CN117892376A - 一种复合材料网格结构的成型软模构型设计方法及软模 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模具成型技术领域，尤其涉及一种筋条特征为大厚宽比（≥5）的曲面复合材料网格结构的成型软模构型尺寸量化设计方法及软模。该方法包括：在三维画图软件中，以预设的复合材料网格结构的内表面作为基准，并将所述网格结构的曲面构型展开，以获得所述网格结构的平面构型；其中，所述网格结构包括筋条以及筋条与筋条连接形成的节点；基于所述平面构型的构型尺寸，确定待设计软模中凹槽的位置布局和初始开口尺寸；其中，所述构型尺寸包括筋条宽度、筋条高度、筋条夹角和筋条间距；对所述开口尺寸进行补偿设计，以完成所述待设计软模的制备。本发明的方案通过对开口尺寸进行补偿设计，能够提高网格结构的成型质量和成型精度。

Description

一种复合材料网格结构的成型软模构型设计方法及软模

技术领域

本发明涉及模具成型技术领域，尤其涉及一种复合材料网格结构的成型软模构型设计方法及软模。

背景技术

大容量、高分辨率、高机动性是未来卫星的重要发展趋势，卫星平台结构的性能对整星功能性能的提升至关重要。复合材料网格结构具有轻量化、高承载比、接口易扩展、构型灵活、热控易于实施等独特优势，成为卫星平台主承力结构的重要发展方向，在通信、导航、遥感等多型卫星领域具有广泛的应用前景。

作为卫星平台结构的核心部件，复合材料网格结构的成型质量与精度对其承载性能和接口精度保证至关重要。复合材料网格结构的制造涉及成型模具设计、网格铺缠、结构固化等工艺过程，其成型质量及精度主要体现在网格筋条预浸窄带的铺缠轨迹精度、铺层层间结合强度、网格节点处纤维屈曲程度、筋条与网格交叉点处的高度差等方面，复杂构型复合材料网格结构成型精度控制是一大难题。

复合材料网格结构成型模具是影响结构成型质量和精度的重要因素。网格结构成型模具通常有金属模具、硬质泡沫塑料模具、石膏模具、硅橡胶软模等，其中，硅橡胶软模由于具有成型工艺简单、易于复杂构型成型、在复合材料网格固化过程中对筋条及网格节点处具有压实作用等优点而得到广泛应用。该成型模具是采用硅胶灌注出特定网格构型的平面软模，然后将软模装配到金属芯模上形成整体网格成型组合模具，通过缠绕或铺放将预浸窄带铺放到软模网格凹槽中，形成整体网格预成型体结构。

目前，硅胶软模在设计过程中主要考虑网格截面尺寸与设计模型匹配、软模热膨胀加压控制两个方面，重点关注的是网格结构的成型质量，但相关技术的网格结构的成型质量，特别是成型精度不佳。

因此，目前亟待需要提供一种复合材料网格结构的成型软模构型尺寸量化设计方法来解决上述技术问题。

发明内容

本发明提供了一种复合材料网格结构的成型软模构型尺寸量化设计方法及软模，能够提高网格结构的成型质量，特别是网格的尺寸精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种复合材料网格结构的成型软模构型尺寸量化设计方法，包括：

在三维画图软件中，以预设的复合材料网格结构的内表面作为基准，并将所述网格结构的曲面构型展开，以获得所述网格结构的平面构型；其中，所述网格结构包括筋条以及筋条与筋条连接形成的节点；

基于所述平面构型的构型尺寸，确定待设计软模中凹槽的位置布局和初始开口尺寸；其中，所述构型尺寸包括筋条宽度、筋条高度、筋条夹角和筋条间距；

对所述开口尺寸进行补偿设计，以完成所述待设计软模的制备。

第二方面，本发明实施例提供了一种软模，是通过上述实施例所述的方法设计得到的。

根据本发明实施例提供的复合材料网格结构的成型软模构型尺寸量化设计方法，首先以预设的复合材料网格结构的内表面作为基准，并将网格结构的曲面构型展开，以获得网格结构的平面构型，再基于平面构型的构型尺寸，确定待设计软模中凹槽的位置布局和初始开口尺寸，最后对开口尺寸进行补偿设计，以完成待设计软模的制备，如此能够提高网格结构的成型质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例一的复合材料网格结构的成型软模构型设计方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施例二的复合材料网格结构的成型软模构型尺寸量化设计方法的流程示意图；

