复合材料外置网格筋承力筒、成型模具及制备方法与流程

1.本发明涉及复合材料应用领域，具体提供一种复合材料外置网格筋承力筒、成型模具及制备方法。


背景技术：

2.碳纤维复合材料是一种综合性能优越的轻量化材料。因此，卫星等航天器的承力筒大多使用碳纤维复合材料制备。碳纤维复合材料外置网格筋承力筒在航空航天结构中具有重要的应用价值，广泛应用于航天器和飞机的承力结构。承力筒作为卫星等航天产品的主要承力件，必须保证其具有较高的刚性。目前提高其刚性多采用在筒体上布置网格状加强筋的方式来实现，其中加强筋分为内置和外置两种具体根据产品的使用要求来确定。当加强筋采用内置时，通常加强筋与筒体的连接采用后胶接来实现，这样会造成筒体和加强筋间无纤维连续层，影响承力筒结构的扭转性能，从而降低了航天产品的使用寿命。
3.碳纤维复合材料外置网格筋承力筒的成型方法，主要有模压成型、真空袋-热压罐成型等，但上述方法各有缺点，真空袋-热压罐成型外置网格筋承力筒内表面粗糙，后期表面加工会损伤纤维，降低产品强度。且上述方法多用于制备净筒或者内置筋承力筒类制件，很少用于制备外置网格筋承力筒件，现有外置网格筋承力筒结构件多为金属结构和复合材料蒙皮外壳与筋经过装配构成的，具有重量大、拼接处力学性能薄弱的缺陷，胶接面容易出现分层缺陷。


技术实现要素：

4.本发明为解决上述问题，提供了一种复合材料外置网格筋承力筒、成型模具及制备方法。
5.本发明提供的复合材料外置网格筋承力筒，包括：
6.壳体蒙皮，其为空心圆筒状结构；
7.上法兰加强区和下法兰加强区，其均为空心圆环状结构，且分别设置在壳体蒙皮的两端开口处；
8.网格筋，其设置在壳体蒙皮的外壁上，网格筋包括环筋和纵筋，环筋沿壳体蒙皮的轴向均匀分布，纵筋与壳体蒙皮的轴线平行，且均匀分布在壳体蒙皮的外壁上；
9.壳体蒙皮、上法兰加强区、下法兰加强区和网格筋均为一体结构，且由纤维和树脂铺设而成，且在纤维和树脂的复合材料中，纤维的体积分数为60％
±
3％。
10.优选的，纤维采用玻璃纤维、石英纤维或高硅氧纤维；树脂采用氰酸酯树脂、环氧树脂或氨酚醛树脂。
11.优选的，每组纤维和树脂的复合材料由5层纤维和树脂的预浸料铺设而成，且铺设角度依次为0
°
、90
°
、+θ
°
、0
°
、-θ
°
，其中，壳体蒙皮的轴向为0
°
，30
°
≤θ
°
≤60
°
，每层的铺设厚度为0.1～0.2mm。
12.一种复合材料外置网格筋承力筒的成型模具，由内向外依次同心设置有：筒芯、芯
模、外分瓣和加压筒；
13.筒芯为圆柱状，用于挤压复合材料外置网格筋承力筒的内壁；
14.芯模与外分瓣连接，芯模包括多个金属块，金属块为铝合金材质，其余结构均为碳钢材质，金属块间的缝隙用于网格筋的挤压成型；
15.外分瓣至少为两块，外分瓣的四周设置有预压板和预压顶丝，在挤压合模过程中，预压顶丝用于对网格筋进行预压成型；
16.加压筒用于对外分瓣施加垂直于轴向的压力，在加压筒的下端连接有底板，底板的上表面设置有第一限位结构，避免对复合材料外置网格筋承力筒的挤压过度，造成其壳体蒙皮过薄；底板与加压筒的连接处等间距留有观察间隙，用于观察复合材料外置网格筋承力筒与底板间的距离；
17.在加压筒的上端连接有上盖板，上盖板通过定位销与底板同轴连接，上盖板的下表面设置有第二限位结构，避免挤压合模过程中外分瓣发生倾斜；
