构参数确定方法进行说明：

1)锥面等螺距螺旋筋网格结构设计

为便于对比，先设计圆锥段网格结构中最简单的等螺距螺旋筋网格结构，再设计等螺旋角螺旋筋及短程线螺旋筋网格结构。

圆锥段等螺距螺旋线网格结构参数计算如下。

截锥段高415mm，下端直径φ＝950mm，半锥角β＝15°，如图2所示。

等螺距圆锥螺旋线轨迹方程(锥柱面螺旋线短程线与网格缠绕成型技术[J].宇航材料工艺，2018，49(1)22-29式5)：

螺旋角计算公式：

由图2几何关系:

由(4)式得:

结构参数的意义及其计算见下表:

等螺距圆锥螺旋线轨迹方程：

为便于对比，令螺旋筋上下两端点与等螺距螺旋线和结构上下端面的两交点重合，如图3所示。等螺距螺旋线上、下端角度差：

∠AOB＝Δθ＝θ_下端-θ_上端＝20.93645° 式(9)

因此图3所示结构各点坐标为：

A(475,0,0)，B(443.6392,169.7328,0)，

C(339.7819,129.9978,415)，D(363.801,0,415)

由“锥柱面螺旋线短程线与网格缠绕成型技术[J].宇航材料工艺，2018，49(1)22-29”式11计算出圆锥段等螺距螺旋线弧AC＝456.3mm。

图3中AC两点间三条弧线中右侧为等螺距螺旋线、中间为等螺旋角螺旋线、左侧为短程线。

经优化计算，斜筋间隔9°，加三条环筋。筋条高度9mm。筋条宽度6mm。端框为“L”形，如图4所示。

双向螺旋筋对称面与斜筋下端起点的夹角ψ按下式计算：

2×8.218225°-2×9°＝-1.56355°

当两对称斜筋下端相距1.56355°时，即图3中∠AOE＝1.56355°，与ψ＝8.218225°等价，中环筋位于结构中间。考虑到下端直径大，取∠AOE＝1°。下端点按∠AOE的一半即0.5°对称，如图3AC对称后得到EG。如此可使环筋处于结构中间，使节点在结构中所处位置得到优化。

环筋截面中心线均沿锥面法线，如图4I放大图所示。

2)锥面等螺旋角螺旋筋网格结构设计

锥面等螺旋角螺旋筋网格结构与锥面等螺距螺旋筋网格结构的区别仅是螺旋筋外表面中心线不同，其余结构参数均相同。

等螺旋角圆锥螺旋线轨迹方程(锥柱面螺旋线短程线与网格缠绕成型技术[J].宇航材料工艺，2018，49(1)22-29式4)：

式(11)中第4式各参数值为：

ρ＝ρ_下端＝1835.26，ρ₀＝ρ_上端＝1405.62

半锥角β＝15°，等螺距螺旋线上、下端角度差见式9，

即：

由此可计算出：α＝19.52460617°。

锥面等螺旋角螺旋线轨迹方程：

由“锥柱面螺旋线短程线与网格缠绕成型技术[J].宇航材料工艺，2018，49(1)22-29”式8计算出圆锥等螺距螺旋线弧AC＝455.84mm。

3)锥面短程线螺旋筋网格结构设计

锥面短程线螺旋筋网格结构与锥面等螺距螺旋筋网格结构的区别仅是螺旋筋外表面中心线不同，其余结构参数均相同。

圆锥短程线轨迹方程(锥柱面螺旋线短程线与网格缠绕成型技术[J].宇航材料工艺，2018，49(1)22-29式66)：

式(13)中φ＝θ·sinβ。按72°展开。

图5左图∠AO′I＝72°·sin15°＝18.63497125°，

∠AO′B＝20.93645°·sin15°＝5.418751997°

结构展开各点坐标为：

A(1835.26,0)，B(1827.058427,173.3111995)，

C(1399.338441,132.7385157)，D(1405.62,0)。

AC＝455.68mm。

下端点按0.5°对称，即：

∠AO′E＝1°·sin15°＝0.258819045°。

短程螺线间距仍为9°，

∠AO′L＝9°·sin15°＝2.329371406°

∠ADB＝∠ACB＝∠CAD+∠AO′B＝22.3542927°

图5右图，在ZOX面上计算点J的坐标x_J，z_J。

∠AMJ＝180°·sin15°＝46.58742812°

∠OMJ＝∠OMA+∠AMJ＝15°+46.58742812°＝61.58742812°

∠OAJ＝∠OAM+∠MAJ＝∠OAM+∠CAD＝75°+16.93554073°

＝91.93554073°

AK＝AM·sin∠AMJ＝1836.26·sin46.58742812°＝1333.176713

∠AJK＝180°-∠AJM＝180°-(360°-90°-∠OAJ-∠OMJ)

＝63.52296885

KJ＝AK·cot∠AJK＝664.0302214

KM＝AM·cos∠AMJ＝1261.276782

JM＝KM-KJ＝597.2465607

x_J＝JM·sin∠OMJ＝525.3047425，

z_J＝OM-JM·cos∠OMJ＝1488.54394，

已知点A及M在ZOX面上的坐标为：A(0,475)，M(1772.724134,0)

r＝475，h＝1772.724134。

锥面短程线弧AC＝455.68mm。

圆锥侧面上的短程线方程还可通过克莱罗(Chairaut)关系式求得解析解。

克莱罗关系式：

r₁ sinα₁＝rsin90°＝const 式(15)

