CN118560076A - 自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构及成型工装 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构及成型工装。斜置网格结构包括结构材料为复合材料的下端框以及双向螺旋筋；所述下端框、双向螺旋筋为一体成型结构；下端框为向内翻垂直结构；上下端框的结构外轮廓面为样条曲线回转型面；内轮廓成型双向螺旋筋，所述双向螺旋筋相互对称，其外轮廓面中心线为样条曲线回转型面等螺距螺旋线、或等螺旋角螺旋线，或短程线。蒙皮等厚自动铺放沿样条曲线回转型面密排螺旋线、或等螺距螺旋线、或等螺旋角螺旋线，蒙皮内外两层沿冯.卡门型面短程线自动缠绕。自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构通过专用的成型工装自动化、精确、共固化、一体成型。

Description

自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构及成型工装

技术领域

本申请涉及复合材料成型的技术领域，特别是一种自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构及成型工装。

背景技术

在火箭结构中，仪器舱、末修舱、卫星支架、级间段、头罩等直母线结构均大量采用复合材料结构，取得了大幅度减重的良好效果。曲母线复合材料网格结构已开始在工程中得到应用。工程中有些回转体结构的母线不是以方程的形式给出，而是给出一组特定点，母线以光滑曲线的方式通过这组特定点。这种结构，外形呈流线形，可显著减小阻力及火箭所承受的载荷，同时使火箭易于控制。如何在未知母线方程的情况下自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构是需要解决的技术问题。

发明内容

本申请提供一种自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构及成型工装。此自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构及其成型工装，设计合理、实现结构轻质化。自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构及其成型工装，制作成本低、适合用于复合材料网格结构自动化批量生产。

第一方面，提供了一种自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构，包括结构材料为复合材料的下端框以及双向螺旋筋；所述下端框、双向螺旋筋为一体成型结构；下端框为向内翻边垂直结构；下端框的结构外轮廓面为样条曲线回转型面；内轮廓成型双向螺旋筋，所述双向螺旋筋相互对称，其外轮廓面中心线为样条曲线回转型面等螺距螺旋线、或等螺旋角螺旋线，或短程线。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，双向螺旋筋截面均为相互全等的梯形，所述梯形截面垂直于双向螺旋筋外轮廓面中心线、梯形截面中心线指向样条曲线回转型面旋转轴方向、梯形截面下底中点沿双向螺旋筋外轮廓面中心线扫略形成双向螺旋筋。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述的复合材料为碳纤维/环氧树脂复合材料。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述结构外轮廓面的母线方程满足：

在n+1个数据点(x_i,y_i)(i＝0,1,......,n)上，r(x_i)＝y_i，在[x_i,x_i+1]上：

其中，M₀＝0，M_n＝0，关于M₁,M₂,......M_n-1的线性方程组满足

式中：h_i＝x_i+1-x_i，

二阶差商：

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述结构外轮廓面的母线方程满足：

其中：

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，在两节点间的区间[x_i-1,x_i]之间，三次样条曲线回转型面上的短程线为：

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，在两节点间的区间[x_i-1,x_i]之间，三次样条曲线回转型面上的等距螺线方程为：

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，在两节点间的区间[x_i-1,x_i]之间，三次样条曲线回转型面上的等螺旋角螺线方程为：

第二方面，提供了一种如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构的成型工装，包括芯模、阳模，阴模；其特征在于，所述阳模为硅橡胶分瓣阳模，分瓣阳模上每间隔一定角度形成一对与所述的双向螺旋筋相对应的双向螺旋筋槽。

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，分瓣阳模的外轮廓面为膨胀量几何参数经过修正的样条曲线回转型面，修正方法为：

将样条曲线外表面的n+1个节点(x_i,y_i)(i＝0,1,......,n)都向轴线平行内移体部蒙皮的厚度与硅橡胶网格阳模厚度之和，得到n+1个点之后逐点考虑热膨胀量，再将各点移动到膨胀前的位置(x′_i，y″_i)(i＝0,1,......,n)，之后过这些点插值出三次样条曲线，形成回转体，此回转体就是芯模的外表面；

