一种复合材料网架式点阵结构及制备方法与流程

本发明属于复合材料领域，尤其涉及一种复合材料网架式点阵结构及制备方法。

背景技术：

点阵结构是由两块面板和中间的点阵芯子组成，其中的点阵芯子由呈周期性排列的杆件组成。根据点阵芯子杆件的排列方式可以分为金字塔、四面体、kagome等形式。按材料可以分为金属、复合材料、以及塑料等。金属点阵结构通常以焊接的方式将芯子和面板连接在一起。而复合材料点阵结构由于复合材料的特有性质无法焊接，只能通过胶结、机械连接、纤维埋入等方式连接。

复合材料点阵结构目前有如下几种制备方法：(1)拉丝连接法，面板开设了压杆槽和拉丝孔，先将压杆插入压杆槽中，然后将预浸树脂的拉丝从拉丝孔编织穿过面板，将相对的上和下两面板牵拉固定；(2)水切割组装法，通过水切割工艺将层合板切割成波纹状长条，节点处加工嵌锁槽口，通过十字交叉方式嵌锁在一起制备成金字塔点阵芯子，最后和面板粘接在一起；(3)嵌锁槽口装配法，在面板上切出嵌锁槽口，再将用水切割切成的点阵芯杆件插入面板嵌锁槽口并涂抹胶水；(4)波纹板切割点阵芯并在节点处用金属片加强，首先制备复合材料波纹板，然后将其切割为折线形杆件，然后和金属片装配粘接在一起，最后将金属片与面板粘接；(5)拉挤杆装配法，在面板上打孔，然后插入拉挤成型制备的圆柱杆并在节点涂抹结构胶，固化成型后切除多余部分；(6)热塑性熔融粘接法，将热塑性丝带预浸料编织成网状织物，然后局部加热冲压得到点阵结构芯材，最后将芯材与两块热塑性复合材料面板加热后粘接；(7)模具热压二次成型工艺，通过模具制备单向纤维增强复合材料金字塔点阵芯子，然后和面板粘接在一起；(8)模具热压一次成型工艺，使用可以拆卸的芯模，将预浸料铺设在芯模凹槽内，两端纤维埋入面板中；(9)纤维穿插低熔点合金型芯模树脂注入法，将未浸润树脂的纤维穿插进带孔的低熔点合金型芯模中并铺设面板纤维，然后使用vari工艺注入树脂，固化后加热熔化低熔点合金型芯模即可。

上述复合材料点阵结构制备方法存在以下问题：方法(1)拉丝只能受拉不能受压，同时拉丝成型时缺乏模具压力，质量不稳定；方法(2)面芯之间是二次粘接的，在胶接处节点容易破坏，此外层合板纤维方向无法进行设计，杆件横向纤维含量大；方法(3)至(7)均为面芯二次粘接，节点粘接处强度低；方法(8)模具复杂，脱模困难，难以应用于实际工程；方法(9)芯子和面板一体成型，结构力学性能好，不纯在脱模问题，可以制备超大型异型曲面构件，但是制备工艺复杂，生产成本高。

上述点阵结构虽然制备方法不同，但是结构形式是相同的，即：通过中间的点阵芯子将两块面板连接在一起，芯子和面板之间均为点接触。在经典的三点弯曲受力状态下，结构中的点阵芯子主要承受剪力并同时保持面板稳定，而面板主要承受弯矩。点阵芯子需要通过一个点将剪力传递给面板，这将导致面板上会出现严重的应力集中。同时对面板损伤非常敏感，任意一块面板的破坏都将使点阵结构承载力降低。两块面板缺一不可，因此点阵结构的内部难以进行后期维护。如何提升芯子和面板之间的连接以及面板在节点处的应力集中是点阵结构所面临的主要问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于公开应力分布均匀，节点强度高的一种复合材料网架式点阵结构及制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种复合材料网架式点阵结构，包括横向桁架1，纵向桁架2和蒙皮3；纵向桁架2穿插在横向桁架1的内部，横向桁架1插在纵向桁架2的凹槽7中，蒙皮3粘结与横向桁架1和纵向桁架2的外侧。

横向桁架1，包括横上弦杆41、横下弦杆51、横腹杆61；横上弦杆41和横下弦杆51相互平行，横腹杆61连接于横上弦杆41和横下弦杆51之间，横腹杆61与横上弦杆41和横下弦杆51构成三角形。