18.底板和上盖板上均设有合模间隙观察孔，用于观察成型模具对复合材料外置网格筋承力筒的挤压成型情况。
19.优选的，加压筒的表面上设置有螺纹通孔，侧面加压螺丝与螺纹通孔锁紧，侧面加压螺丝的顶端通过螺纹通孔对外分瓣施加垂直于轴向的压力。
20.优选的，外分瓣为4块。
21.优选的，上盖板和底板上开有通孔，用于容纳定位销，定位销为两个。
22.一种复合材料外置网格筋承力筒的制备方法，利用复合材料外置网格筋承力筒的成型模具加工复合材料外置网格筋承力筒，具体包括以下步骤：
23.s1、将筒芯固定在底板上，安置下法兰加强区及壳体蒙皮；
24.s2、按照待加工网格筋的形状铺放金属块，并将铺放完金属块的芯模固定在外分瓣上，并将纤维和树脂的预浸料每五层为一组铺放在金属块的缝隙中，每组的铺设角度依次为0
°
、90
°
、+θ
°
、0
°
、-θ
°
，其中，壳体蒙皮的轴向为0
°
，30
°
≤θ
°
≤60
°
，每层的铺设厚度为0.2mm，并通过预压板和预压顶丝对金属块的缝隙中的纤维和树脂的预浸料进行分区预压成型，分区预压成型后取下预压顶丝；
25.s3、组装筒芯和固定有芯模的外分瓣，加压筒通过侧面加压螺丝对金属块施加垂直于轴向的压力，侧面加压螺丝旋入长度相同；
26.s4、铺放上法兰加强区，安装上盖板，并插入定位销，防止上盖板与底板错位；将轴向加压螺丝旋入外分瓣上下两端的预压板上的螺纹孔；
27.s5、将轴向加压螺丝和侧面加压螺丝旋入加压，并通过合模间隙观察孔和观察间隙判断挤压合模情况；
28.s6、进行加热固化，加热温度为110℃～150℃，加热时间为2～4小时；
29.s7、冷却至40℃以下进行脱模，即完成复合材料外置网格筋承力筒的制备。
30.优选的，安装上盖板时，先将侧面加压螺丝旋出1～2扣，避免侧面加压螺丝对外分瓣加压过大导致上盖板安装困难。
31.优选的，可通过更换不同厚度及大小的金属块加工出满足不同需求的网格筋。
32.与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
33.本发明的成型模具为金属材料制成，表面光滑，尺寸精度高，产品成型后的复合材
料外置网格筋承力筒内腔表面状态光滑，且内腔尺寸可以得到精确控制，后期表面加工不会损伤纤维，避免了因后期加工降低复合材料外置网格筋承力筒的强度的情况。本发明的成型模具造价低廉，且可制作不同尺寸的复合材料外置网格筋承力筒。
34.本发明的制备方法采用壳体蒙皮与网格筋一体加工制备，避免了传统的复合材料壳体蒙皮净筒与网格筋的后期拼接，不会发生拼接处力学性能薄弱及胶接面容易出现分层缺陷等问题。
附图说明
35.图1是根据本发明实施例提供的复合材料外置网格筋承力筒的结构图；
36.图2是根据本发明实施例提供的复合材料外置网格筋承力筒的成型模具的结构图；
37.图3是根据本发明实施例提供的复合材料外置网格筋承力筒的成型模具的剖视图；
38.图4是根据本发明实施例提供复合材料外置网格筋承力筒的制备方法的流程图；
39.图5是根据本发明实施例提供的单个外分瓣上分区预压成型的结构图。
40.其中的附图标记包括：
41.壳体蒙皮1、上法兰加强区2、下法兰加强区3、网格筋4、环筋41、纵筋42；
42.筒芯110、芯模120、外分瓣130、加压筒140、上盖板150、底板160、定位销170、预压板180、预压顶丝190、观察间隙200、合模间隙观察孔210、侧面加压螺丝孔220、轴向加压螺丝孔230。
