一种半封闭腔体网格蒙皮结构复合材料成型模具和方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种成型模具和方法，特别是设及一种网格蒙皮结构复合材料成型模 具和方法。
【背景技术】
[0002] 网格结构复合材料具有良好的几何拓扑优化性、结构承载力高、结构抗屈曲能力 强、高比强度和比刚度等特点，显示出无可比拟的应用前景，在航空航天领域得到广泛地关 注与应用。
[0003] 国外对网格结构的研究较早，CRISMB于1981年制造了俄罗斯第一个复合材料网格 结构实验级间件，该筒体直径为1.3m，长1.4m。经过几年的发展，成功研制了直径为4.2m，长 度为8m的航天用圆筒网格结构制品。美国空军试验室在弹道导弹防御组织的联合试验计划 中对成功地对网格加筋结构整流罩进行了设计、制造和飞行试验，此整流罩比侣质整流罩 轻60%。日本国家宇航开发事业团将碳纤维增强的Ξ角形网格圆筒应用与H-2运载火箭的 第Ξ级结构。
[0004] 国内对复合材料网格结构的研究起步晚，与俄罗斯、美国等航天大国相比，技术和 工艺上均不够成熟。航天材料及工艺研究所采用手工铺设的方式相继研制出具有蒙皮-网 格结构的构件，西安航天复合材料研究所采用缠绕网格成型工艺成功研制了多种带蒙皮和 不带蒙皮的网格复合材料筒形件。哈尔滨玻璃钢研究院、国防科技大学也进行了大量研究 工作，并取得初步成功。
[0005] W上研究中的复合材料件的结构特点是圆柱筒形，运种圆筒形复合材料结构件的 蒙皮具有可展开的特点，筋条的成型方法通常是纵向筋条和环向筋条的缠绕。而对于蒙皮 非可展的半封闭腔体空间曲面网格结构件、具有经向和缔向的筋条W及带有端框增厚区的 结构件则无法成型。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种对蒙皮非可展的半封 闭腔体空间曲面网格结构件成型的模具和方法，该模具和方法制作的结构件具有经向和缔 向的筋条W及端框增厚区，强度高，网格密实度高。
[0007] 本发明所采用的技术方案是：
[000引一种半封闭腔体网格蒙皮结构复合材料成型模具，包括忍模衬、阳模、外阴模和下 端压环;忍模衬、阳模和外阴模均为下端开口且向外突出的曲面壳体;下端压环为环形，与 忍模衬的下端和外阴模的下端相连接；阳模包在忍模衬外，阳模内表面与忍模衬外表面贴 合，阳模外表面上设有沿经向和缔向排列的阵列突起，突起之间的缝隙连成筋槽，所述筋槽 包括沿经向的纵向筋槽和沿缔向的环向筋槽，所述阳模由2片及W上分瓣模片拼接而成;外 阴模包在阳模外，与阳模不接触;外阴模与阳模在阵列突起的两端分别形成上端增厚区和 下端增厚区。
[0009] 所述突起在阳模外表面3°~6°缔线之间，所述a为20~30,所述b为70~85。
[0010] 所述曲面壳体为半球形壳体或者半楠球形壳体。
[0011] 所述阳模为娃橡胶材料。
[0012] 所述突起为梯形六面体，所述筋槽的截面为倒梯形。
[OOU]所述筋槽的深度为5~10mm。
[0014] -种利用前述模具进行半封闭腔体网格蒙皮结构复合材料成型的方法，包括W下 步骤：
[0015] S1、将所述忍模衬的下端固定在下端压环上；
[0016] S2、将阳模的各分瓣模片包在忍模衬外；
[0017] S3、在上端增厚区和下端增厚区分别铺放一层预浸料，形成上端框和下端框；
[0018] S4、分别绕纵向筋槽和环向筋槽缠绕铺放一层预浸丝，形成网状的加强筋；
[0019] S5、重复步骤S3和步骤S4，直至铺层的厚度与突起的高度平齐；
[0020] S6、对预浸丝和预浸料进行吸胶预压实处理；
[0021] S7、在阳模表面铺放蒙皮，蒙皮厚度满足使蒙皮填充在阳模和外阴模之间；
[0022] S8、对步骤S7所铺完蒙皮后的模具进行吸胶预压实处理；
[0023] S9、将外阴模包在蒙皮外表面，下端固定在下端压环上，用热压罐固化工艺实现对 预浸丝、预浸料和蒙皮的共固化；
[0024] S10、依次拆除外阴模、下端压环;再将忍模衬拔出，将分瓣模片向内部拔出，得到 复合材料成型结构件。
[0025] 所述步骤S5中，当铺层厚度为突起高度1/2或2Λ时，还对预浸丝和预浸料进行吸 胶预压实处理。
[00%] 所述步骤S6或步骤S8中所述吸胶处理的吸胶溫度为50~90°C，升溫速率为10~50 °C A，吸胶压力为0.2~0.8MPa，吸胶时间为30~90min。