纵向桁架2，包括纵上弦杆42、纵下弦杆52、纵腹杆62、凹槽7和泡沫22；纵上弦杆42和纵下弦杆52相互平行，纵腹杆62连接于纵上弦杆42和纵下弦杆52之间，纵腹杆62与纵上弦杆42和纵下弦杆52构成三角形；凹槽7位于纵向桁架2的外侧的纵腹杆62与纵上弦杆42和纵下弦杆52连接的节点处以及两节点的中点处；凹槽7的宽度与横向桁架1的厚度相同，节点处的凹槽7的深度与横向桁架1的横腹杆61与横上弦杆41和横下弦杆51连接的节点处的截面高度相同，两节点的中点处的凹槽7的深度与横向桁架1的横上弦杆41和横下弦杆51的截面高度相同；泡沫22覆盖在纵向桁架2的纵上弦杆42和纵下弦杆52的外侧。

一种复合材料网架式点阵结构制备方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤一：准备模具，将芯模8固定在底座15上；

步骤二：缠绕穿插桁架杆件纤维，将三角形纤维9、第一根梯形纤维10、第二根梯形纤维11、第三根梯形纤维12缠绕穿插到芯模8上，并按压至底部，三种梯形纤维用一根连续的梯形纤维13进行铺设；

步骤三：铺设表层纤维14和泡沫22，泡沫22仅铺设于纵向桁架型材19根据实际使用情况选择是否铺设；

步骤四：安装端部密封件16，和l形模具17合模，使用机械加压或真空袋加压；

步骤五：固化成型，如果使用的是预浸料则使用恒温加热箱或热压罐进行固化，如果使用的是未浸润树脂的纤维则使用rtm或vartm或vari工艺进行制备；

步骤六：拆除模具，按照以上步骤分别制备横向桁架型材18和纵向桁架型材19；

步骤七：使用铣床在纵向桁架型材19表面上开设凹槽7；

步骤八：将横向桁架型材18和纵向桁架型材19切片得到横向桁架1和纵向桁架2；

步骤九：将纵向桁架2左右倾斜插入左右水平交错的横向桁架1中，在插入前进行喷砂处理并涂抹结构胶；

步骤十：将错位的横向桁架1对齐，将倾斜的纵向桁架2竖直，将横向桁架1插入纵向桁架2的凹槽7中，得到复合材料网架式点阵结构；

步骤十一：粘接蒙皮3。

本发明的有益效果为：

本发明生产效率高，适合工业化批量生产；受力合理，内部桁架为主要承力构件，面板；可维护性好，拆除面板对结构受力影响小；杆件纤维完全贯穿节点，节点处纤维连续，节点强度高；可连接性强，与其他平面的网架式点阵结构相连接时只需考虑桁架杆件的连接。

附图说明

图1为一种复合材料网架式点阵结构示意图；

图2为横向桁架和纵向桁架连接示意图；

图3为复合材料网架式点阵结构单体；

图4为横向桁架平面图；

图5为纵向桁架平面图；

图6为带泡沫的纵向桁架平面图；

图7为制备模具；

图8为纤维缠绕穿插铺设示意图；

图9为桁架三角形纤维穿插示意图；

图10为第一根桁架梯形纤维穿插示意图；

图11为第二根桁架梯形纤维穿插示意图；

图12为第三根桁架梯形纤维穿插示意图；

图13为所有桁架纤维穿插铺设示意图；

图14为连续穿插梯形纤维示意图；

图15为合模爆炸图；

图16为合模图；

图17为纵向桁架型材开槽示意图；

图18为纵向桁架型材切割示意图；

图19为横向桁架型材切割示意图；

图20为纵向桁架插入方向示意图；

图21为纵向桁架插入示意图；

图22为第一装配示意图；

图23为第二装配示意图；

图24为第三装配示意图；

图25为第四装配示意图；

图26为第五装配示意图；

图27为第六装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

如图1，一种复合材料网架式点阵结构，包括横向桁架1，纵向桁架2和蒙皮3；如图2和图3，纵向桁架2穿插在横向桁架1的内部，横向桁架1插在纵向桁架2的凹槽7中，蒙皮3粘结与横向桁架1和纵向桁架2的外侧。

如图4，横向桁架1，包括横上弦杆41、横下弦杆51、横腹杆61；横上弦杆41和横下弦杆51相互平行，横腹杆61连接于横上弦杆41和横下弦杆51之间，横腹杆61与横上弦杆41和横下弦杆51构成三角形。

如图5，纵向桁架2，包括纵上弦杆42、纵下弦杆52、纵腹杆62、凹槽7和泡沫22；纵上弦杆42和纵下弦杆52相互平行，纵腹杆62连接于纵上弦杆42和纵下弦杆52之间，纵腹杆62与纵上弦杆42和纵下弦杆52构成三角形；凹槽7位于纵向桁架2的外侧的纵腹杆62与纵上弦杆42和纵下弦杆52连接的节点处以及两节点的中点处；凹槽7的宽度与横向桁架1的厚度相同，节点处的凹槽7的深度与横向桁架1的横腹杆61与横上弦杆41和横下弦杆51连接的节点处的截面高度相同，两节点的中点处的凹槽7的深度与横向桁架1的横上弦杆41和横下弦杆51的截面高度相同；如图6，泡沫22覆盖在纵向桁架2的纵上弦杆42和纵下弦杆52的外侧。