令：Δy_i＝y′_i-y″_i，从而y″′_i＝y_i-Δy_i，通过n+1个修正点(x′_i,y″′_i)(i＝0,1,......,n)的三次样条函数方程为：

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，筋槽中心线为膨胀量几何参数经过修正的样条曲线回转型面螺旋线，修正方法是在外轮廓母线方程修正的基础上，利用膨胀固化过程中螺旋线上下端点间的角度差Δθ不变这一性质，得到修正后的样条曲线回转型面螺旋线。

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，在两节点间的区间[x_i'_-1,x_i']之间，修正后的筋槽中心线为经过膨胀量修正的三次样条曲线回转型面上的短程线，且满足：

其中，Δθ'＝Δθ

Δθ′＝Δθ′₁+…+Δθ′_i+…+Δθ′_n

Δθ＝Δθ₁+…+Δθ_i+…+Δθ_n

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，在两节点间的区间[x_i'_-1,x_i']之间，修正后的筋槽中心线为经过膨胀量修正的三次样条曲线回转型面上的等距螺线方程，且满足：

其中，

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，在两节点间的区间[x_i'_-1,x_i']之间，修正后的筋槽中心线为经过膨胀量修正的三次样条曲线回转型面上的等螺旋角螺线方程，且满足：

其中，Δθ'＝Δθ

Δθ'＝Δθ′_等角1+…+Δθ′_等角i+…+Δθ′_等角n

Δθ＝Δθ_等角1+…+Δθ_等角i+…+Δθ_等角n

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，外轮廓面中心线为短程线的双向螺旋筋采用自动化连续缠绕成型，等螺距螺旋筋、等螺旋角螺旋筋采用自动化铺放成型；通过复合材料斜置网格样条曲线回转结构形状实现两件样条曲线回转体复合材料斜置网格结构大端相对的短程线自动化缠绕，中间用柱面螺旋线过渡。

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，短程线自动化缠绕通过以下方式实现：

令样条曲线回转体复合材料斜置网格结构大端半径为R_柱，三次样条曲线回转型面上的短程线在大端处的螺旋角为α_R，则过渡用柱面螺旋线方程：

设两件样条曲线回转体复合材料斜置网格结构大端距离为Δz，设短程线螺旋筋为n根，在Δθ_缠绕＝4×Δθ+2×Δθ_柱、和的约束下，通过调整Δz和n，使n′和n互质，实现纤维丝束在成型工装短程线螺旋筋筋槽内连续缠，其中柱面螺旋线过渡角度Δθ_柱由Δz＝R_柱Δθ_柱cotα_R确定。

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，纤维丝束沿密排螺旋线在工装上以自动铺放的方式实现结构蒙皮的等厚铺放，其中，在两节点间的区间[x_i,x_i+1]之间，三次样条曲线回转型面上的密排螺旋线方程为：

其中调整R₀以得到不同螺旋角的蒙皮铺层。

与现有技术相比，本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果：

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)自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构的母线不是以方程的形式给出，而是给出一组特定点，母线以光滑曲线的方式通过这组特定点。这种结构，外形成流线形，可显著减小阻力及火箭所承受的载荷，同时使火箭易于控制。

(2)自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构，通过增加网格加强筋的方式提高结构刚度；同时以增加网格加强筋的方式提高结构承载效率。

(3)样条曲线复合材料等螺距螺旋筋、等螺旋角螺旋筋网格结构，其网格加强筋通过自动铺放的方式自动成型，提高生产效率及结构质量一致性。

(4)样条曲线复合材料短程线螺旋筋网格结构，其网格加强筋中心线为样条曲线回转型面上的短程线，网格加强筋缠绕轨迹经精确计算，实现加强筋及蒙皮自动化连续缠绕，生产效率高，适合批量生产。

(5)样条曲线回转型面是不可展开复杂型面，样条曲线回转型面上的等螺距螺旋线、等螺旋角螺旋线、短程线是空间复杂曲线。由此成型出的硅橡胶网格阳模具有双曲率，与芯模椭球型面贴合性好，螺旋筋槽连续性好。

