一种碳纤维折叠波纹夹层筒的制作方法

本发明属于筒体结构领域，尤其涉及一种碳纤维折叠波纹夹层筒。

背景技术：

筒体结构在结构领域中有着非常广泛的应用，如卫星夹层筒结构，火箭承力筒结构、导弹筒体结构、飞机机身、潜艇主体结构、发动机壳体等。其中，卫星夹层筒因其所处的环境复杂，往往会承受相当大的荷载；深海探测的潜艇主体结构同样承受着极大的压力；出水导弹的筒体在出水界面处所承受的复杂应力情况更是对筒体结构提出了严格的要求。近几十年来，随着材料科学技术的发展，筒体结构的材料类型、结构形式都有了翻天覆地的发展和变化，人们对承载结构提出了更高的要求，在满足荷载要求基础上，结构不仅要求轻质高强，同时还要求其多功能化，而这与材料类型和结构形式有着相当大的关系。

近年来，复合材料高速发展，因其高比强度和比刚度的特性已逐步广泛应用在航天航空、结构工程等各个领域，同时筒体夹层的各种形式也逐渐被提出以满足各种不同的功能性需求。碳纤维复合材料具有轻质高强等特点，而且点阵夹层结构形式由于其孔隙率高，比强度大以及良好的几何拓扑构型可设计性，使其在满足轻质的同时，可以保证结构的刚度和强度，并具有多功能潜力。碳纤维折叠波纹结构作为一种新型夹层结构由于其结构形式的复杂，生产工艺方法的欠缺，目前研究工作较少。

技术实现要素：

本发明提供一种碳纤维折叠波纹夹层筒，所述夹层筒具有很好的刚度和强度，并且质量轻。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种碳纤维折叠波纹夹层筒，包括：内蒙皮、外蒙皮、碳纤维折叠波纹夹层、法兰；所述碳纤维折叠波纹夹层中波纹的顶部连接着外蒙皮，所述波纹的底部连接着内蒙皮，外蒙皮、内蒙皮和碳纤维折叠波纹夹层的两端边缘设置固定法兰。

以上所述结构中，所述碳纤维折叠波纹夹层的波纹胞元沿着圆柱壳筒的环向延伸，每一排波纹都进行z形弯曲并沿着圆柱壳筒的母线方向延伸，或者波纹胞元沿着圆柱壳母线方向延伸，并沿着圆柱壳环向进行z形弯曲延伸。

所述碳纤维折叠波纹夹层采用参数化建模设计，所述波纹胞元沿着圆柱壳筒的环向延伸，每一排波纹都进行z形弯曲并沿着圆柱壳筒的母线方向延伸的碳纤维折叠波纹夹层的建模方法如下：

参数间的关系如下：

(1+cosηmz)(1-cosηma)＝4cos²φ1,(1)

cosηma＝sin²φ1cosθmz-cos²φ1,(2)

cosηmz＝sin²φ1cosθa+cos²φ1,(3)

(1+cosηvz)(1-cosηva)＝4cos²φ2,(4)

cosηva＝sin²φ2cosθvz-cos²φ2,(5)

cosηvz＝sin²φ2cosθa+cos²φ2,(6)

ξ＝ηva-ηma,(7)

折叠交点的坐标控制如下：

y＝(i-1)b1sin(ηmz/2),(12)

6个参数定义在折叠参数设置(a)中：a1,a2,b1,b2,φ1,φ2,并假定a1<a2,b1<b2,φ1>φ2.7个参数定义角度变量(b)中：3个二面角θa,θmz,θvz和4个边缘角ηma,ηmz,ηva,ηvz.3个参数定义在(r-θ)坐标系中:ξ,ξa2,ξb1,每个节点所在弧长半径分别为r1和r2。

所述波纹胞元沿着圆柱壳环向延伸，并沿着圆柱壳母线进行z形弯曲延伸的碳纤维折叠波纹夹层的建模方法如下：

参数间的关系如下：

ri＝bisin(ηz/2)/(2sinζ),(15)

sinζk＝w/ro.(17)