式中：r₁为母线上任意点的半径；α₁为此点的螺旋角；r＝const为短程线螺旋缠绕线型的极孔半径。

R＝ztanβ 式(16)

“C/E复合材料网格缠绕结构三维建模与模具设计[J].宇航材料工艺，2010，40(4)23-26”式9：

上式仅取正值即可。

由式(15)得：

Rsinα＝Rcosαtanα＝c 式(19)

将式(17)代入式(19)得：

即

仅取正值，上式积分得：

推导两方程时坐标系不同，坐标原点相差高度h且反向。为使锥面短程线的下端点均在x轴上，展开方程z-h之后yz取负号(绕x轴转180°)，将另一方程θ的积分常数取

式(25)中：

当z＝1772.724134时，式(27)中θ＝0°；当z＝1357.724134时，θ＝20.93645°。可证明式(27)短程线在图3所示A点处的螺旋角α等于图5所示∠CAD。

求式(27)的切线：

当z＝1772.724134时，即A点处：

下端点A处圆锥母线φ＝105°，θ＝0°

考虑到式(29)、(30)坐标系不同，a₁＝-tan15。

短程线在图3所示A点处的螺旋角α：

α＝∠CAD 式(32)

由于式(26)、式(27)表达的短程线在相同圆锥面上，起点相同，起点处螺旋角相同，由克莱罗法则可知，式(26)、式(27)表示同一短程线；结构三维建模也显示，由式(26)和式(27)建出的曲线为同一曲线。

4)圆锥面上的双曲螺旋线和连锁螺旋线

除以上三种圆锥螺旋筋复合材料网格结构外，还可以等螺距圆锥螺旋线为基础，导出其它圆锥螺旋线，从而得到其它锥面螺旋筋复合材料网格结构。

如在等螺距圆锥螺旋线ρ＝aθ基础上，令a＝ρθ，得到双曲螺旋线：

仍令双曲螺旋线上下两端点与等螺距螺旋线两端点重合。ρ₁＝1405.62，ρ₂＝1835.26，a＝ρ₁θ₁＝ρ₂θ₂，

解得：θ₁＝1.561，θ₂＝1.19559

令得到连锁螺旋线：

令连锁螺旋线上下两端点与等螺距螺旋线两端点重合。ρ₁＝1405.62，ρ₂＝1835.26，

解得：θ₁＝0.883909804，θ₂＝0.518499818，

圆锥双曲螺旋线、连锁螺旋线形式都不如圆锥面等螺距螺旋线简单，相应网格结构工艺性也不如圆锥等螺距螺旋筋网格结构好，故不加以详细设计。

5)圆锥面上的密排螺旋线方程

如图6所示，设自动铺放时纤维丝束的宽度为d，共有n条纤维丝束。在R₀处的周长为：2πR₀＝nd，在R处的周长为：2πR＝nd_R。

为使纤维丝束中心线沿着锥面上的密排螺旋线自动铺放，则：

d＝d_R cosα 式(39)

从而

R₀＝Rcosα 式(40)

R₀：β＝0时之R为R₀

结合式(17)可知：

积分可得：

圆锥面上的密排螺旋线方程为：

可取z₀＝1352.56。调整z₀数值得到不同螺旋角的蒙皮铺层。

如图7所示，密排螺旋线用于圆锥段及曲母线复合材料结构蒙皮纤维束自动铺放，可得到等厚的蒙皮。

实施例二

本申请实施例提供一种硬模成型工装，用于实现锥面复合材料混合三角网格结构的自动化精确成型。

锥面复合材料混合三角网格结构的硬模成型工装，

如图9所示，缠绕状态时，包括芯轴1、下封头2、下法兰3、芯模4、铝分瓣阳模5、钢套6、上法兰7、上封头8、档圈9、键10、小键11；

如图10所示，成型状态时，包括芯模4、铝分瓣阳模5、钢套6、上压环12、外模13、小箍带14、大箍带15、下压环16；三种锥面混合三角形复合材料网格结构硬模成型工装共用同一芯模。

实施中，铝分瓣阳模5的外轮廓面为膨胀量几何参数经过修正的锥面。

对于高415mm，下端直径φ＝950mm，半锥角β＝15°的截锥段，铝分瓣阳模5的外轮廓锥面母线方程为：z的取值范围为(1354.7,1768.8)，坐标原点在圆锥顶点。

铝分瓣阳模5的外轮廓面为计及膨胀量几何参数经过修正的锥面、斜筋槽中心线为计及膨胀量几何参数经过修正的锥面螺旋线；螺旋筋槽、环向筋槽截面均为梯形，环向筋槽截面中心线均沿经过修正的锥面法线；成型装置阴模内轮廓面为未经修正的锥面；成型装置具有上、下椭球封头，其定位尺寸和外轮廓几何参数经精确计算确定。从而实现结构的精确成型。

