一種半封閉腔體網(wǎng)格蒙皮結(jié)構(gòu)復合材料成型模具和方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種成型模具和方法，特別是設及一種網(wǎng)格蒙皮結(jié)構(gòu)復合材料成型模 具和方法。
【背景技術】
[0002] 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復合材料具有良好的幾何拓撲優(yōu)化性、結(jié)構(gòu)承載力高、結(jié)構(gòu)抗屈曲能力 強、高比強度和比剛度等特點，顯示出無可比擬的應用前景，在航空航天領域得到廣泛地關 注與應用。
[0003] 國外對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的研究較早，CRISMB于1981年制造了俄羅斯第一個復合材料網(wǎng)格 結(jié)構(gòu)實驗級間件，該筒體直徑為1.3m，長1.4m。經(jīng)過幾年的發(fā)展，成功研制了直徑為4.2m，長 度為8m的航天用圓筒網(wǎng)格結(jié)構(gòu)制品。美國空軍試驗室在彈道導彈防御組織的聯(lián)合試驗計劃 中對成功地對網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)整流罩進行了設計、制造和飛行試驗，此整流罩比侶質(zhì)整流罩 輕60%。日本國家宇航開發(fā)事業(yè)團將碳纖維增強的Ξ角形網(wǎng)格圓筒應用與H-2運載火箭的 第Ξ級結(jié)構(gòu)。
[0004] 國內(nèi)對復合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的研究起步晚，與俄羅斯、美國等航天大國相比，技術和 工藝上均不夠成熟。航天材料及工藝研究所采用手工鋪設的方式相繼研制出具有蒙皮-網(wǎng) 格結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，西安航天復合材料研究所采用纏繞網(wǎng)格成型工藝成功研制了多種帶蒙皮和 不帶蒙皮的網(wǎng)格復合材料筒形件。哈爾濱玻璃鋼研究院、國防科技大學也進行了大量研究 工作，并取得初步成功。
[0005] W上研究中的復合材料件的結(jié)構(gòu)特點是圓柱筒形，運種圓筒形復合材料結(jié)構(gòu)件的 蒙皮具有可展開的特點，筋條的成型方法通常是縱向筋條和環(huán)向筋條的纏繞。而對于蒙皮 非可展的半封閉腔體空間曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)件、具有經(jīng)向和締向的筋條W及帶有端框增厚區(qū)的 結(jié)構(gòu)件則無法成型。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明要解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術不足，提供一種對蒙皮非可展的半封 閉腔體空間曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)件成型的模具和方法，該模具和方法制作的結(jié)構(gòu)件具有經(jīng)向和締 向的筋條W及端框增厚區(qū)，強度高，網(wǎng)格密實度高。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術方案是：
[000引一種半封閉腔體網(wǎng)格蒙皮結(jié)構(gòu)復合材料成型模具，包括忍模襯、陽模、外陰模和下 端壓環(huán);忍模襯、陽模和外陰模均為下端開口且向外突出的曲面殼體;下端壓環(huán)為環(huán)形，與 忍模襯的下端和外陰模的下端相連接；陽模包在忍模襯外，陽模內(nèi)表面與忍模襯外表面貼 合，陽模外表面上設有沿經(jīng)向和締向排列的陣列突起，突起之間的縫隙連成筋槽，所述筋槽 包括沿經(jīng)向的縱向筋槽和沿締向的環(huán)向筋槽，所述陽模由2片及W上分瓣模片拼接而成;外 陰模包在陽模外，與陽模不接觸;外陰模與陽模在陣列突起的兩端分別形成上端增厚區(qū)和 下端增厚區(qū)。