折叠交点的坐标控制如下：

9个参数定义在折叠参数设置(a)中：a,w,δb,bo,bi,φl,φs,φw,φ,并假定bo<bi，φs>φl.边缘角ηa，ηz定义同所述波纹胞元沿着圆柱壳母线方向延伸，并沿着圆柱壳环向进行z形弯曲延伸的碳纤维折叠波纹夹层的建模方法。2个参数定义在(r-θ)坐标系中ζ，ζk,每个节点所在弧长半径分别为ro和ri。

所述结构组成部分即外蒙皮、内蒙皮和折叠夹芯结构皆为碳纤维复合材料，所述碳纤维采取准各向同性设计。

有益效果：本发明提供了一种碳纤维折叠波纹夹层筒，采用模压方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的碳纤维折叠波纹夹层，再采用缠绕的方法制备内蒙皮，模压的方法制备外蒙皮，制备得到的折叠波纹夹层筒孔隙率高，比强度大，具有良好的几何拓扑构型可设计性，保证了结构的刚度和强度，并采用碳纤维材料，减轻了夹层筒的质量。

附图说明

图1为碳纤维折叠波纹夹层筒侧视图；

图2为碳纤维折叠波纹夹层筒俯视图；

图3为碳纤维纵向折叠波纹夹层；

图4为碳纤维环向折叠波纹夹层；

图5为碳纤维纵向折叠波纹夹层筒和环向折叠波纹夹层筒制备流程。

图6为碳纤维纵向折叠波纹夹层的建模示意图，其中(a)为折叠参数设置，(b)为角度变量，(c)为(r-θ)坐标系。

图7为碳纤维环向折叠波纹夹层的建模示意图，其中(a)为折叠参数设置，(b)为折叠单元，(c)为(r-θ)坐标系。

图中，1为外蒙皮，2为内蒙皮，3为法兰，4为碳纤维折叠波纹夹层。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的说明：

实施例1

如图1和图2所示，一种碳纤维折叠波纹夹层筒，包括：内蒙皮、外蒙皮、碳纤维折叠波纹夹层、法兰；所述碳纤维折叠波纹夹层中波纹的顶部连接着外蒙皮，所述波纹的底部连接着内蒙皮，外蒙皮、内蒙皮和碳纤维折叠波纹夹层的两端边缘设置固定法兰。

如图3所示，以上所述结构中，所述碳纤维折叠波纹夹层的波纹胞元沿着圆柱壳筒的环向延伸，每一排波纹都进行z形弯曲并沿着圆柱壳筒的母线方向延伸，所述碳纤维折叠波纹夹层采用参数化建模设计，如图6所示所述波纹胞元沿着圆柱壳筒的环向延伸，每一排波纹都进行z形弯曲并沿着圆柱壳筒的母线方向延伸的碳纤维折叠波纹夹层的建模方法如下：

参数间的关系如下：

(1+cosηmz)(1-cosηma)＝4cos²φ1,(1)

cosηma＝sin²φ1cosθmz-cos²φ1,(2)

cosηmz＝sin²φ1cosθa+cos²φ1,(3)

(1+cosηvz)(1-cosηva)＝4cos²φ2,(4)

cosηva＝sin²φ2cosθvz-cos²φ2,(5)

cosηvz＝sin²φ2cosθa+cos²φ2,(6)

ξ＝ηva-ηma,(7)

折叠交点的坐标控制如下：

y＝(i-1)b1sin(ηmz/2),(12)

6个参数定义在折叠参数设置(a)中：a1,a2,b1,b2,φ1,φ2,并假定a1<a2,b1<b2,φ1>φ2.7个参数定义角度变量(b)中：3个二面角θa,θmz,θvz和4个边缘角ηma,ηmz,ηva,ηvz.3个参数定义在(r-θ)坐标系中:ξ,ξa2,ξb1,每个节点所在弧长半径分别为r1和r2。

其中，a1＝12.774mm，a2＝16.484mm，b1＝23.094mm，b2＝25.240mm，φ1＝69.295°，φ2＝58.859°，ηma＝90°，ηva＝94°，ηmz＝120°，ηvz＝90°，r1＝311mm，andr2＝301mm。