调整双向螺旋筋对称面位置、从而调整节点位置使其在结构中所处位置得到优化，自动化缠绕工艺提高纤维丝束张力以保证纤维丝束在节点处连续、固化罐成型以提高节点成型质量，把最优结构参数组合与最优工艺成型方法结合起来，从而设计并制造出最优结构。

实施中，所述铝分瓣阳模5上用以形成结构双向螺旋筋的筋槽中心线为膨胀量几何参数经过修正的锥面螺旋线。

对于高415mm，下端直径φ＝950mm，半锥角β＝15°的截锥段，铝分瓣阳模(5)上用以形成双向螺旋的筋槽中的一条螺旋筋槽的中心线方程为：

1)硬模锥面等螺距螺旋线轨迹方程：

2)硬模锥面等螺旋角螺旋线轨迹方程：

3)硬模锥面短程线轨迹方程：

或/>

(x,y,z)为曲线上点的坐标，θ为参数；三种锥面螺旋线的起点和终点均重合。

双向螺旋筋槽为斜筋截面形状的刀具垂直于螺旋筋槽的中心线、刀具中心线指向成型工装阳模外表面旋转轴方向、沿双向螺旋筋槽的中心线加工而成。

实施中，硬模成型工装双向螺旋筋槽对称面位置与结构双向螺旋筋槽对称面位置相同。

对于高415mm，下端直径φ＝950mm，半锥角β＝15°的截锥段，对称面与xoz面的夹角为0.5°，上述螺旋筋槽通过此对称面对称得到另一螺旋筋槽。

实施中，铝分瓣阳模5上形成结构环筋的环筋槽中心线为计及膨胀量几何参数经过修正的锥面上的圆，环向筋槽截面中心线均沿经过修正的锥面法线；环筋槽为环筋截面形状的刀具中心线沿经过修正的锥面面法线、沿斜筋槽的中心线加工而成。

下面对硬模成型工装的设计过程进行说明：

为便于对比，先对圆锥段等螺距螺旋线网格结构成型装置进行参数计算，再对其它两种锥面复合材料网格结构成型装置进行设计。

计及膨胀量后半锥角β的计算：

上下端框厚度均为8mm，图8所示A₁B₁C₁D₁四点，去掉端框厚度，仅计算实体部分。H₂为直线A₁B₁、C₁D₁间的距离。

A₁B₁＝2×8×tan15°+727.602＝731.889

C₁D₁＝950-2×8×tan15°＝945.713

膨胀量计算：

直径(钢芯模、铝分瓣模)热膨胀系数差Δα＝10.7

ΔA₁B₁＝731.889×10.7×110×10^-6＝0.861

ΔC₁D₁＝945.713×10.7×110×10^-6＝1.113

高度(铝分瓣模)热膨胀系数差Δα＝20

ΔH₂＝399×20×110×10^-6＝0.8778

由于ΔA₁OB₁与ΔC₁OD₁相似，

解得H₁＝1362.659

H＝H₁+H₂＝1760.759

β＝15.015°

计及膨胀量后上、下端直径及a的计算：

φ_上端＝731.03-2×8×tan15.015°＝726.74

φ_下端＝944.6+2×8×tan15.015°＝948.892

回转单叶双曲面斜筋复合材料网格结构成型装置上的∠AOB与结构相同，即:∠AOB＝Δθ＝0.36541弧度＝20.93645°

ρ_下端-ρ_上端＝aΔθ

1831.33-1402.58＝0.36541a

由此解得:a＝1173.34mm/弧度

成型装置参数的意义及其计算见下表:

硬模等螺距圆锥螺旋线轨迹方程：

硬模成型工装见图9、图10及图11。

锥面等螺旋角螺旋筋网格结构铝合金硬模成型装置设计

圆锥段等螺旋角螺旋线轨迹方程为式(11)。

式(11)中第4式各参数值为：

ρ＝ρ_下端＝1831.33，ρ₀＝ρ_上端＝1402.58

半锥角β＝15.015°，等螺距螺旋线上、下端角度差

∠AOB＝Δθ＝θ_下端-θ_上端＝20.93645°。

即：

由此可计算出：α＝19.54078765°。

硬模锥面等螺旋角螺旋线轨迹方程：

圆锥段等螺旋角螺旋线网格结构硬模成型装置与圆锥段等螺距螺旋线网格结构硬模成型装置共用芯模，仅阳模螺旋筋槽不同，按式(47)在阳模上加工圆锥段等螺旋角螺旋筋槽即可。由于圆锥面等螺旋角螺旋线含有指数函数，对加工设备要求较高。