一种复合材料网架式点阵结构制备方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤(1)：如图7，准备模具，将芯模8固定在底座15上；

步骤(2)：如图8至图13，缠绕穿插桁架杆件纤维，将三角形纤维9、第一根梯形纤维10、第二根梯形纤维11、第三根梯形纤维12缠绕穿插到芯模8上，并按压至底部，如图14，三种梯形纤维用一根连续的梯形纤维13进行铺设；

步骤(3)：铺设表层纤维14和泡沫22，泡沫22仅铺设于纵向桁架型材19根据实际使用情况选择是否铺设；

步骤(4)：如图15和图16安装端部密封件16，和l形模具17合模，使用机械加压或真空袋加压；

步骤(5)：固化成型，如果使用的是预浸料则使用恒温加热箱或热压罐进行固化，如果使用的是未浸润树脂的纤维则使用rtm或vartm或vari工艺进行制备；

步骤(6)：拆除模具，按照以上步骤分别制备横向桁架型材18和纵向桁架型材19；

步骤(7)：如图17，使用铣床在纵向桁架型材19表面上开设凹槽7；

步骤(8)：如图18和图19，将横向桁架型材18和纵向桁架型材19切片得到横向桁架1和纵向桁架2，还可使用拉挤成型法、平板切割法、3d打印法进行制备横向桁架(1)和纵向桁架(2)。

步骤(9)：如图20、图21和图22，将纵向桁架2左右倾斜插入左右水平交错的横向桁架1中，在插入前进行喷砂处理并涂抹结构胶；

步骤(10)：如图22至图27，将错位的横向桁架1对齐，将倾斜的纵向桁架2竖直，将横向桁架1插入纵向桁架2的凹槽7中，得到复合材料网架式点阵结构；

步骤(11)：粘接蒙皮3。

下面给出实施例1：纤维缠绕穿插法：

若制作如图4所示的横向桁架，桁架长度240mm，由4个基本单元体构成，每个单元体长度60mm、腹杆角度45°、腹杆截面2mm*2mm、弦杆上下表面间距32mm、弦杆截面2mm*3mm。

纵向桁架2如图5所示，其桁架长度240mm，由4个基本单元体构成，每个单元体长度60mm、腹杆角度36.25°、腹杆截面2mm*2mm、弦杆上下表面间距32mm、弦杆截面2mm*6mm、节点处凹槽2.1mm*3.5mm、弦杆中部凹槽2.1mm*3.1mm。

步骤(1)：模具准备。如图7所示为桁架型材制备模具，模具包含一个底座15和九个芯模8，芯模8使用螺栓或其他方式固定在底座15上，芯模8之间留有2mm的缝隙。芯模8的轮廓为三角形，在三角形的角部需要根据节点纤维重叠量和脱模要求设计相应的倒角。为了方便脱模，芯模8设计为可拆卸的，此外芯模8表面可制备特氟龙涂层，并依次包裹透气层和热缩管。横向桁架和纵向桁架需要根据设计使用不同尺寸的芯模8，他们两者的制备原理相同，仅铺层和尺寸不同。

步骤(2)：缠绕穿插桁架杆件纤维。如图8所示，从芯模8上部开口处将纤维缠绕在芯模8上，并延图示箭头方向将缠绕的纤维按压至芯模8的底部。需要在芯模8上缠绕三角形纤维9、第一根梯形纤维10、第二根梯形纤维11、第三根梯形纤维12，一共4种纤维。如图9所示为三角形纤维9的缠绕穿插轨迹，三角形纤维9沿着图示圆圈中的数字顺序进行缠绕穿插，轨迹呈周期性的三角形。如图10至图12分别为第一根梯形纤维10、第二根梯形纤维11、第三根梯形纤维12的缠绕穿插轨迹，轨迹呈周期性的梯形。图13是除三角形纤维9以外的所有纤维的布置图。3种梯形纤维可以只使用一根连续的梯形纤维13延图14所示路径进行缠绕。三角形纤维9和梯形纤维13的铺设比例根据计算进行铺设。铺设纤维时尽可能小丝束、多次数、均匀地进行铺设，避免一次铺设大量相同路径的纤维。纤维丝束可以是预浸料可以是未浸胶的纤维。