(6)硅橡胶网格阳模通过立体浇注模浇注而成，每块硅橡胶网格阳模仅为圆周的十分之一到五分之一之间，网格加工量大为减少，可大大减少五坐标机床加工工时从而降低加工费用、压缩加工周期，而对产品质量没有影响；从而降低成本、加快研制进度。其结构几何尺寸虽不如硬模成型精确，但可满足使用要求。

(7)以自动化铺缠成型的方式成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构蒙皮，可达到增强蒙皮与筋条界面的抗剪能力、减少蒙皮外层褶皱、优化铺层角度并使其厚度渐变的效果。

(8)复合材料斜置网格样条曲线回转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，实现低成本、轻质化。

附图说明

图1为复合材料斜置网格样条曲线回转结构。

图2为三次样条曲母线示意图。

图3为三次样条曲母线回转面螺旋线螺旋角示意图。

图4为图3中I的放大图。

图5为图3中II的放大图。

图6为短程线复合材料斜置网格样条曲线回转结构(仅示出短程线网格)。

图7为等螺距螺旋线复合材料斜置网格样条曲线回转结构(仅示出等螺距螺旋线网格)。

图8为等螺旋角螺旋线复合材料斜置网格样条曲线回转结构(仅示出等螺旋角螺旋线网格)。

图9为复合材料斜置网格样条曲线回转结构三种螺旋线对比。

图10为粘接在芯模上的样条曲线回转体复合材料斜置网格结构成型工装硅橡胶网格阳模。

图11为样条曲线回转体复合材料斜置网格结构成型工装芯模。

图12为样条曲线回转体复合材料斜置网格结构成型工装阴模。

图13为硅橡胶网格阳模立体浇注模网格底板。

图14为两件样条曲线回转体复合材料斜置网格结构大端相对的短程线缠绕轨迹。

图15为两件样条曲线回转体复合材料斜置网格结构大端相对的短程线缠绕硅橡胶网格阳模模具，环筋筋槽未示出。

图16为两件样条曲线回转体复合材料斜置网格结构大端相对的短程线缠绕硅橡胶网格阳模模具剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述。

如图1所示，本申请实施例提供一种自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构，包括结构材料为复合材料的下端框以及双向螺旋筋，下端框、双向螺旋筋为一体成型结构。下端框为向内翻边垂直结构；下端框的结构外轮廓面为样条曲线回转型面，内轮廓成型双向螺旋筋。复合材料例如为碳纤维/环氧树脂复合材料。

外轮廓面网格加强筋中心线为样条曲线回转型面上的等螺距螺旋线、或等螺旋角螺旋线，或短程线。

双向螺旋筋相互对称。双向螺旋筋截面可以均为相互全等的梯形。梯形的截面垂直于双向螺旋筋外轮廓面中心线、梯形截面中心线指向样条曲线回转型面旋转轴方向、梯形截面下底中点沿双向螺旋筋外轮廓面中心线扫略形成双向螺旋筋。

样条曲线回转复合材料等螺距螺旋筋、等螺旋角螺旋筋网格结构，其网格加强筋通过自动铺放的方式自动成型。样条曲线回转复合材料短程线螺旋筋网格结构，其网格加强筋通过自动缠绕的方式自动成型，网格加强筋缠绕轨迹经精确计算，实现连续自动化缠绕。下面介绍复合材料斜置网格样条曲线的确定步骤。

1)三次样条曲母线的计算

任何通过一组特定点的曲线都可通过三次样条插值进行拟合。对内包络尺寸有限制的结构，也可设计为复合材料斜置网格样条曲线回转结构。

给出n+1个数据点(x_i,y_i)(i＝0,1,...n..)，r(x_i)＝y_i，(i＝0,1,......,n)，r(x)∈C²[x₀,x_n]。在[x_i,x_i+1]上：

