一种复合材料高耐撞性圆筒结构成型方法与流程

本发明属于复合材料设计制作领域，特别涉及一种复合材料高耐撞性圆筒结构成型方法。

背景技术：

结构耐撞性研究是通过牺牲特定结构、吸收碰撞能量来提高运输系统的碰撞抵抗能力，从而保护乘员及货物的安全。为了达到保证生存空间、降低过载和冲击力的目的，一个重要途径就是采用轻质、高强、高比吸能的材料和结构作为能量耗散装置。为使碰撞能以可控、可预见的方式耗散，耐撞性结构应保证破坏模式应当稳定，具有可重复性和可靠性，即在随机的碰撞事件中能以相对固定的破坏形式耗散碰撞能量，同时要求碰撞动能能够不可逆地耗散；吸能过程无次生破坏(如碎片飞溅)。

纤维增强树脂基复合材料与金属材料相比，具有高比强，高比刚度、耐腐蚀，强度可设计、结构稳定性好以及便于大面积整体成型等优点，受到航空航天领域和汽车工业的青睐。复合材料的性能非常适合交通系统轻量化的要求，降低油耗。而复合材料只是被局限的应用与交通系统的座椅，内饰，外蒙皮等非承力构件中，造成减重效果的局限性。近年来通过对复合材料耐撞性的研究发现，同样厚度下的复合材料零件比传统钢制零件的吸能效果好的多。因此设计一种结构简单的高耐撞性复合材料构件，可以进一步推广复合材料在交通系统中的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种复合材料高耐撞性圆筒结构成型方法，以解决复合材料使用的局限性问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合材料高耐撞性圆筒结构成型方法，包括以下步骤：

步骤一：设定要成型的结构高度，使用分切机将复合材料分切成矩形条带，并保证矩形条带的宽度大于所设定的结构高度；

步骤二：将分切后的矩形条带沿长中线分切为两半，对分切为两半的矩形条带进行多次平行切割，切割轨迹线与矩形条带的边呈固定夹角，且每条切割轨迹线之间的间距相同；

步骤三：裁剪完成后将两块矩形条带堆叠，同时保证切割轨迹线不重叠；压实后将其缠绕到圆柱形芯模上，形成圆筒结构预成型体；

步骤四：将上述加工完成的圆筒结构预成型体放入真空热压罐中，用真空热压罐对圆筒结构预成型体进行升温加热处理，固化完成后自然冷却至室温完成圆筒结构预成型体固化加工，取出圆柱形芯模，形成复合材料高耐撞性圆筒结构。

进一步的，其特征在于，缠绕后圆筒结构的厚度与结构高度的比值大于等于0.015，矩形条带的分切长度应大于π×d×0.015×l，其中d为成型后圆筒内径，l为成型后圆筒高度。

进一步的，步骤二所述的切割方式为圆滚刀切割或虚线切割刀或超声波切割。

进一步的，圆柱形芯模的高度大于或等于堆叠后的复合材料的宽度。

进一步的，复合材料中的纤维为玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的一种纤维或多种纤维的混合纤维；复合材料材料形式为干纤维或预浸带纤维。

进一步的，当选用预浸带复合材料时采用热压罐工艺进行固化；当使用干纤维铺放时，固化采用为rtm成型固化设备或rfi固化工艺。

进一步的，制备的圆筒结构能够单独使用或若干个圆筒结构均匀垂直设置在两个板材之间组成吸能组件。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明所设计的复合材料高耐撞性圆筒与同样结构的金属材料相比，具有材质轻、强度高、高吸能、耐腐蚀的特点，从而具有更高的耐撞性，在碰撞过程中可以吸收更多的能量，同时吸能过程中不会产生材料飞溅，无次生破坏。

本发明的复合材料高耐撞性圆筒制作工艺简单，可设计性强，结构稳定耐腐蚀，可广泛应用于汽车、船体、飞行器等领域，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为使用圆滚刀切割后的预浸料示意图；

图2为使用虚线切割刀切割后的预浸料示意图；

图3为圆滚刀主视图；

图4为虚线切割刀主视图；

图5为将预浸料缠绕到模具表面示意图；

图6为成型后的圆筒示意图；

图7为排列后的吸能组件。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明进一步说明：

请参阅图1至图7，一种复合材料高耐撞性圆筒结构成型方法，包括以下步骤：

步骤一：设定要成型的结构高度，使用分切机将复合材料分切成矩形条带，并保证矩形条带的宽度大于所设定的结构高度；

步骤二：将分切后的矩形条带沿长中线分切为两半，对分切为两半的矩形条带进行多次平行切割，切割轨迹线与矩形条带的边呈固定夹角，且每条切割轨迹线之间的间距相同；

步骤三：裁剪完成后将两块矩形条带堆叠，同时保证切割轨迹线不重叠；压实后将其缠绕到圆柱形芯模上，形成圆筒结构预成型体；

步骤四：将上述加工完成的圆筒结构预成型体放入真空热压罐中，用真空热压罐对圆筒结构预成型体进行升温加热处理，固化完成后自然冷却至室温完成圆筒结构预成型体固化加工，取出圆柱形芯模，形成复合材料高耐撞性圆筒结构。

缠绕后圆筒结构的厚度与结构高度的比值大于等于0.015，矩形条带的分切长度应大于π×d×0.015×l，其中d为成型后圆筒内径，l为成型后圆筒高度。

步骤二所述的切割方式为圆滚刀切割或虚线切割刀或超声波切割。

圆柱形芯模的高度大于或等于堆叠后的复合材料的宽度。

复合材料中的纤维为玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的一种纤维或多种纤维的混合纤维；复合材料材料形式为干纤维或预浸带纤维。

当选用预浸带复合材料时采用热压罐工艺进行固化；当使用干纤维铺放时，固化采用为rtm成型固化设备或rfi固化工艺。

制备的圆筒结构能够单独使用或若干个圆筒结构均匀垂直设置在两个板材之间组成吸能组件。

实施例1：

本实例采用热固性碳纤维预浸带材料。

具体步骤为：

1)设定要成型的结构高度，使用分切机将大块的复合材料原料分切成一定宽度的矩形条带，并保证宽度大于所设定的结构高度。为保证缠绕后的厚度与结构高度的比值大于等于0.015，分切长度应大于π×d×0.015×l，其中d为成型后圆筒内径，l为成型后圆筒高度。

2)将分切后的复合材料布沿中线分切为两半，参见图3和图4，使用圆滚刀或虚线切割刀，沿斜线进行多次平行切割，切割形式如图1和图2所示，保证每条连续切割线之间的间距一致。

3)参见图5所示，裁剪完成后将两部分纤维布堆叠，同时保证切割部分不重叠，压实后将其缠绕到圆形芯模上。

4)复合材料圆筒固化。将上述加工完成的碳纤维预成型体放入真空热压罐中，首先升温到80℃保温30分钟，然后升温到130℃保温2个小时，其升温时间为3分钟，最后随炉冷却至室温完成固化加工。

采用如上述制作方法制成的最终非连续铺层圆筒结构，如图6所示，在随机的碰撞事件中能以渐进破坏的形式耗散更多碰撞能量，与传统连续铺层圆筒结构相比，其吸能性能提高了50％以上，能够有效控制碰撞力和减速度。

本发明不受上述实例的限制，上述实施案例和说明书中描述的只是用来说明本发明的原理，在实际使用过程中可以单独使用，也可以以一定形式排列后组成吸能组件，如图7所示。