图3示出了本发明实施例提供的待设计软模中凹槽的初始开口宽度的结构示意图；

图4示出了本发明实施例提供的待设计软模中凹槽的过渡开口宽度的结构示意图；

图5示出了本发明实施例提供的待设计软模中凹槽的目标开口宽度的结构示意图；

图6示出了本发明实施例提供的两种待设计软模中凹槽的目标开口面积的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例一提供了一种复合材料网格结构的成型软模构型尺寸量化设计方法，该方法包括：

步骤100、在三维画图软件中，以预设的复合材料网格结构的内表面作为基准，并将网格结构的曲面构型展开，以获得网格结构的平面构型；其中，网格结构包括筋条以及筋条与筋条连接形成的节点；

步骤102、基于平面构型的构型尺寸，确定待设计软模中凹槽的位置布局和初始开口尺寸；其中，构型尺寸包括筋条宽度、筋条高度、筋条夹角和筋条间距；

步骤104、对开口尺寸进行补偿设计，以完成待设计软模的制备。

在本实施例中，首先以预设的复合材料网格结构的内表面作为基准，并将网格结构的曲面构型展开，以获得网格结构的平面构型，再基于平面构型的构型尺寸，确定待设计软模中凹槽的位置布局和初始开口尺寸，最后对开口尺寸进行补偿设计，以完成待设计软模的制备，如此能够提高网格结构的成型质量及尺寸精度。

如前所述，目前硅胶软模在设计过程中主要考虑网格截面尺寸与设计模型匹配、软模热膨胀加压控制两个方面，重点关注的是网格结构的成型质量，在网格截面尺寸精度控制和节点厚度匹配方面仍存在较多问题。其中，突出表现为以下三个方面：1）筋条横截面形状出现畸变，宽度和高度尺寸超差；2）网格节点处因厚度匹配控制不到位而出现纤维屈曲现象严重；3）网格结构含胶量分布存在差异。上述问题的存在会导致网格结构的承载能力下降和接口精度不符合要求，下面将对具体解决该三个方面的问题进行展开。

在本发明一个实施例中，开口尺寸包括开口宽度和开口面积，步骤“对开口尺寸进行补偿设计，以完成待设计软模的制备”具体可以包括：

对在筋条处的开口宽度进行补偿设计，得到补偿后的目标开口宽度；

对在节点处的开口面积进行补偿设计，得到补偿后的目标开口面积；

基于目标开口宽度和目标开口面积，完成对待设计软模的制备。

在本实施例中，通过分别对在筋条处的开口宽度和在节点处的开口面积进行补偿设计，可以使得网格截面尺寸和节点厚度匹配精度均实现大幅提升。

在本发明一个实施例中，步骤“对在筋条处的开口宽度进行补偿设计，得到补偿后的目标开口宽度”具体可以包括：

基于软模从平面灌注到曲面使用过程中曲率的变化，对在筋条处的开口宽度进行一次补偿设计，得到一次补偿后的过渡开口宽度；

对过渡开口宽度进行二次补偿设计，得到二次补偿后的目标开口宽度。

在本实施例中，通过软模平面灌注到曲面使用的影响因素分析，补偿了软模在自身弯曲受力时产生的变形。

在本发明一个实施例中，步骤“对过渡开口宽度进行二次补偿设计，得到二次补偿后的目标开口宽度”具体可以包括：

基于复合材料网格结构固化过程的固化外压、固化温度和硅橡胶的热膨胀系数、筋条的厚宽比，对过渡开口宽度进行二次补偿设计，得到二次补偿后的目标开口宽度。

在本实施例中，通过引入复合材料网格固化工艺参数以及筋条厚宽比的影响因素分析，补偿了软模在受外压作用下产生的变形，保证网格结构筋条成型尺寸的均匀性。

在本发明一个实施例中，目标开口宽度是通过如下公式得到的：

a_i=a₂×k_P1×k_α1×k_i×k_L/a1

式中，a_i为第i位置处的目标开口宽度，a₂为过渡开口宽度，k_P1为针对筋条的固化外压影响因子，k_α1为针对筋条的硅橡胶自膨胀压力影响因子，k_α1与固化温度有关，k_i为距两个相邻节点的位置影响因子，k_L/a1为筋条厚宽比影响因子。