M_i为r(x)在x_i处的二次导数。考虑实际结构的特点，其顶部轮廓线与轴线垂直，其底端轮廓线与轴线平行，两端点一次导数为常数，二次导数为0，如图2所示，即已知：

r”(x₀)＝M₀＝0，r”(x_n)＝M_n＝0 (2)

关于M₁,M₂,......,M_n-1的线性方程组：

即：

式中：h_i＝x_i+1-x_i。

二阶差商：

解方程(3)可得到唯一的一组M₀,M₁,......,M_n，代入式(1)就得到了所要求的三次样条函数r(x)。此函数是一个整体上具有二阶连续导数的插值函数，可确保结构外表面光滑、平整。

在两节点间的区间[x_i,x_i+1]之间，xoy面上的三次样条函数可表达为三次多项式：

r(x)＝a_i+1x³+b_i+1x²+c_i+1x+d_i+1 (4)

对比(1)、(4)两式，可以确定以下系数：

通过n+1个给定节点的三次样条函数方程为：

根据实际结构母线需要通过的点，用三次样条曲线插值出的结构外轮廓母线见图2，图中纵轴为x，向下为正方向；横轴为r(x)，向右为正方向。

2)三次样条曲母线回转面上螺旋线的螺旋角计算

将螺旋线的螺旋角α定义为回转面母线切线与螺旋线切线的夹角。用取微元体的方法计算回转面上螺旋线的螺旋角。

如图3所示，在三次样条曲母线绕x轴形成的回转体内任取沿x轴方向高为dx、逆时针绕x轴角度为dθ、半径方向与回转体外表面相交的扇形微元，此扇形微元的放大图见图4。由于是微元体，此扇形微元与回转体外表面相交形成的四边形可视为长方形，此长方形的放大图见图5。

三次样条曲母线回转面上的螺旋线通过A、D两点，在微元体中螺旋线AD、圆弧BD、母线AB、均可视为直线，ΔABC中，∠ABC＝Rt∠，ΔABD中，∠ABD＝Rt∠。令∠BAC＝γ，角γ是母线切线与x轴之间的夹角。令∠BAD＝α，根据定义，此角就是三次样条曲母线回转面上螺旋线的螺旋角。

角γ计算公式：

tanγ＝dy(x)/dx＝3a_ix²+2b_ix+c_i (10)

在ΔABC中，

AC＝dx (11)

在扇形O₁BD中，

BD＝O₁B·dθ＝y(x)dθ (13)

在ΔABD中，

3)三种样条曲线回转体复合材料斜置网格结构设计

3.1)，对于样条曲线回转体短程线螺旋筋复合材料斜置网格结构设计具体如下。

回转面上符合克莱罗(Chairaut)关系式的螺旋线为短程线。克莱罗(Chairaut)关系式如下：

r₁sinα₁＝rsin90°＝const (16)

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

ysinα＝ycosαtanα＝c (17)

在两节点间的区间[x_i,x_i+1]之间，由式(15)可计算出cosα，将cosα和式(15)代入上式：

解得：

在两节点间的区间[x_i-1,x_i]之间，三次样条曲线回转型面上的短程线为：

结合式(9)，在[x₀,x_n]之间每两节点间均按上式形式列出短程线方程，则得到整个三次样条曲线回转型面上的短程线。确定常数c则三次样条曲线回转型面上的短程线随之确定。样条曲线回转体短程线网格见图6。内网格加筋的短程线斜置网格样条曲线回转结构见图1。端框为插接垂直形框。

3.2)，对于样条曲线回转体等螺距螺旋筋复合材料斜置网格结构设计具体如下。

当x与θ成正比时，螺线为等螺距螺线。在两节点间的区间[x_i-1,x_i]之间，三次样条曲线回转型面上的等距螺线方程为：

将代入式(15)，得出：

给定x值，可计算等螺距螺旋线在此处的螺旋角。

为便于对比等螺距螺线和短程线，令三次样条曲线回转型面上的等螺距螺线的起点和终点与三次样条曲线回转型面上的短程线的起点和终点相同。

由式(20)中的第4式，令：

可逐段计算Δθ_i的值。令：

Δθ＝Δθ₁+…+Δθ_i+…+Δθ_n (24)