具体实施方式
43.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
44.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
45.图1示出了根据本发明实施例提供的复合材料外置网格筋承力筒的结构。
46.如图1所示，本发明实施例提供的复合材料外置网格筋承力筒，时通过纤维和树脂的预浸料铺放工艺一体成型制成，预浸料中的纤维可采用玻璃纤维、石英纤维、高硅氧纤维或碳纤维中的一种；预浸料中的树脂可采用氰酸脂树脂、环氧树脂、氨酚醛树脂、双马来酰胺树脂、聚酰亚胺树脂或邻苯二甲氰树脂中的一种。纤维的体积分数为60％
±
3％。
47.复合材料外置网格筋承力筒，包括：壳体蒙皮1、上法兰加强区2、下法兰加强区3和网格筋4，其中：
48.壳体蒙皮1为空心圆筒状结构，在壳体蒙皮1的轴向两端开口处设置有上法兰加强区2和下法兰加强区3，上法兰加强区2和下法兰加强区3均为空心圆环状结构。壳体蒙皮1的内表面为光滑状态，在壳体蒙皮1的外表面上设置有网格筋4，网格筋4包括环筋41和纵筋42，环筋41沿壳体蒙皮1的轴向均匀分布；纵筋42与壳体蒙皮1的轴线平行，且纵筋42均匀分
布在壳体蒙皮1的外壁上。
49.复合材料外置网格筋承力筒的壳体蒙皮1、上法兰加强区2、下法兰加强区3和网格筋4均为一体结构，复合材料外置网格筋承力筒采用多组纤维和树脂的复合材料铺设而成，每组纤维和树脂的复合材料由5层纤维和树脂的预浸料铺设而成，定义壳体蒙皮1的轴向为0
°
，铺设角度依次为0
°
、90
°
、45
°
、0
°
、-45
°
，单层预浸料的铺设厚度为0.2mm，对于单层0
°
方向的热胀系数为a1，-1
×
10-6
/k＜a1＜1
×
10-6
/k，单层90
°
方向的热胀系数为a2，15
×
10-6
/k＜a2＜35
×
10-6
/k，k为温度常数。
50.本发明实施例的复合材料外置网格筋承力筒无需对内壁进行表面加工，且采用壳体蒙皮与网格筋一体加工制备，避免了传统的复合材料壳体蒙皮净筒与网格筋的后期拼接，不会产生拼接处力学性能薄弱及胶接面容易出现分层缺陷等问题。
51.图2示出了根据本发明实施例提供的复合材料外置网格筋承力筒的成型模具的结构。
52.图3示出了根据本发明实施例提供的复合材料外置网格筋承力筒的成型模具的剖视结构。
53.图5示出了根据本发明实施例提供的单个外分瓣上分区预压成型的结构。
54.如图2、图3和图5所示，本发明实施例提供的复合材料外置网格筋承力筒的成型模具，由内向外依次同心设置有：筒芯110、芯模120、外分瓣130、加压筒140，还包括上盖板150、底板160和定位销170。
55.筒芯110为空心圆柱，其用于挤压复合材料外置网格筋承力筒的内壁，在纤维和树脂的预浸料铺设时，即将纤维和树脂的预浸料铺设在筒芯110侧面。
56.芯模120设置在筒芯110的外侧，与筒芯110共同完成挤压合模，芯模120由大小相同的多个金属块组成，在复合材料外置网格筋承力筒的成型模具中，金属块采用铝合金材质，其他结构均采用碳钢材料，铝合金的热胀系数相对较大，使得网格筋4更加密实，金属块安置排列时，金属块间的缝隙用于网格筋4的挤压成型，芯模120的外侧与外分瓣130连接。