锥面短程线螺旋筋网格结构铝合金硬模成型装置设计

锥面短程线轨迹方程为式(13)，式(13)中φ＝θ·sinβ。

图5左图中∠AO′B＝20.93645°·sin15.015°＝5.424046195°

模具阳模展开各点坐标为：

A(1831.33,0)，B(1823.130002,173.1085335)，

C(1396.299781,132.5804562)，D(1402.58,0)。

∠ADB＝∠ACB＝∠CAD+∠AO′B＝22.3732485°

图5右图，在ZOX面上计算点J的坐标x_J，z_J。

∠AMJ＝180°·sin15.015°＝46.6329447°

∠OMJ＝∠OMA+∠AMJ

＝15.015°+46.6329447°＝61.6479447°

∠OAJ＝∠OAM+∠MAJ＝∠OAM+∠CAD

＝74.985°+16.9492023°＝91.9342023°

AK＝AM·sin∠AMJ

＝1831.33·sin46.6329447°＝1331.321277

∠AJK＝180°-∠AJM

＝180°-(360°-90°-∠OAJ-∠OMJ)＝63.582147°

KJ＝AK·cot∠AJK＝661.390754

KM＝AM·cos∠AMJ＝1257.518678

JM＝KM-KJ＝596.1279241

x_J＝JM·sin∠OMJ＝524.6201524，

z_J＝OM-JM·cos∠OMJ＝1485.91796，

已知点A及M在ZOX面上的坐标为：

A(0,474.446)，M(1768.80416,0)。

因此r＝474.446，h＝1768.80416。

硬模锥面短程线轨迹方程：

锥面短程线轨迹方程还可表达为式(25)，其中：

c＝r·sin∠CAD＝474.446·sin16.9492023＝138.3122735 式(49)

硬模锥面短程线轨迹方程可表达为：

式(50)比式(48)简洁，在网格结构硬模成型装置阳模加工中，应使用式(50)。但在计算式(50)常数c时用到了式(48)求解过程中解得的∠CAD。

圆锥段短程线网格结构硬模成型装置与圆锥段等螺距螺旋线网格结构硬模成型装置共用芯模，仅阳模螺旋筋槽不同，按式50在阳模上加工圆锥段短程线螺旋筋槽即可。由于圆锥面短程线含有反三角函数，对加工设备要求较高。

圆锥段短程线网格结构硬模成型装置适合用在要求受力均匀、尺寸精度要求高、精确按短程线缠绕的与分离结构一体设计的复合材料网格结构。

经上述比较设计，从工艺简单、制作成本低的角度看，三种圆锥段网格结构硬模成型装置，推荐使用等螺距圆锥螺旋线网格结构硬模成型装置。还可根据工程应用实际情况结合三种圆锥段网格结构硬模成型装置阳模的特点进行选择，如与分离结构一体设计的复合材料网格结构应选用圆锥段短程线网格结构硬模成型装置。

锥面复合材料混合三角网格结构的纤维丝束缠绕轨迹

如上所述，圆锥段等螺距螺旋线弧AC＝456.3mm，圆锥等螺距螺旋线弧AC＝455.84mm，锥面短程线弧AC＝455.68mm，三者差异很小；考虑到带张力缠绕时纤维丝束还要受到筋槽的约束，因此三种网格结构可共用短程线缠绕轨迹。经工艺成型试验，弧长最长的圆锥段等螺距螺旋线也实现了自动缠绕成型，因此三种网格结构共用短程线缠绕轨迹在工艺上是可行的。

如图9所示，为实现自动化缠绕，成型装置含有上、下两椭球封头。

为实现连续且平稳地缠绕，需要椭球封头外轮廓面与结构锥面相切。9.1)椭球封头上的短程线公式

设椭球母线为：

母线的切线为：

以z轴为回转轴形成回转面，母线切线的方向向量为：

设椭球短程线以φ为参数的参数方程为：

螺旋线切线的方向向量为：

母线切线与螺旋线切线夹角，即螺旋角α满足以下关系式：

由式(57)可知：

两边乘以R²＝g²(φ)＝a² cos²φ(式(51)第1式),

由克莱罗(Chairaut)关系式(15)：

/>

解得：

由于回转面上螺旋线的对称性，上式仅取正号。

令asinα′＝c，即α′是椭球型面短程线在椭圆长半轴处的螺旋角。

9.2)上封头缠绕轨迹设计及椭球面短程线长度计算

a＝kb 式(61)

锥段上端半径

c＝asinα′＝rsin∠CAD＝138.3654336° 式(64)

φ₂＝90°-α′ 式(66)

2×(θ₂-θ₁)-18×9°＝5×9°-20.93645°×2-1°＝2.1271°(68)

解方程(61)-(68)所组成的方程组，所得各参数值见下表:

z＝bsinφ₁＝81.30413258

锥顶至截锥上端面：1357.723816，椭球中心z坐标：1439.027949。

各坐标系之间的关系:

锥面坐标系原点在图2所示圆锥的顶部，Z轴方向为圆锥高度方向，从锥的顶点指向锥的底部。椭球短程线坐标系原点在椭球中心，椭球中心距离圆锥的顶点：1439.027949，Z轴方向与锥面坐标系相反，X轴为图3坐标系X轴绕锥面坐标系Z轴转-15.8280012(20.93645-θ₁)。

椭球短程线方程：

其中：

a＝374.5353262，b＝342.0510743

为实现带张力连续缠绕,要精确计算椭球面上的短程线长度:

椭圆参数方程为式(61)，

设椭圆母线切线与Z轴夹角为γ_，

椭圆母线切线与椭球短程线切线夹角为α

式中长短轴比k、椭球母线切线与椭球短程线切线夹角α′、椭球短半轴b、椭圆起始角度φ₁、椭圆终止角度φ₂的数值见上表。

积分得到椭球面上的短程线弧长：L＝471.0310935mm

下封头缠绕轨迹设计

仍用公式(61)-(68)等8个方程解结构参数，但式(63)、(68)具体数值有变化：

锥段下端半径

2×(θ₁+θ₂)-18×9°＝∠AOE＝1° 式(68)