令：

由此计算出k值，代入式(21)，得到[x_i-1,x_i]之间的等螺距螺旋线。结合式(9)，得到整个三次样条曲线回转型面上的等螺距螺旋线。等螺距螺旋筋复合材料斜置网格结构筋条结构参数与短程线螺旋筋结构筋条参数相同，仅示出等螺距螺旋线网格，样条曲线回转体等螺距螺旋线网格见图7。

3.3)，对于样条曲线回转体等螺旋角螺旋筋复合材料斜置网格结构设计具体如下。

由式(15)可以确定：

在两节点间的区间[x_i-1,x_i]之间，三次样条曲线回转型面上的等螺旋角螺线方程为：

为便于对比等螺旋角螺线和短程线，令三次样条曲线回转型面上的等螺旋角螺线的起点和终点与三次样条曲线回转型面上的短程线的起点和终点相同。

由式(27)中的第4式，令：

可逐段计算Δθ_等角i的值。令：

Δθ＝Δθ_等角1+…+Δθ_等角i+…+Δθ_等角n (29)

式(29)中Δθ的计算方法见式(24)中Δθ的计算方法。由此计算出tanα值，代入式(27)，得到[x_i-1,x_i]之间的等螺距螺旋线。结合式(9)，得到整个三次样条曲线回转型面上的等螺旋角螺旋线。样条曲线回转体等螺旋角螺旋线网格见图8。

起点和终点相同的三次样条曲线回转型面上的短程线、等螺旋角螺旋线、等螺距螺旋线三种螺旋线对比见图9。在图9中可看出，由于三次样条曲线回转型面的母线是曲母线，三种三次样条曲线回转型面上的螺旋线差异较大，能实现自动缠绕的只有三次样条曲线回转型面上的短程线螺旋筋，其余两种螺旋筋只能用自动铺放的方式成型。

4)样条曲线回转体复合材料斜置网格结构成型工装

复合材料斜置网格样条曲线回转结构成型工装，其网格阳模为硅橡胶网格阳模，从而降低成本，硅橡胶网格阳模通过立体浇注模浇注而成。样条曲线回转体复合材料斜置网格结构成型工装包括硅橡胶网格阳模(见图10)、芯模(见图11)、阴模(见图12)。硅橡胶网格阳模立体浇注模网格底板见图13。

由于样条曲线回转型面是不可展开曲面，因此其硅橡胶网格模的成型难度较大，需要采用立体浇注的形式完成。选择合适的切平面，使硅橡胶网格模的四个角距切平面距离大体相等，尽量使立体浇注平面化，充分利用弧面的光滑流动性确保硅橡胶阳模浇注质量。

样条曲线回转型面是不可展开复杂型面，样条曲线回转型面上的等螺距螺旋线、等螺旋角螺旋线、短程线是空间复杂曲线。由此成型出的硅橡胶网格阳模具有双曲率，与芯模椭球型面贴合性好，螺旋筋槽连续性好。每块硅橡胶网格阳模仅为圆周的六分之一，网格加工量大为减少，可大大减少五坐标机床加工工时从而降低加工费用、压缩加工周期，从而降低成本、加快研制进度。其结构几何尺寸虽不如硬模成型精确，但可满足使用要求。

阳模是复合材料产品成型的关键。因是热压成型，要考虑膨胀量问题。膨胀量按下式计算：

Δl＝l₀×(α_m-α_c)×(T_gel-t) (30)