[0027] 所述步骤S9中最终固化溫度为100~200°C，升溫速率为10~50°C/h，固化压力为 0.5~1.01口曰，固化时间为10~15}1。
[0028] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0029] 1)本发明所述的半封闭腔体网格蒙皮结构复合材料成型模具，所述的阳模设有上 端增厚区和下端增厚区，有利于实现半封闭腔体端框的铺层。本发明适用制作一种半封闭 结构网格蒙皮结构复合材料结构件，制成的构件具有半封闭腔体端框、非可展蒙皮。该结构 特点使其具备良好的抗损伤能力，对缺陷不敏感，重量轻，强度高，对结构破坏具有延性特 征，结构的抗冲击能力强，通过引入功能性的材料，可作为能量吸收装置。运类型的结构形 式在变截面的曲面承载容器、具有空间变曲率的运载火箭的减震装置，W及有效载荷承接 管等方面具有广泛的应用前景。
[0030] 2)所用的阳模为娃橡胶分瓣模，可W有效地解决腔体小网格的固定和加工问题； 娃橡胶分瓣模的大膨胀系数有利于半封闭腔体构件在常溫下的脱模;娃橡胶的柔软和易变 性的特性，能够有效地解决对网格加筋结构筋条压力的施加及脱模问题，利用娃橡胶模传 递压力吸胶，有效地保证了网格筋条的含胶量和密度，确保了半封闭腔体网格蒙皮结构复 合材料结构件中具有较高的纤维体积含量和较低的孔隙率，产品网格密实度高，不易产生 缺陷。
[0031] 3)本发明所述的半封闭腔体网格蒙皮结构复合材料成型方法中网格筋条采用缠 绕成型，缠绕成型中的张力有效地约束娃橡胶对网格结构复合材料产生的压力，网格将强 筋和端框的交替铺放可实现半封闭腔体端框增厚区的铺层及网格加强筋和端框过渡的问 题。
[0032] 4)针对传统的手工铺层难W保证其成型空间不可展形面等厚度成型的问题，本发 明所述的半封闭腔体网格蒙皮结构复合材料成型方法可W有效地解决半封闭腔体端框、非 可展蒙皮对外形面精度和铺层厚度高精度要求的问题。
【附图说明】
[0033] 图1半封闭腔体网格蒙皮结构复合材料成型模具剖面图；
[0034] 图2上段分瓣模片；
[0035] 图3下段分瓣模片；
[0036] 图4半封闭腔体网格蒙皮结构复合材料成型工艺示意图；
[0037] 图5上端增厚区铺层与筋条缠绕循环交替铺层示意图；
[0038] 图6下端增厚区铺层与筋条缠绕循环交替铺层示意图；
[0039] 图7吸胶、固化包封示意图。
【具体实施方式】
[0040] 如图1所示，一种半封闭腔体网格蒙皮结构复合材料成型模具，包括忍模衬1、阳模 2、外阴模3和下端压环4。忍模衬1为与所要制作的半封闭腔体构件形状一致的下端开口且 向外突出的曲面壳体，如半球壳体或半楠球壳体。本实施例中为半球形壳体，阳模2包在忍 模衬1外，阳模2内表面与忍模衬1外表面贴合。阳模2包括8片分瓣模片，所有分瓣模片拼接 成一个半球壳体;本实施例中沿经线分为4部分，沿缔线分为2部分。阳模2在缔线a°~b°之 间设有突起，a为20~30，b为70~85，突起之间形成筋槽，筋槽包括沿经向的纵向筋槽7和缔 向的环向筋槽6。突起可W为梯形六面体，筋槽的截面可W为倒梯形，筋槽的深度为5~ 10mm。外阴模3为半球壳体，包在阳模2夕h外阴模3的内表面与阳模2的外表面的距离为1~ 5mm。外阴模3与阳模2在没有突起的半球壳体顶部区域形成上端增厚区5,没有突起的半球 壳体最大圆周周围形成下端增厚区8,上端增厚区5和下端增厚区8用于铺预浸料从而形成 端框，分别是上端框和下端框，筋槽用于缠绕预浸丝从而形成加强筋，加强筋包括纵向筋槽 7处形成的径向加强筋和环向筋槽6处形成的缔向加强筋。所述缔线是绕曲面壳体一周、长 度不等的圆圈，缔线的所在平面与下端开口平行。所述经线是与缔线垂直、从曲面壳体顶端 延伸至下端开口处的线。缔线度数的定义可参照地球缔线度数的定义，下端开口处的缔线 为0度，顶端的缔线为一个点，为90度缔线。半球壳体的经线和缔线分别和地球的经线和缔 线相同。
[0041] 下端压环4为圆环形，模衬1和外阴模3的最大圆周固定在下端压环4上，下端压环4 对忍模衬1和外阴模3起支撑作用。忍模衬1为钢，也可W为其他金属材料，阳模2为娃橡胶材 料，外阴模3为侣，也可W为其他金属材料。
[0042] 阳模2在缔线上至少被分为2部分，在经