57.外分瓣130包括4个，分为4个预压成型区，并设有相互限位的直口结构，直口结构互相限位，同时防止加压固化过程中预浸料溢出；外分瓣130的四周预留预压工装压板安装孔，外分瓣130的四周设置有预压板180和预压顶丝190，预压顶丝190与预压板180螺纹连接，预压顶丝190的顶端顶在边缘的金属块侧边，芯模120可在每个外分瓣130上对网格筋4进行预压成型。
58.加压筒140设置在外分瓣130的外侧，加压筒140的侧面对应金属块位置开有螺纹孔，侧面加压螺丝可通过该通孔旋入，外分瓣130施加垂直于轴向的压力，外分瓣130再对金属块进行加压。在加压筒140的下端连接有底板160，底板160的上表面设置有第一限位结构，避免挤压合模过程中对复合材料外置网格筋承力筒的挤压过度，造成其壳体蒙皮1过薄；底板160与加压筒140的连接处等间距留有观察间隙200，用于观察复合材料外置网格筋承力筒与底板160间的距离。
59.在加压筒140的上端连接有上盖板150，上盖板150和底板160上开有通孔，用于容纳定位销170，定位销170为两个，上盖板150通过定位销170与底板160同轴连接，上盖板150的下表面设置有第二限位结构，避免挤压合模过程中外分瓣130发生倾斜，底板160和上盖板150上均设有合模间隙观察孔210，用于观察成型模具对复合材料外置网格筋承力筒的挤
压成型情况。
60.图4示出了根据本发明实施例提供复合材料外置网格筋承力筒的制备方法的流程。
61.如图4和图5所示，本发明实施例提供的复合材料外置网格筋承力筒的制备方法，利用复合材料外置网格筋承力筒的成型模具加工复合材料外置网格筋承力筒，具体包括以下步骤：
62.s1、准备复合材料外置网格筋承力筒的成型模具，将筒芯110固定在底板160上，铺放下法兰加强区3及壳体蒙皮1，由4组纤维和树脂的复合材料铺设而成，每组纤维和树脂的复合材料由5层纤维和树脂的预浸料铺设而成，规定壳体蒙皮1的轴向为0
°
，第一层的铺设角度为0
°
，并按照0
°
、90
°
、45、0
°
、-45
°
的铺层顺序在筒芯110上铺放碳纤维和环氧树脂的预浸料，预浸料的单层厚度为0.2mm，此外，铺设角度可依次为0
°
、90
°
、+θ
°
、0
°
、-θ
°
，30
°
≤θ
°
≤60
°
，每层的铺设厚度可为0.1～0.2mm，在铺设角度90
°
的层使用10mm～20mm宽度的细条预浸料进行缠绕，在拐角处需尽量保证纤维连续，并在上法兰加强区2处留有预留预浸料。
63.s2、按照待加工网格筋4的形状在外分瓣130上铺放金属块，并通过螺丝将铺放完金属块的芯模固定在外分瓣130上，并将碳纤维和环氧树脂的预浸料每五层为一组按照0
°
、90
°
、45、0
°
、-45
°
的铺层顺序铺放在金属块的缝隙中，并通过预压板180和预压顶丝190对金属块的缝隙中的碳纤维和环氧树脂的预浸料进行分区预压成型，将预压顶丝190旋入挤压金属块，经一段时间后即可完成分区预压成型，使网格筋4预成型，分区预压成型后取下预压顶丝。
64.s3、四块外分瓣130分区利用预压工装将芯模120从中间向两侧单列组装在筒芯110上，组装后使用细条预浸料补平芯模120对接的网格筋处，修补后略高于芯模120的弧面。加压筒140通过侧面加压螺丝对金属块施加垂直于轴向的压力，侧面加压螺丝旋入长度相同，保证外分瓣130受力均匀。