[0009] 所述突起在陽模外表面3°~6°締線之間，所述a為20~30,所述b為70~85。
[0010] 所述曲面殼體為半球形殼體或者半楠球形殼體。
[0011] 所述陽模為娃橡膠材料。
[0012] 所述突起為梯形六面體，所述筋槽的截面為倒梯形。
[OOU]所述筋槽的深度為5~10mm。
[0014] -種利用前述模具進行半封閉腔體網(wǎng)格蒙皮結(jié)構(gòu)復合材料成型的方法，包括W下 步驟：
[0015] S1、將所述忍模襯的下端固定在下端壓環(huán)上；
[0016] S2、將陽模的各分瓣模片包在忍模襯外；
[0017] S3、在上端增厚區(qū)和下端增厚區(qū)分別鋪放一層預浸料，形成上端框和下端框；
[0018] S4、分別繞縱向筋槽和環(huán)向筋槽纏繞鋪放一層預浸絲，形成網(wǎng)狀的加強筋；
[0019] S5、重復步驟S3和步驟S4，直至鋪層的厚度與突起的高度平齊；
[0020] S6、對預浸絲和預浸料進行吸膠預壓實處理；
[0021] S7、在陽模表面鋪放蒙皮，蒙皮厚度滿足使蒙皮填充在陽模和外陰模之間；
[0022] S8、對步驟S7所鋪完蒙皮后的模具進行吸膠預壓實處理；
[0023] S9、將外陰模包在蒙皮外表面，下端固定在下端壓環(huán)上，用熱壓罐固化工藝實現(xiàn)對 預浸絲、預浸料和蒙皮的共固化；
[0024] S10、依次拆除外陰模、下端壓環(huán);再將忍模襯拔出，將分瓣模片向內(nèi)部拔出，得到 復合材料成型結(jié)構(gòu)件。
[0025] 所述步驟S5中，當鋪層厚度為突起高度1/2或2Λ時，還對預浸絲和預浸料進行吸 膠預壓實處理。
[00%] 所述步驟S6或步驟S8中所述吸膠處理的吸膠溫度為50~90°C，升溫速率為10~50 °C A，吸膠壓力為0.2~0.8MPa，吸膠時間為30~90min。
[0027] 所述步驟S9中最終固化溫度為100~200°C，升溫速率為10~50°C/h，固化壓力為 0.5~1.01口曰，固化時間為10~15}1。
[0028] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：
[0029] 1)本發(fā)明所述的半封閉腔體網(wǎng)格蒙皮結(jié)構(gòu)復合材料成型模具，所述的陽模設有上 端增厚區(qū)和下端增厚區(qū)，有利于實現(xiàn)半封閉腔體端框的鋪層。本發(fā)明適用制作一種半封閉 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格蒙皮結(jié)構(gòu)復合材料結(jié)構(gòu)件，制成的構(gòu)件具有半封閉腔體端框、非可展蒙皮。該結(jié)構(gòu) 特點使其具備良好的抗損傷能力，對缺陷不敏感，重量輕，強度高，對結(jié)構(gòu)破壞具有延性特 征，結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力強，通過引入功能性的材料，可作為能量吸收裝置。運類型的結(jié)構(gòu)形 式在變截面的曲面承載容器、具有空間變曲率的運載火箭的減震裝置，W及有效載荷承接 管等方面具有廣泛的應用前景。
[0030] 2)所用的陽模為娃橡膠分瓣模，可W有效地解決腔體小網(wǎng)格的固定和加工問題； 娃橡膠分瓣模的大膨脹系數(shù)有利于半封閉腔體構(gòu)件在常溫下的脫模;娃橡膠的柔軟和易變 性的特性，能夠有效地解決對網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)筋條壓力的施加及脫模問題，利用娃橡膠模傳 遞壓力吸膠，有效地保證了網(wǎng)格筋條的含膠量和密度，確保了半封閉腔體網(wǎng)格蒙皮結(jié)構(gòu)復 合材料結(jié)構(gòu)件中具有較高的纖維體積含量和較低的孔隙率，產(chǎn)品網(wǎng)格密實度高，不易產(chǎn)生 缺陷。