在本发明一个实施例中，步骤“对在节点处的开口面积进行补偿设计，得到补偿后的目标开口面积”具体可以包括：

基于复合材料网格结构固化过程的固化外压、固化温度和硅橡胶的热膨胀系数，对在节点处的开口面积进行补偿设计，得到补偿后的目标开口面积。

在本实施例中，通过网格节点区域容积匹配设计，减少了纤维在交叉位置的屈曲与重叠，降低了筋条与节点位置高度差，保证节点的力学性能和成型精度。

在本发明一个实施例中，目标开口面积是通过如下公式得到的：

S₂=S₁×（1+k_P2×k_α2）

式中，S₂为目标开口面积，S₁为在节点处的开口面积，k_P2为针对节点的固化外压影响因子，k_α2为针对节点的硅橡胶自膨胀压力影响因子，k_α2与固化温度有关。

在本发明一个实施例中，上述方法还包括：

基于平面构型的筋条高度和预设的纤维铺缠工艺参数，确定待设计软模中凹槽的高度；其中，纤维铺缠工艺参数包括铺缠张力和铺缠轨迹。

在本实施例中，将纤维铺缠工艺参数考虑在待设计软模中凹槽的高度的计算过程中，补偿了软模在受外压作用下产生的变形。

在本发明一个实施例中，步骤“基于目标开口宽度和目标开口面积，完成对待设计软模的制备”具体可以包括：

基于铺缠轨迹，对高度、目标开口宽度和目标开口面积进行修正；

基于修正后的高度、目标开口宽度和目标开口面积，完成对待设计软模的制备。

在本实施例中，通过利用铺缠轨迹对高度、目标开口宽度和目标开口面积进行修正，以进一步提高复合材料网格结构的成型质量和精度。

在本发明一个实施例中，步骤“基于修正后的高度、目标开口宽度和目标开口面积，完成对待设计软模的制备”具体可以包括：

基于修正后的高度、目标开口宽度和目标开口面积，翻模设计软模灌注工装；

在软模灌注工装中灌注硅橡胶，待硅橡胶完全固化后脱模，完成对待设计软模的制备。

在本实施例中，通过利用修正后的高度、目标开口宽度和目标开口面积来翻模设计软模灌注工装，最终制备得到在多物理场作用下的精细化设计的软模，以保证后续复合材料网格结构的成型质量和精度。

综上所述，本发明解决了复合材料网格结构软模多物理场作用下的精细化设计以及复合材料网格结构的高精度成型控制问题，采用该方法设计的网格结构成型工装，网格截面尺寸和节点厚度匹配精度均实现大幅提升。具体而言，采用本发明设计的软模用于复合材料网格结构成型，解决了筋条截面尺寸不均匀、筋条与网格交叉点处纤维屈曲且高度差过大等问题，可有效提高复合材料网格结构的成型质量和精度。原因如下：该方法与传统复合材料网格结构软模设计不同，综合考虑了从软模灌注成型到复合材料网格结构固化完成的全周期过程影响因素：1）通过软模平面灌注到曲面使用的影响因素分析，补偿了软模在自身弯曲受力时产生的变形（即一次补偿设计）；2）通过引入复合材料网格固化工艺参数和筋条厚宽比的影响因素分析，补偿了软模在受外压作用下产生的变形，保证网格结构筋条成型尺寸的均匀性（即二次补偿设计）；3）通过网格节点区域容积匹配设计，减少了纤维在交叉位置的屈曲与重叠，降低了筋条与节点位置高度差，保证节点的力学性能和成型精度（即面积补偿设计）。