解方程组所得各参数值见下表:

z＝bsinφ＝40.554517，锥顶至截锥下端面：1772.724134，椭球中心z坐标：1813.27865。

各坐标系之间的关系:

锥面和小封头椭球短程线坐标系同上。大封头椭球短程线坐标系1原点在椭球中心，椭球中心距离圆锥的顶点：1813.27865，Z轴方向与锥面坐标系相反，X轴为图3坐标系X轴绕锥面短程线坐标系Z轴转181.4835236°。椭球短程线坐标系2原点在椭球中心，椭球中心距离圆锥的顶点：1813.27865，Z轴方向与锥面短程线坐标系相同，X轴为图3坐标系X轴绕锥面短程线坐标系Z轴转1.4835236°。

锥段大小封头单件缠绕：

2×18×9°+2.1271°+1°+20.93645°×2＝369°，369°-360°＝9°，可连续缠绕。双封头锥面复合材料混合三角网格结构的纤维丝束缠绕轨迹见图12。

9.4)两件产品大端对头缠绕的纤维丝束缠绕轨迹设计

为进一步降低成本提高效率，将封头的长短轴比加大，并设计两件产品大端对头缠绕轨迹。

将9.2)中式(68)改为：

2×(θ₂-θ₁)-16×9°＝2.1271°。

解方程组所得各参数值见下表:

z＝bsinφ＝23.17931027

锥顶至截锥上端面：1357.723816

椭球中心z坐标：1378.903126

坐标系及三个坐标系之间的关系:

锥面短程线坐标系原点在圆锥的顶部，Z轴方向为圆锥高度方向，从锥的顶点指向锥的底部。椭球短程线坐标系原点在椭球中心，椭球中心距离圆锥的顶点：1378.903126，Z轴方向与锥面短程线坐标系相反，X轴为锥面短程线坐标系X轴绕锥面短程线坐标系Z轴转-19.56396825°(20.93645-θ₁))。

中间用柱面螺旋线过渡5.5°。

柱面螺旋线方程：

柱面螺旋线坐标系原点在锥的底部，距圆锥的顶点：1772.723816，坐标轴方向与锥面短程线坐标系方向相同。将椭球及其上的短程线和锥面及其上的短程线对称。

对称面距离圆锥的顶点：1847.595062，距离圆锥的底部：74.87124626，即式(72)第3式θ取2.75°得到的z值。对称后绕z轴转4.5°。

(144°+2.1271°+1°+4.5°+20.93645°×2)×2＝387°，387°-360°＝27°，27°/9°＝3，螺旋筋共40根，可连续缠绕。两件产品大端对头缠绕的纤维丝束缠绕轨迹见图13。

椭球封头外轮廓尺寸及定位尺寸

以双封头缠绕下封头为例，椭球封头外轮廓及定位尺寸计算方法如下。

如图14所示，以椭圆中心为坐标原点，以y轴为横坐标、z轴为纵坐标。

缠绕轨迹以结构外表面为基准，成型装置的封头椭球要缩小筋高及膨胀量，即缩小9.554mm。椭球长轴为(480.403-9.554)×2＝941.7mm，短半轴为271.176-9.554＝261.62mm，轴向定位尺寸为40.55-3＝37.55mm。

同理可计算椭球上封头外轮廓尺寸及定位尺寸。

实施例三

本申请实施例提供一种软模成型工装，用于实现锥面复合材料混合三角网格结构的自动化精确成型。

如图17所示，软模成型工装，将实施例二的硬模成型工装的铝分瓣阳模5，替换为铝垫板111和硅橡胶网格软模112(即硅橡胶阳模浇注模组成)。这样，实施例三的软模成型工装和实施例二的硬模成型工装能够共用芯模4。同时软模成型工装的硅橡胶网格软模(即硅橡胶阳模浇注模组成)以外结构共用。

图19为硅橡胶网格软模的示意图；(为显示硅橡胶网格阳模浇注模底板，主视图上盖板未示出)。

如图19所示，硅橡胶网格软模112(即硅橡胶阳模浇注模组成)包括：

左端框17；

等螺距螺旋筋的硅橡胶网格阳模浇注模底板18；

等螺旋角螺旋筋的硅橡胶网格阳模浇注模底板19；

短程线螺旋筋的硅橡胶网格阳模浇注模底板20；

短端框一21、右端框22、短端框二23、螺栓24、钢套25、上盖板26。

确定硅橡胶网格软模的中性面。

展开的硅橡胶网格软模上用以形成结构双向螺旋筋的筋槽中心线为膨胀量几何参数经过修正的平面螺旋线或直线。

对于高415mm，下端直径φ＝950mm，半锥角β＝15°的截锥段，软模成型工装的硅橡胶网格软模的双向螺旋筋槽中的一条螺旋筋槽的中心线方程展开后分别为：

1)软模等螺距锥面螺旋线在硅橡胶网格软模中性面展开时的轨迹方程：

2)软模等螺旋角锥面螺旋线在硅橡胶网格软模中性面展开时的轨迹方程：

3)软模锥面短程线在硅橡胶网格软模中性面展开时的轨迹方程：

y＝-0.3045x+588.838358

实施中，锥面复合材料混合三角网格结构，双向螺旋筋、环筋为自动化连续缠绕成型，为此需精确计算缠绕轨迹，实现模拟缠绕；锥面大端相对的对头缠绕进一步提高效率、降低成本、减少材料浪费。