65.s4、组装后将铺放下法兰加强区3及壳体蒙皮1时预留的预浸料翻到上法兰加强区3处，并按照上法兰加强区3的理论厚度利用预浸料铺放上法兰加强区3。安装上盖板150，将侧面加压螺丝均匀退出1～2扣，避免加压筒140对外分瓣130加压过大导致上盖板150安装困难，插入定位销170，防止上盖板150与底板160错位，并将轴向加压螺丝旋入外分瓣130上下两端面的预压板180上的螺纹孔，即分区预压成型时，预压顶丝190连接的螺纹孔。
66.s5、将轴向加压螺丝和侧面加压螺丝旋入加压，并通过合模间隙观察孔和观察间隙判断挤压合模情况。
67.如图2所示，侧面加压螺丝和轴向加压螺丝固定在侧面加压螺丝孔220轴向加压螺丝孔230。
68.s6、进行加热固化，加热温度为110℃～150℃，加热时间为2～4小时；
69.s7、冷却至40℃以下进行脱模，即完成复合材料外置网格筋承力筒的制备。
70.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
71.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范
围内。

技术特征：
1.一种复合材料外置网格筋承力筒，其特征在于，包括：壳体蒙皮，其为空心圆筒状结构；上法兰加强区和下法兰加强区，其均为空心圆环状结构，且分别设置在所述壳体蒙皮的两端开口处；网格筋，其设置在所述壳体蒙皮的外壁上，所述网格筋包括环筋和纵筋，所述环筋沿所述壳体蒙皮的轴向均匀分布，所述纵筋与所述壳体蒙皮的轴线平行，且均匀分布在所述壳体蒙皮的外壁上；所述壳体蒙皮、所述上法兰加强区、所述下法兰加强区和所述网格筋均为一体结构，且由纤维和树脂铺设而成，且在纤维和树脂的复合材料中，纤维的体积分数为60％
±
3％。2.如权利要求1所述的复合材料外置网格筋承力筒，其特征在于，纤维采用玻璃纤维、石英纤维或高硅氧纤维；树脂采用氰酸酯树脂、环氧树脂或氨酚醛树脂。3.如权利要求1所述的复合材料外置网格筋承力筒，其特征在于，每组纤维和树脂的复合材料由5层纤维和树脂的预浸料铺设而成，且铺设角度依次为0
°
、90
°
、+θ
°
、0
°
、-θ
°
，其中，所述壳体蒙皮的轴向为0
°
，30
°
≤θ
°
≤60
°
，每层的铺设厚度为0.1～0.2mm。4.一种如权利要求1所述的复合材料外置网格筋承力筒的成型模具，其特征在于，由内向外依次同心设置有：筒芯、芯模、外分瓣和加压筒；所述筒芯为圆柱状，用于挤压复合材料外置网格筋承力筒的内壁；所述芯模与所述外分瓣连接，所述芯模包括多个金属块，所述金属块为铝合金材质，其余结构均为碳钢材质，所述金属块间的缝隙用于网格筋的挤压成型；所述外分瓣至少为两块，所述外分瓣的四周设置有预压板和预压顶丝，在挤压合模过程中，所述预压顶丝用于对网格筋进行预压成型；所述加压筒用于对所述外分瓣施加垂直于轴向的压力，在所述加压筒的下端连接有底板，所述底板的上表面设置有第一限位结构，避免对复合材料外置网格筋承力筒的挤压过度，造成其壳体蒙皮过薄；所述底板与所述加压筒的连接处等间距留有观察间隙，用于观察复合材料外置网格筋承力筒与所述底板间的距离；在所述加压筒的上端连接有上盖板，所述上盖板通过定位销与所述底板同轴连接，所述上盖板的下表面设置有第二限位结构，避免挤压合模过程中所述外分瓣发生倾斜；所述底板和所述上盖板上均设有合模间隙观察孔，用于观察成型模具对复合材料外置网格筋承力筒的挤压成型情况。