式中：Δl——模具膨胀量；

l₀——产品尺寸；

α_m——模具材料热膨胀系数；

α_c——产品热膨胀系数；

T_gel——树脂凝胶点温度；

Δα＝(α_m-α_c)为热膨胀系数差，按钢合金热膨胀系数与碳材料热膨胀系数的差计算。

利用式(30)沿产品直径方向和轴向分别计算膨胀量。

将1)中所述三次样条曲线外表面的n+1个节点(x_i,y_i)(i＝0,1,......,n)都向轴线平行内移体部蒙皮的厚度与硅橡胶网格阳模厚度之和，得到n+1个点(应注意，y′_z并不是y_i的一次导数)；之后逐点考虑热膨胀量，再将各点移动到膨胀前的位置(x′_i,y″_i)(i＝0,1,......,n)(应注意，x′_i并不是x_i的一次导数，y_i”并不是y_i的二次导数)；之后过这些点插值出三次样条曲线，形成回转体，此回转体就是芯模的外表面，具体如下。

令：Δy_i＝y_i'-y_i"，y_i"'＝y_i-Δy_i，参考式(9)，可求得通过n+1个修正点(x′_i,y′_ii)(i＝0,1,......,n)的三次样条函数方程为：

式(31)就是经过膨胀量修正的样条曲线回转体复合材料斜置网格结构外表面母线。

筋槽中心线为膨胀量几何参数经过修正的样条曲线回转型面螺旋线，修正方法是在外轮廓母线方程修正的基础上，利用膨胀固化过程中螺旋线上下端点间的角度差Δθ不变这一性质，得到修正后的样条曲线回转型面螺旋线。

4.1)在两节点间的区间[x_i'_-1,x_i']之间，经过膨胀量修正的三次样条曲线回转型面上的短程线为：

结合式(31)，在[x'₀,x'_n]之间每两节点间均按上式形式列出短程线方程，则得到整个经过修正的三次样条曲线回转型面上的短程线。确定常数c'则经过修正的三次样条曲线回转型面上的短程线随之确定。

由式(32)第4式，令：

可逐段计算Δθ_i'的值。令：

Δθ'＝Δθ₁'+…+Δθ_i'+…+Δθ_n' (34)

复合材料结构受热膨胀过程中，三次样条曲线回转型面上的螺旋线的起点和终点夹角不变，即：

Δθ'＝Δθ (35)

其中Δθ的计算方法见式(24)中Δθ的计算方法。由式(35)确定常数c′，且c′与式(20)中的c一一对应。

4.2)在两节点间的区间[x′_i-1,x′']之间，经过膨胀量修正的三次样条曲线回转型面上的等距螺线方程为：

令：

由此计算出k'值，代入式(36)，得到[x_i'_-1,x_i']之间的等螺距螺旋线。结合式(31)，得到整个经过修正的三次样条曲线回转型面上的等螺距螺旋线。

4.3)在两节点间的区间[x_i'_-1,x_i']之间，经过膨胀量修正的三次样条曲线回转型面上的等螺旋角螺线方程为：

由式(38)中的第4式，令：

可逐段计算Δθ′_等角i的值。令：

Δθ'＝Δθ′_等角1+…+Δθ′_等角i+…+Δθ′_等角n (40)

Δθ'＝Δθ，Δθ的计算方法见式(29)中Δθ的计算方法。由此计算出tanα'值，代入式(38)，得到[x_i'_-1,x_i']之间的等螺距螺旋线。结合式(31)，得到整个经过修正的三次样条曲线回转型面上的等螺旋角螺旋线。

5)短程线缠绕轨迹设计

两件样条曲线回转体复合材料斜置网格结构大端相对的短程线缠绕轨迹见图14。在一个实施例中，中间用柱面螺旋线过渡。

令样条曲线回转体复合材料斜置网格结构大端半径为R_柱，三次样条曲线回转型面上的短程线在大端处的螺旋角为α_R。

则过渡用柱面螺旋线方程：

设两件样条曲线回转体复合材料斜置网格结构大端距离为Δz，则根据式(41)中的第3式：

Δz＝R_柱Δθ_柱cotα_R (42)

可求得柱面螺旋线过渡角度Δθ_柱。设短程线螺旋筋为n根；

Δθ_缠绕＝4×Δθ+2×Δθ_柱 (43)