如图2所示，本发明实施例二提供了一种复合材料网格结构的成型软模构型尺寸量化设计方法，该方法包括：

步骤200、在三维画图软件中，以预设的复合材料网格结构的内表面作为基准，并将网格结构的曲面构型展开，以获得网格结构的平面构型；

步骤202、基于平面构型的构型尺寸，确定待设计软模中凹槽的位置布局和初始开口尺寸；

步骤204、基于软模从平面灌注到曲面使用过程中曲率的变化，对在筋条处的开口宽度进行一次补偿设计，得到一次补偿后的过渡开口宽度；

步骤206、基于复合材料网格结构固化过程的固化外压、固化温度、硅橡胶的热膨胀系数、筋条厚宽比，对过渡开口宽度进行二次补偿设计，得到二次补偿后的目标开口宽度；

步骤208、基于复合材料网格结构固化过程的固化外压、固化温度和硅橡胶的热膨胀系数、筋条厚宽比，对在节点处的开口面积进行补偿设计，得到补偿后的目标开口面积；

步骤210、基于平面构型的筋条高度和预设的纤维铺缠工艺参数，确定待设计软模中凹槽的高度；

步骤212、基于铺缠轨迹，对高度、目标开口宽度和目标开口面积进行修正；

步骤214、基于修正后的高度、目标开口宽度和目标开口面积，翻模设计软模灌注工装；

步骤216、在软模灌注工装中灌注硅橡胶，待硅橡胶完全固化后脱模，完成对待设计软模的制备。

此外，本发明实施例还提供了一种软模，是通过上述实施例提及的方法设计得到的。

可以理解的是，本发明实施例提供的软模和上述实施例一提供的复合材料网格结构的成型软模构型尺寸量化设计方法是基于相同的发明构思，因此二者具有相同的有益效果，在此不进行赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如一次和二次之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种复合材料网格结构的成型软模构型设计方法，其特征在于，包括：

在三维画图软件中，以预设的复合材料网格结构的内表面作为基准，并将所述网格结构的曲面构型展开，以获得所述网格结构的平面构型；其中，所述网格结构包括筋条以及筋条与筋条连接形成的节点；

基于所述平面构型的构型尺寸，确定待设计软模中凹槽的位置布局和初始开口尺寸；其中，所述构型尺寸包括筋条宽度、筋条高度、筋条夹角和筋条间距；

对所述开口尺寸进行补偿设计，以完成所述待设计软模的制备。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述开口尺寸包括开口宽度和开口面积，所述对所述开口尺寸进行补偿设计，以完成所述待设计软模的制备，包括：

对在筋条处的开口宽度进行补偿设计，得到补偿后的目标开口宽度；

对在节点处的开口面积进行补偿设计，得到补偿后的目标开口面积；

基于所述目标开口宽度和所述目标开口面积，完成对所述待设计软模的制备。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对在筋条处的开口宽度进行补偿设计，得到补偿后的目标开口宽度，包括：

基于软模从平面灌注到曲面使用过程中曲率的变化，对在筋条处的开口宽度进行一次补偿设计，得到一次补偿后的过渡开口宽度；

对所述过渡开口宽度进行二次补偿设计，得到二次补偿后的目标开口宽度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述过渡开口宽度进行二次补偿设计，得到二次补偿后的目标开口宽度，包括：

基于复合材料网格结构固化过程的固化外压、固化温度和硅橡胶的热膨胀系数，对所述过渡开口宽度进行二次补偿设计，得到二次补偿后的目标开口宽度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述目标开口宽度是通过如下公式得到的：

a_i=a₂×k_P1×k_α1×k_i×k_L/a1

式中，a_i为第i位置处的目标开口宽度，a₂为所述过渡开口宽度，k_P1为针对筋条的固化外压影响因子，k_α1为针对筋条的硅橡胶自膨胀压力影响因子，k_α1与固化温度有关，k_i为距两个相邻节点的位置影响因子，k_L/a1为筋条厚宽比影响因子。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对在节点处的开口面积进行补偿设计，得到补偿后的目标开口面积，包括：

基于复合材料网格结构固化过程的固化外压、固化温度和硅橡胶的热膨胀系数，对在节点处的开口面积进行补偿设计，得到补偿后的目标开口面积。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述目标开口面积是通过如下公式得到的：

S₂=S₁×（1+k_P2×k_α2）

式中，S₂为所述目标开口面积，S₁为在节点处的开口面积，k_P2为针对节点的固化外压影响因子，k_α2为针对节点的硅橡胶自膨胀压力影响因子，k_α2与固化温度有关。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

基于所述平面构型的筋条高度和预设的纤维铺缠工艺参数，确定待设计软模中凹槽的高度；其中，所述纤维铺缠工艺参数包括铺缠张力和铺缠轨迹。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标开口宽度和所述目标开口面积，完成对所述待设计软模的制备，包括：

基于所述铺缠轨迹，对所述高度、所述目标开口宽度和所述目标开口面积进行修正；

基于修正后的所述高度、所述目标开口宽度和所述目标开口面积，完成对所述待设计软模的制备。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基于修正后的所述高度、所述目标开口宽度和所述目标开口面积，完成对所述待设计软模的制备，包括：

基于修正后的所述高度、所述目标开口宽度和所述目标开口面积，翻模设计软模灌注工装；

在所述软模灌注工装中灌注硅橡胶，待硅橡胶完全固化后脱模，完成对所述待设计软模的制备。

11.一种软模，其特征在于，是通过如权利要求1-10中任一项所述的方法设计得到的。