5.如权利要求4所述的复合材料外置网格筋承力筒的成型模具，其特征在于，所述加压筒的表面上设置螺纹通孔，侧面加压螺丝与所述螺纹通孔锁紧，所述侧面加压螺丝的顶端通过所述螺纹通孔对所述外分瓣施加垂直于轴向的压力。6.如权利要求4所述的复合材料外置网格筋承力筒的成型模具，其特征在于，所述外分瓣为4块。7.如权利要求4所述的复合材料外置网格筋承力筒的成型模具，其特征在于，所述上盖板和所述底板上开有通孔，用于容纳所述定位销，所述定位销为两个。8.一种如权利要求1所述的复合材料外置网格筋承力筒的制备方法，其特征在于，利用权利要求4～7任意一项所述的复合材料外置网格筋承力筒的成型模具加工复合材料外置网格筋承力筒，具体包括以下步骤：
s1、将筒芯固定在底板上，安置下法兰加强区及壳体蒙皮；s2、按照待加工网格筋的形状铺放金属块，并将铺放完所述金属块的芯模固定在外分瓣上，并将纤维和树脂的预浸料每五层为一组铺放在所述金属块的缝隙中，每组的铺设角度依次为0
°
、90
°
、+θ
°
、0
°
、-θ
°
，其中，所述壳体蒙皮的轴向为0
°
，30
°
≤θ
°
≤60
°
，每层的铺设厚度为0.2mm，并通过预压板和预压顶丝对所述金属块的缝隙中的纤维和树脂的预浸料进行分区预压成型，分区预压成型后取下所述预压顶丝；s3、组装所述筒芯和固定有所述芯模的所述外分瓣，加压筒通过侧面加压螺丝对所述金属块施加垂直于轴向的压力，所述侧面加压螺丝旋入长度相同；s4、铺放上法兰加强区，安装上盖板，并插入定位销，防止上盖板与底板错位；将轴向加压螺丝旋入所述外分瓣上下两端的预压板上的螺纹孔；s5、将所述轴向加压螺丝和所述侧面加压螺丝旋入加压，并通过合模间隙观察孔和观察间隙判断挤压合模情况；s6、进行加热固化，加热温度为110℃～150℃，加热时间为2～4小时；s7、冷却至40℃以下进行脱模，即完成复合材料外置网格筋承力筒的制备。9.如权利要求8所述的复合材料外置网格筋承力筒的制备方法，其特征在于，安装所述上盖板时，先将所述侧面加压螺丝旋出1～2扣，避免所述侧面加压螺丝对所述外分瓣加压过大导致所述上盖板安装困难。10.如权利要求8所述的复合材料外置网格筋承力筒的制备方法，其特征在于，可通过更换不同厚度及大小的所述金属块加工出满足不同需求的网格筋。

技术总结
本发明提供一种复合材料外置网格筋承力筒、成型模具及制备方法，承力筒采用金属成型模具通过挤压合模一体制成，利用纤维和树脂的预浸料按照设定的铺设角度进行铺设，制备时主要通过预挤压成型和挤压合模进行一体化制备。本发明克服了净筒成型后与L形筋拼接成一体的方式或者传统金属结构工序复杂，不会出现拼接处力学性能薄弱及胶接面容易分层缺陷等问题，本发明的复合材料外置网格筋承力筒具有更好的力学性能，且质量更加轻量化，结构稳定性更好，能更好的满足航空航天的性能需求。能更好的满足航空航天的性能需求。能更好的满足航空航天的性能需求。


技术研发人员：邹志伟 迟贺 曹延君 秦闯 王宏禹 乐强 孟凡壹 李志超 冯昌青
受保护的技术使用者：长春长光宇航复合材料有限公司
技术研发日：2023.01.18
技术公布日：2023/5/5