调整Δz和n，使n′和n互质，即可实现纤维丝束在成型工装短程线螺旋筋筋槽内连续缠。两件样条曲线回转体复合材料斜置网格结构大端相对的短程线缠绕硅橡胶网格阳模模具及剖视图见图15、16，环筋筋槽未示出。

在本申请提供的一些实施例中，蒙皮的密排等厚铺放且蒙皮的自动铺缠成型。样条曲线回转复合材料斜置网格结构其蒙皮自动化铺缠成型，内层蒙皮与筋条连续自动化缠绕成型，使蒙皮与筋条紧密结合并使两者之间的界面抗剪能力增强。外层蒙皮连续自动化缠绕成型从而使用外层蒙皮保持一定的张力，减少蒙皮外层褶皱；其余各层蒙皮可根据需要沿等螺距、等螺旋角、密排线等螺旋线自动铺放，从而优化铺层角度并使其厚度基本等厚。

密排螺旋线用于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。密排螺旋线的螺旋角符合下式：

R＝r(x)。R₀为螺旋角为0的位置下R的函数值。由式(15)及式(46)：

在两节点间的区间[x_i,x_i+1]之间，三次样条曲线回转型面上的密排螺旋线方程为：

结合式(9)，得到整个三次样条曲线回转型面上的密排螺旋线。调整R₀数值得到不同螺旋角的蒙皮铺层。

自动化缠绕成型的方式可使筋条节点之间、筋条与蒙皮之间可达到类似编织的效果，从而使筋条之间、网格与蒙皮之间的界面抗剪能力增强，应优先选用短程线螺旋筋网格结构，以自动化缠绕的方式成型。等螺距螺旋筋网格结构，由于等螺距螺旋线方程的计算不用积分，因而设计简单。斜置正交的等螺旋角螺旋筋网格结构承受外压好。等螺距螺旋线，螺旋角随着半径的减小而减小；等螺旋角螺旋线，螺旋角不随半径的变化而变化；短程线螺旋角随着半径的减小而增加。应结合各螺旋筋网格结构的特点和各螺旋线螺旋角变化特点，根据工程实际需要选择不同的螺旋筋网格结构。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (17)

1.一种自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构，其特征在于，包括结构材料为复合材料的下端框以及双向螺旋筋；所述下端框、双向螺旋筋为一体成型结构；下端框为向内翻边垂直结构；下端框的结构外轮廓面为样条曲线回转型面；内轮廓成型双向螺旋筋，所述双向螺旋筋相互对称，其外轮廓面中心线为样条曲线回转型面等螺距螺旋线、或等螺旋角螺旋线，或短程线。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，双向螺旋筋截面均为相互全等的梯形，所述梯形截面垂直于双向螺旋筋外轮廓面中心线、梯形截面中心线指向样条曲线回转型面旋转轴方向、梯形截面下底中点沿双向螺旋筋外轮廓面中心线扫略形成双向螺旋筋。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述的复合材料为碳纤维/环氧树脂复合材料。

4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述结构外轮廓面的母线方程满足：

在n+1个数据点(x_i,y_i)(i＝0,1,......,n)上，r(x_i)＝y_i，在[x_i,x_i+1]上：

其中，M₀＝0，M_n＝0，关于M₁,M₂,......M_n-1的线性方程组满足

式中：h_i＝x_i+1-x_i，

二阶差商：

5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述结构外轮廓面的母线方程满足：

其中：

6.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，在两节点间的区间[x_i-1,x_i]之间，三次样条曲线回转型面上的短程线为：

7.根据权利要求4所述的斜置网格结构，其特征在于，在两节点间的区间[x_i-1,x_i]之间，三次样条曲线回转型面上的等距螺线方程为：

8.根据权利要求4所述的斜置网格结构，其特征在于，在两节点间的区间[x_i-1,x_i]之间，三次样条曲线回转型面上的等螺旋角螺线方程为：

9.一种如权利要求1至8中任一项所述的自动成型复合材料斜置网格样条曲线回转结构的成型工装，包括芯模、阳模，阴模；其特征在于，所述阳模为硅橡胶分瓣阳模，分瓣阳模上每间隔一定角度形成一对与所述的双向螺旋筋相对应的双向螺旋筋槽。