解以下八个方程组成的方程组，实现自动化连续缠绕轨迹的精确计算：

a＝kb (s1)

c＝rsinα＝138.3654336° (s4)

φ₂＝90°-α′ (s6)

2×(θ₂-θ₁)-18×9°＝9×5°-20.93645°×2-1°＝2.1271° (s8)。

下面对软模成型工装的设计过程进行说明：

为便于对比，先对圆锥段等螺距螺旋线网格结构软模成型装置进行设计，再对圆锥段等螺旋角螺旋筋网格结构及圆锥段短程线螺旋筋网格结构的软模成型装置进行设计；并令等螺旋角螺旋线及短程线上下两端点与等螺距螺旋线两端点重合。

为降低研制成本，通过设计铝垫板和硅橡胶网格软模，使锥面复合材料网格结构软模成型装置与前述硬模成型装置共用芯模；同时硅橡胶软模浇注模除网格底板外，其余零部件均共用，进一步降低成本。

硅橡胶阳模厚度15mm，中性层距铝垫板外表面4.5mm。由于中性层位置只能估算，用硅橡胶阳模制备的结构尺寸精度不如铝合金阳模。ABCD四点为截锥段四端点，PQRS四点为铝垫板外表面延长线与截锥段上下端面的交点，TUVW四点为中性层延长线与截锥段上下端面的交点。如图17所示。

为便于脱模，铝垫板沿环向分20瓣。如图18所示。

图19中：25左端框26等螺距螺旋筋硅橡胶网格阳模浇注模底板27等螺旋角螺旋筋硅橡胶网格阳模浇注模底板28短程线螺旋筋硅橡胶网格阳模浇注模底板29短端框一30右端框31短端框二32螺栓33钢套34上盖板，为显示硅橡胶网格阳模浇注模底板，主视图上盖板未示出。

锥面等螺距螺旋线网格结构硬模成型装置：

φ_上端＝726.74，φ_下端＝948.892

图5左图，对三种锥螺旋线的展开线参数进行计算。

等螺距圆锥螺旋线展开为阿基米德螺线：

r＝x₀Θ 式(73)

其中Θ＝sinβ·θ

等螺距螺旋线在中性面展开时，由于母线长度不变，a不必修正，与硬模相同，仍为1173.34mm/弧度。等螺距螺旋线的这一特点有利于简化设计加工。

软模等螺距圆锥螺旋线在硅橡胶网格模中性面展开时的轨迹方程：

锥面等螺旋角螺旋线网格结构软模成型装置设计

等螺螺旋角圆锥螺旋线展开为对数螺线：

ρ(Θ)＝ρ₀e^cotα·Θ 式(77)

其中Θ＝sinβ·θ

ρ＝ρ_下端＝1789.37，ρ₀＝ρ_上端＝1360.626

半锥角β＝15.015°，螺距螺旋线上下端角度差：

∠AOB＝Δθ＝θ_下端-θ_上端＝20.93645°。

∠AO′B＝Δθ·sinβ＝5.424046195°

即：

由此可计算出：α＝19.06536579°。

软模等螺旋角圆锥螺旋线在硅橡胶网格模中性面展开时的轨迹方程：

圆锥段等螺旋角螺旋线网格结构硅橡胶浇注模与圆锥段等螺距螺旋线网格结构硅橡胶浇注模相比，仅网格底板不同，按式(80)在网格底板上加工圆锥段等螺旋角螺旋筋格即可。

锥面短程线网格结构软模成型装置设计

圆锥段短程线展开为直线，连接A、C两点即可。圆锥段短程线方程式48是通过将圆锥侧面展开，利用两点之间线段最短求得的解析解，且可以证明式48和式50等价，因此通过式48便于理解锥面短程线网格结构软模成型装置阳模浇注模的筋格是沿最简单的直线加工的。圆锥段短程线网格结构硅橡胶浇注模与圆锥段等螺距螺旋线网格结构硅橡胶浇注模相比，仅网格底板不同，按直线AC在网格底板上加工直筋格即可得到软模锥面短程线在硅橡胶网格模中性面展开时的轨迹方程：

即：y＝-0.3045x+588.838358 式(81)

经上述比较设计，从工艺简单、制作成本低的角度看，三种圆锥段网格结构软模成型装置，推荐使用短程线网格结构软模成型装置。还可根据工程应用实际情况结合三种圆锥段网格结构软模成型装置阳模的特点进行选择，如等螺距螺旋线在中性面展开时a不必修正，有利于简化设计加工。

成型装置缠绕状态如图9及图15所示；成型装置固化状态如图10所示。

如图9及图15所示，本发明所提供的制造工装在锥面复合材料混合三角网格结构自动缠绕成型时，将芯轴1的两端放置在架车上，芯轴1带动整个工装转动，使复合材料网格结构自动缠绕成型。