[0031] 3)本發(fā)明所述的半封閉腔體網(wǎng)格蒙皮結(jié)構(gòu)復合材料成型方法中網(wǎng)格筋條采用纏 繞成型，纏繞成型中的張力有效地約束娃橡膠對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復合材料產(chǎn)生的壓力，網(wǎng)格將強 筋和端框的交替鋪放可實現(xiàn)半封閉腔體端框增厚區(qū)的鋪層及網(wǎng)格加強筋和端框過渡的問 題。
[0032] 4)針對傳統(tǒng)的手工鋪層難W保證其成型空間不可展形面等厚度成型的問題，本發(fā) 明所述的半封閉腔體網(wǎng)格蒙皮結(jié)構(gòu)復合材料成型方法可W有效地解決半封閉腔體端框、非 可展蒙皮對外形面精度和鋪層厚度高精度要求的問題。
【附圖說明】
[0033] 圖1半封閉腔體網(wǎng)格蒙皮結(jié)構(gòu)復合材料成型模具剖面圖；
[0034] 圖2上段分瓣模片；
[0035] 圖3下段分瓣模片；
[0036] 圖4半封閉腔體網(wǎng)格蒙皮結(jié)構(gòu)復合材料成型工藝示意圖；
[0037] 圖5上端增厚區(qū)鋪層與筋條纏繞循環(huán)交替鋪層示意圖；
[0038] 圖6下端增厚區(qū)鋪層與筋條纏繞循環(huán)交替鋪層示意圖；
[0039] 圖7吸膠、固化包封示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 如圖1所示，一種半封閉腔體網(wǎng)格蒙皮結(jié)構(gòu)復合材料成型模具，包括忍模襯1、陽模 2、外陰模3和下端壓環(huán)4。忍模襯1為與所要制作的半封閉腔體構(gòu)件形狀一致的下端開口且 向外突出的曲面殼體，如半球殼體或半楠球殼體。本實施例中為半球形殼體，陽模2包在忍 模襯1外，陽模2內(nèi)表面與忍模襯1外表面貼合。陽模2包括8片分瓣模片，所有分瓣模片拼接 成一個半球殼體;本實施例中沿經(jīng)線分為4部分，沿締線分為2部分。陽模2在締線a°~b°之 間設有突起，a為20~30，b為70~85，突起之間形成筋槽，筋槽包括沿經(jīng)向的縱向筋槽7和締 向的環(huán)向筋槽6。突起可W為梯形六面體，筋槽的截面可W為倒梯形，筋槽的深度為5~ 10mm。外陰模3為半球殼體，包在陽模2夕h外陰模3的內(nèi)表面與陽模2的外表面的距離為1~ 5mm。外陰模3與陽模2在沒有突起的半球殼體頂部區(qū)域形成上端增厚區(qū)5,沒有突起的半球 殼體最大圓周周圍形成下端增厚區(qū)8,上端增厚區(qū)5和下端增厚區(qū)8用于鋪預浸料從而形成 端框，分別是上端框和下端框，筋槽用于纏繞預浸絲從而形成加強筋，加強筋包括縱向筋槽 7處形成的徑向加強筋和環(huán)向筋槽6處形成的締向加強筋。所述締線是繞曲面殼體一周、長 度不等的圓圈，締線的所在平面與下端開口平行。所述經(jīng)線是與締線垂直、從曲面殼體頂端 延伸至下端開口處的線。締線度數(shù)的定義可參照地球締線度數(shù)的定義，下端開口處的締線 為0度，頂端的締線為一個點，為90度締線。半球殼體的經(jīng)線和締線分別和地球的經(jīng)線和締 線相同。
[0041] 下端壓環(huán)4為圓環(huán)形，模襯1和外陰模3的最大圓周固定在下端壓環(huán)4上，下端壓環(huán)4 對忍模襯1和外陰模3起支撐作用。忍模襯1為鋼，也可W為其他金屬材料，陽模2為娃橡膠材 料，外陰模3為侶，也可W為其他金屬材料。
[0042] 陽模2在締線上至少被分為2部分，在經(jīng)