步骤(3)：铺设表层纤维14或泡沫22。如图8、13和14所示，铺设完三角形纤维9和梯形纤维13后，在外层缠绕表层纤维14。表层纤维14中可以加入一定量的90度纤维，以增加杆件横向强度。除了直接全部铺设表层纤维14外纵向桁架2还可以选择铺设泡沫22来代替部分表层纤维14。如图5所示，纵向桁架2由于开有凹槽7，纤维在节点处断开，在节点处的强度有削弱，因此可以按照如图6所示，将部分表层纤维14替换为泡沫22。通过该方法可以在不降低桁架强度的同时减轻结构重量。如图6所示将2mm厚的表层纤维14替换为泡沫22，可以令纵向桁架2重量减轻26.2％，整体减重17.4％。

步骤(4)：合模。如图15和图16所示，首先安装端部密封件16，然后安装l形模具17。可使用机械加压或者真空袋加压。

步骤(5)：固化成型。如果使用的是预浸料，则使用恒温加热箱或热压罐进行固化成型。如果是未浸胶的纤维则使用rtm或vartm或vari工艺进行成型。

步骤(6)：拆模。首先拆除最外层l形模具，然后将芯模8和底座15之间的连接解除，拆下底座15。最后拔出芯模8并取下端部密封件16。如果在芯模8外包裹了透气层和热缩管，则可以先向透气层中注入空气，然后拔出芯模8。

步骤(7)：纵向桁架型材19表面开槽。横向桁架型材18不需要表面处理，而纵向桁架型材19需要使用铣床在表面开设凹槽7。如图17所示，铣刀20在纵向桁架型材19的表面铣削出矩形凹槽7。凹槽7的宽度和深度根据横向桁架1的节点截面和弦杆截面来确定，为了保证顺利装配需要设计装配容差，这里将开槽深度和宽度加大了0.1mm。

步骤(8)：型材切片。如图18和图19所示使用切割片21将横向桁架型材18和纵向桁架型材19切割为2mm厚的片材，得到横向桁架1和纵向桁架2。

步骤(9)：插入纵向桁架2。如图20所示，将横向桁架1按照奇偶不同上下倒置，并在左右方向错开22.4mm即0.37周期长度，前后固定间距30mm即0.5周期长度进行排列。而纵向桁架2垂直于横向桁架1，按照奇偶不同上下颠倒并左右倾斜45度角，底部间距5.9mm即0.1周期长度。将纵向桁架2延图20示所示箭头方向插入横向桁架1中，插入后如图21所示。如图22所示，为该过程的正视图，延着纵向桁架2方向查看，可以看出，在几何上横向桁架1和纵向桁架2没有发生干涉。在插入前对凹槽7和桁架节点进行喷砂处理，并且在纵向桁架2的凹槽7和对应节点处涂抹结构胶。

步骤(10)：装配桁架。如图23所示，将纵向桁架的下弦凹槽7插入横向桁架1的下弦杆5，然后如图23至27所示将交错的横向桁架1逐步移动到平齐位置，在该过程中纵向桁架2随着横向桁架1的移动变化角度。最后如图27所示，横向桁架1左右对齐，纵向桁架竖直站立。待结构胶固化后得到如图1所示的桁架式点阵结构成品。

步骤(11)：粘接蒙皮。在桁架式点阵结构的上下弦杆表面涂抹结构胶，然后将蒙皮3粘贴到表面，得到如图2所示的带蒙皮的复合材料网架式点阵结构。

实施例2：拉挤成型法：

使用拉挤成型法代替实施例1中的步骤(1)至步骤(7)进行横向桁架型材18和纵向桁架型材19的制备。后续装配步骤与实施例1相同。

实施例3：平板切割法：

使用平板切割法代替实施例1中的步骤(1)至步骤(8)进行横向桁架1和纵向桁架2的制备。使用水切割或激光切割或机械切割将2mm厚的复合材料层压板或金属板直接切割成如图4和图5所示的横向桁架1和纵向桁架2。后续装配步骤与实施例1相同。

实施例4：3d打印法：

使用复合材料3d打印技术代替实施例1中的步骤(1)至步骤(8)进行横向桁架1和纵向桁架2的制备。使用复合材料3d打印技术沿图14所示的纤维路径进行打印。使用该方法可以高效率地生产高性能复合材料网架式点阵结构。并且材料利用率高，可有效节省材料。后续装配步骤与实施例1相同。

与现有技术相比，本发明生产效率高，适合工业化批量生产；受力合理，内部桁架为主要承力构件，面板；可维护性好，拆除面板对结构受力影响小；杆件纤维完全贯穿节点，节点处纤维连续，节点强度高；可连接性强，与其他平面的网架式点阵结构相连接时只需考虑桁架杆件的连接。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。