锥面复合材料混合三角网格结构缠绕完毕拆除封头前的状态，此时封头上的纤维丝束已去掉，见图16。

图9、图10及图19中所示编号为1-26的各零部件除铝分瓣阳模5的外轮廓面及筋槽、下封头2和上封头8的外轮廓及定位尺寸已做如上说明外，本发明说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术，例如本发明提及的芯轴1、下法兰3、芯模4、阳模5、上法兰7及零部件之间的安装方式、连接方式均可以采用现有技术。

图20为浇注出的硅橡胶筋槽网格阳模，如图17所示粘接在铝垫板上。

图21为锥面及展开三种螺旋线的对比。可看出相同端点的三种螺旋线之间差异很小。

图22为等螺距螺旋筋混合三角网格结构的示意图；图23为等螺旋角螺旋筋混合三角网格结构的示意图；图24为短程线螺旋筋混合三角网格结构的示意图。为便于对比，三种圆锥段网格结构螺旋线的两端点坐标相同，两方向螺旋筋对称角度相同。两方向螺旋筋对称角度是按等螺距螺旋线网格结构计算的，导致等螺距螺旋线网格结构中环筋位于结构中间位置，而等螺旋角螺旋线网格结构中环筋位于结构中间偏上，短程线网格结构中环筋则更为偏上。工程应用中应对等螺旋角螺旋线网格结构和短程线网格结构适当加大对称角度，使中环筋位于相应结构中间位置。

本发明的结构具有设计合理、低成本、轻质化等优点，结构的制造工装具有制作成本低、适合用于结构自动化批量生产等优点。

(1)对各种锥面螺旋筋网格结构的设计成型方法均已掌握，对工艺上简易可行的锥面等螺距螺旋筋、等螺旋角螺旋筋及短程线螺旋筋均进行对比设计，可根据具体工程情况进行选择。

(2)蒙皮铺缠一体成型，密排螺旋线铺放可实现锥面自动化等厚铺放，可避免仅进行自动缠绕而产生的锥段结构小端蒙皮增厚的问题。

(3)计及膨胀量对锥面复合材料混合三角网格结构成型工装阳模螺旋筋槽中心线几何参数、相应的锥面几何参数进行修正，实现结构的精确成型，使由此成型工装成型的结构其几何尺寸符合给定要求。

(4)双向螺旋筋和环筋自动化缠绕成型，工艺性好。设计椭球封头，实现自动化连续缠绕。自动化缠绕优势得到充分发挥，符合批量生产的要求。锥面大端相对的对头缠绕进一步提高效率、降低成本、减少材料浪费。

(5)自动成型锥面复合材料混合三角网格结构适应产品化要求，无蒙皮锥面复合材料混合三角网格结构适用于设计成型锥段卫星支架，有蒙皮锥面复合材料混合三角网格结构适用于设计成型级间段结构，结构整体性好、稳定性强、成型工艺性好、生产效率高，从而实现低成本、轻质化、快速成型复合材料网格结构。

(6)由于自动成型锥面复合材料混合三角网格结构双向螺旋筋和环筋是自动化连续缠绕成型，而蒙皮是铺缠一体成型，复合材料纤维丝束连续性好，纤维丝束受拉方向强度得到充分发挥，有蒙皮的复合材料混合三角网格结构有利于承受内压，尤其是瞬态冲击内压。自动缠绕成型筋条节点之间、筋条与蒙皮之间可达到类似编织的效果，自动化铺缠成型的方式可使网格与蒙皮之间的界面抗剪能力增强。

(7)将所述铝分瓣阳模更改为铝垫板和硅橡胶网格软模进一步降低成本。锥面短程线展开是软模中性面上的直线，因而加工工艺最简单，成本最低。

(8)锥面混合三角形复合材料网格结构软硬模成型工装芯模共用技术、软模成型工装硅橡胶阳模浇注模网格底板以外结构共用技术可加快研制进度、降低研制成本。以上共用技术更为重用的用途是：结构需要根据不同要求而改变接口尺寸，尤其是直径尺寸会改变；运用以上共用技术可保留生产周期最长、费用较高的芯模，仅改变易于加工的铝垫板和硅橡胶网格软模尺寸即可满足结构设计要求的改变，从而加快进度、降低成本，增强结构的商业竞争力。

在本申请及其实施例的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“高度”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的限制。

在本申请及其实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请及其实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种锥面复合材料混合三角网格结构，其特征在于，包括上端框、下端框、双向螺旋筋和上环筋、中环筋、下环筋；其中：

混合三角网格结构的外轮廓面为圆锥面；

所述上端框、下端框、双向螺旋筋和环筋为一体成型结构，环筋包括上环筋、中环筋、下环筋；

所述上端框、下端框均为“L”形；

双向螺旋筋相互对称；双向螺旋筋的外轮廓面中心线包括等螺距螺旋线、等螺旋角螺旋线及短程线；

环筋的外轮廓面中心线为圆锥面上的圆，中环筋位于混合三角网格结构的中间，上环筋、下环筋沿上端框、下端框方向均匀分布。

2.根据权利要求1所述的混合三角网格结构，其特征在于，双向螺旋筋和环筋截面均为梯形，环筋截面中心线均沿锥面法线；所有双向螺旋筋、环筋共同构成三角形与菱形相间的混合三角状网格结构。