10.根据权利要求9所述的成型工装，其特征在于，分瓣阳模的外轮廓面为膨胀量几何参数经过修正的样条曲线回转型面，修正方法为：

将样条曲线外表面的n+1个节点(x_i,y_i)(i＝0,1,......,n)都向轴线平行内移体部蒙皮的厚度与硅橡胶网格阳模厚度之和，得到n+1个点(x_i,y_i')(i＝0,1,......,n)，之后逐点考虑热膨胀量，再将各点移动到膨胀前的位置(x_i',y_i")(i＝0,1,......,n)，之后过这些点插值出三次样条曲线，形成回转体，此回转体就是芯模的外表面；

令：Δy_i＝y_i'-y_i"，从而y_i"'＝y_i-Δy_i，通过n+1个修正点(x_i',y_i"')(i＝0,1,......,n)的三次样条函数方程为：

11.根据权利要求9所述的成型工装，其特征在于，筋槽中心线为膨胀量几何参数经过修正的样条曲线回转型面螺旋线，修正方法是在外轮廓母线方程修正的基础上，利用膨胀固化过程中螺旋线上下端点间的角度差Δθ不变这一性质，得到修正后的样条曲线回转型面螺旋线。

12.根据权利要求11所述的成形工装，其特征在于，在两节点间的区间[x_i'_-1,x_i']之间，修正后的筋槽中心线为经过膨胀量修正的三次样条曲线回转型面上的短程线，且满足：

其中，Δθ'＝Δθ

Δθ'＝Δθ'₁+…+Δθ'_i+…+Δθ'_n

Δθ＝Δθ₁+…+Δθ_i+…+Δθ_n

13.根据权利要求11所述的成形工装，其特征在于，在两节点间的区间[x_i'_-1,x_i']之间，修正后的筋槽中心线为经过膨胀量修正的三次样条曲线回转型面上的等距螺线方程，且满足：

其中，

14.根据权利要求11所述的成形工装，其特征在于，在两节点间的区间[x_i'_-1,x_i']之间，修正后的筋槽中心线为经过膨胀量修正的三次样条曲线回转型面上的等螺旋角螺线方程，且满足：

其中，Δθ'＝Δθ

Δθ'＝Δθ′_等角1+…+Δθ′_等角i+…+Δθ′_等角n

Δθ＝Δθ_等角1+…+Δθ_等角i+…+Δθ_等角n

15.根据权利要求9所述的成形工装，其特征在于，外轮廓面中心线为短程线的双向螺旋筋采用自动化连续缠绕成型，等螺距螺旋筋、等螺旋角螺旋筋采用自动化铺放成型；通过复合材料斜置网格样条曲线回转结构形状实现两件样条曲线回转体复合材料斜置网格结构大端相对的短程线自动化缠绕，中间用柱面螺旋线过渡。

16.根据权利要求15所述的成形工装，其特征在于，短程线自动化缠绕通过以下方式实现：

令样条曲线回转体复合材料斜置网格结构大端半径为R_柱，三次样条曲线回转型面上的短程线在大端处的螺旋角为α_R，则过渡用柱面螺旋线方程：

设两件样条曲线回转体复合材料斜置网格结构大端距离为Δz，设短程线螺旋筋为n根，在Δθ_缠绕＝4×Δθ+2×Δθ_柱、和的约束下，通过调整Δz和n，使n′和n互质，实现纤维丝束在成型工装短程线螺旋筋筋槽内连续缠，其中柱面螺旋线过渡角度Δθ_柱由Δz＝R_柱Δθ_柱cotα_R确定。

17.根据权利要求9所述的成形工装，其特征在于，纤维丝束沿密排螺旋线在工装上以自动铺放的方式实现结构蒙皮的等厚铺放，其中，在两节点间的区间[x_i,x_i+1]之间，三次样条曲线回转型面上的密排螺旋线方程为：

其中调整R₀以得到不同螺旋角的蒙皮铺层。