所述结构组成部分即外蒙皮、内蒙皮和折叠夹芯结构皆为碳纤维复合材料，所述碳纤维采取准各向同性设计。

如图5所示，以上所述波纹夹层筒结构制备方法如下：

采用缠绕方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的内蒙皮：将内蒙皮的筒模具固定在缠绕设备上，并进行碳纤维缠绕，缠绕过程中，控制纤维浸入树脂的含量，确保内蒙皮有足够的刚度；

采用模压方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的碳纤维折叠波纹夹层：将碳纤维布按照一定的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上进行热压成型；

采用模压方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的外蒙皮：将碳纤维预浸料按照一定的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上进行热压成型；

采用胶粘的方法，将所述碳纤维折叠波纹夹层分瓣粘接在内蒙皮上，并进行二次固化；

采用胶粘的方法，将预制的外蒙皮粘接在碳纤维折叠波纹夹层上，粘接牢固后，进行碳纤维的缠绕；

将碳纤维折叠波纹夹层筒的端部进行纤维缠绕制备出法兰；

将碳纤维折叠波纹夹层筒放置恒温箱进行固化，将外蒙皮多余纤维切除，制备出成品。

实施例2

如图1和图2所示，一种碳纤维折叠波纹夹层筒，包括：内蒙皮、外蒙皮、碳纤维折叠波纹夹层、法兰；所述碳纤维折叠波纹夹层中波纹的顶部连接着外蒙皮，所述波纹的底部连接着内蒙皮，外蒙皮、内蒙皮和碳纤维折叠波纹夹层的两端边缘设置固定法兰。

如图4所示，以上所述结构中，所述碳纤维折叠波纹夹层的波纹胞元沿着圆柱壳母线方向延伸，并沿着圆柱壳环向进行z形弯曲延伸。所述碳纤维折叠波纹夹层采用参数化建模设计，如图7所示所述波纹胞元沿着圆柱壳母线方向延伸，并沿着圆柱壳环向进行z形弯曲延伸的碳纤维折叠波纹夹层的建模方法如下：

参数间的关系如下：

ri＝bisin(ηz/2)/(2sinζ),(15)

sinζk＝w/ro.(17)

折叠交点的坐标控制如下：

9个参数定义在折叠参数设置(a)中：a,w,δb,bo,bi,φl,φs,φw,φ,并假定bo<bi，φs>φl.边缘角ηa，ηz定义同所述波纹胞元沿着圆柱壳母线方向延伸，并沿着圆柱壳环向进行z形弯曲延伸的碳纤维折叠波纹夹层的建模方法。2个参数定义在(r-θ)坐标系中ζ，ζk,每个节点所在弧长半径分别为ro和ri。

其中，a＝12.10mm，bi＝35.36mm，bo＝32.14mm，w＝2.5mm，φ＝51°，ηa＝90°，ηz＝126°，ζ＝3°，ζk＝0.92°，ro＝311mmandri＝301mm。

如图5所示，以上所述波纹夹层筒结构制备方法如下：

采用缠绕方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的内蒙皮：将内蒙皮的筒模具固定在缠绕设备上，并进行碳纤维缠绕，缠绕过程中，控制纤维浸入树脂的含量，确保内蒙皮有足够的刚度；

采用模压方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的碳纤维折叠波纹夹层：将碳纤维布按照一定的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上进行热压成型；

采用模压方法制备所述碳纤维折叠波纹夹层筒的外蒙皮：将碳纤维预浸料按照一定的方向铺置在模具内，并进行模具的合模，在热压机上进行热压成型；

采用胶粘的方法，将所述碳纤维折叠波纹夹层分瓣粘接在内蒙皮上，并进行二次固化；

采用胶粘的方法，将预制的外蒙皮粘接在碳纤维折叠波纹夹层上，粘接牢固后，进行碳纤维的缠绕；

将碳纤维折叠波纹夹层筒的端部进行纤维缠绕制备出法兰；

将碳纤维折叠波纹夹层筒放置恒温箱进行固化，将外蒙皮多余纤维切除，制备出成品。

以上内容是结合实施案例对本发明所做的进一步详细说明，不能认定为本发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。