3.根据权利要求2所述的混合三角网格结构，其特征在于，对于高415mm，下端直径φ＝950mm，半锥角β＝15°的截锥段；

混合三角网格结构的圆锥面母线方程为：z取值范围为(1357.72,1772.72)，坐标原点在圆锥顶点。

4.根据权利要求3所述的混合三角网格结构，其特征在于，对于高415mm，下端直径φ＝950mm，半锥角β＝15°的截锥段；双向螺旋筋中的一条螺旋筋的外轮廓面中心线方程为：

1)锥面等螺距螺旋线轨迹方程：

2)锥面等螺旋角螺旋线轨迹方程：

3)锥面短程线轨迹方程：

或

(x,y,z)为曲线上点的坐标，θ为参数；三种锥面螺旋线的起点和终点均重合。

5.根据权利要求4所述的混合三角网格结构，其特征在于，双向螺旋筋的截面均为相互全等的梯形，梯形截面几何尺寸为高9mm、上底宽6mm、两腰夹角15°；弯扭载荷共同决定筋的高宽比应在大于等于和小于等于/>

6.根据权利要求5所述的混合三角网格结构，其特征在于，对于高415mm，下端直径φ＝950mm，半锥角β＝15°的截锥段；各环筋截面中心线为锥面上的圆环；

梯形截面中心线沿锥面法线，梯形截面下底中点沿环筋的外轮廓面中心线扫略形成环筋。

7.根据权利要求6所述的混合三角网格结构，其特征在于，还包括蒙皮，蒙皮等厚密排自动铺放的密排螺旋线方程为：

8.一种硬模成型工装，其特征在于，

缠绕状态时，包括芯轴(1)、下封头(2)、下法兰(3)、芯模(4)、铝分瓣阳模(5)、钢套(6)、上法兰(7)、上封头(8)、档圈(9)、键(10)、小键(11)；

成型状态时，包括芯模(4)、铝分瓣阳模(5)、钢套(6)、上压环(12)、外模(13)、小箍带(14)、大箍带(15)、下压环(16)；

其中：铝分瓣阳模(5)的外轮廓面为膨胀量几何参数经过修正的锥面；

所述铝分瓣阳模(5)上用以形成双向螺旋筋的筋槽中心线为膨胀量几何参数经过修正的锥面螺旋线。

9.根据权利要求8所述的硬模成型工装，其特征在于，对于高415mm，下端直径φ＝950mm，半锥角β＝15°的截锥段，铝分瓣阳模(5)的外轮廓锥面母线方程为：z的取值范围为(1354.7,1768.8)，坐标原点在圆锥顶点。

10.根据权利要求8所述的硬模成型工装，其特征在于，对于高415mm，下端直径φ＝950mm，半锥角β＝15°的截锥段，铝分瓣阳模(5)上用以形成双向螺旋的筋槽中的一条螺旋筋槽的中心线方程为：

1)硬模锥面等螺距螺旋线轨迹方程：

2)硬模锥面等螺旋角螺旋线轨迹方程：

3)硬模锥面短程线轨迹方程：

或

(x,y,z)为曲线上点的坐标，θ为参数；三种锥面螺旋线的起点和终点均重合。

11.根据权利要求1所述的锥面复合材料混合三角网格结构，其特征在于，双向螺旋筋、环筋为自动化连续缠绕成型，为此需精确计算缠绕轨迹，实现模拟缠绕；

解以下八个方程组成的方程组，实现自动化连续缠绕轨迹的精确计算：

a＝kb(s1)

c＝rsinα＝138.3654336° (s4)

φ₂＝90°-α′(s6)

2×(θ₂-θ₁)-18×9°＝9×5°-20.93645°×2-1°＝2.1271° (s8)。

12.一种软模成型工装，其特征在于，

缠绕状态时，包括芯轴(1)、下封头(2)、下法兰(3)、芯模(4)、铝垫板、硅橡胶网格软模、钢套(6)、上法兰(7)、上封头(8)、档圈(9)、键(10)、小键(11)；

成型状态时，包括芯模(4)、铝分瓣阳模(5)、钢套(6)、上压环(12)、外模(13)、小箍带(14)、大箍带(15)、下压环(16)；

其中，展开的硅橡胶网格软模上用以形成结构双向螺旋筋的筋槽中心线为膨胀量几何参数经过修正的平面螺旋线或直线。

13.根据权利要求12所述的软模成型工装，其特征在于，对于高415mm，下端直径φ＝950mm，半锥角β＝15°的截锥段，软模成型工装的硅橡胶网格软模的双向螺旋筋槽中的一条螺旋筋槽的中心线方程展开后分别为：

1)软模等螺距锥面螺旋线在硅橡胶网格软模中性面展开时的轨迹方程：

2)软模等螺旋角锥面螺旋线在硅橡胶网格软模中性面展开时的轨迹方程：

3)软模锥面短程线在硅橡胶网格软模中性面展开时的轨迹方程：

y＝-0.3045x+588.838358。