一种全碳纤维复合材料小型艇艇体成型方法与流程

1.本发明涉及船艇生产技术领域，特别涉及一种全碳纤维复合材料小型成型方法。


背景技术：

2.船艇作为水域交通工具已经有上千年历时，从早期的木舟到木板船，从第一艘钢船到合金金属船，从水泥船到玻璃钢船，无处不在见证船用材料的发展。
3.目前市场的小型船艇基本基本以玻璃钢复合材料为主。传统玻璃钢艇的制造工艺主要分为两种，一种是手工糊制，另一种是真空导入工艺成型。以上两种工艺操作简单，但生产周期长，固化后的层间易存在大量气泡，且树脂含量高、力学性能偏差。若采用碳纤维作为其原材料来增加其力学性能，则成本将大大增加，因碳纤维与传统不饱和树脂的结合性能较差，无法通过减薄艇体厚度来达到增强艇体结构力学性能的同时减轻艇体重量。
4.现有技术中公开了一种复合材料无人艇艇体成型方法，其公开号为：cn 114536809 a，其公布日为：2022.05.27，其复材成分主要采用玻璃纤维，其不足之处在于，力学性能相对较弱，重量偏重（因其采用玻璃纤维，强度没有碳纤维高，为达到使用强度，玻璃纤维艇的原材料用量需比碳纤维艇多才能达到强度要求，所有玻璃纤维艇的重量偏重），上层建筑和甲板成型采用组合装配（非整体成型工艺），下艇体与隔仓板采用个字成型后手糊连接（非整体成型工艺），组装的结构性能没有整体成型强度好。
5.想要优化现有复合材料成型工艺带来的树脂含量高（以上两种成型工艺制造的艇体树脂含量在38-45%）、力学性能差，艇体结构重等问题，必须提出新的成型工艺才能实现，且最终达到进一步减轻重量、提高艇体力学性能的目标。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种全碳纤维复合材料小型艇艇体成型方法，减少树脂含量，提升力学性能。
7.本发明的目的是这样实现的：一种全碳纤维复合材料小型艇艇体成型方法，艇体包括上艇体和下艇体，包括以下步骤：步骤1）模具设计与制造；将碳纤维小型艇艇体分为除舱门与舱口盖外的上艇体与下艇体两大部分，设计制造对应模具，模具均采用阴模；步骤2）铺贴成型；分别对上艇体和下艇体采用全碳纤维预浸料进行单独铺贴成型；步骤2-1）上艇体铺贴成型，上艇体包含甲板与上层建筑，其全部采用蒙皮加筋骨结构制造，先铺贴甲板蒙皮，再在甲板蒙皮上放置筋骨泡沫芯，再在筋骨泡沫芯上铺贴筋骨蒙皮；步骤2-2）下艇体铺贴成型，下艇体包含船底板、舷侧板、艉封板以及隔舱板，艉封板采用泡沫夹芯加筋骨结构，其余均采用蒙皮加筋骨结构设计，先铺贴船底板、舷侧板、艉封板的蒙皮，在铺贴艉封板蒙皮的过程中加入泡沫夹芯，完成后铺贴船底板、舷侧板、艉封
板内侧筋骨结构，其铺贴工艺与上艇体内的筋骨铺贴工艺相同，最后在筋骨上铺贴隔舱板；步骤3）热压罐固化成型；上艇体、下艇体铺贴完成后分别进热压罐高温高压固化成型；步骤4）上艇体、下艇体装配；上艇体、下艇体完成固化后，切割产品余量至净尺寸，将上艇体定位吊装与下艇体对接，定位后在上艇体、下艇体连接处采用碳纤维平纹织物手糊液体树脂固化连接；步骤5）舾装；送至舾装部门安装到位、喷漆完成。
8.作为本发明的进一步限定，步骤2-1）在进行甲板与上层建筑蒙皮铺贴时，上层建筑厚于甲板，在整铺过程中铺至上层建筑处时，在整铺过程中间隔添加加厚层，加厚层在上层建筑与甲板的过渡处采用丢层铺贴。
9.作为本发明的进一步限定，步骤2-1）在进行筋骨铺贴时，利用激光投影仪定位好筋骨位置，铺放好十字形筋骨泡沫芯后，铺贴筋骨蒙皮，按照横筋、纵筋隔层铺贴，在交汇处采用间隔交错整铺，非整铺层筋骨两侧的预浸料采用翻边结构搭接在当前整铺层筋骨两侧，采用上述工艺在保证局部连接强度的前提下表面蒙皮厚度相同。
10.作为本发明的进一步限定，步骤2-2）在进行船底板、舷侧板、艉封板表面蒙皮铺贴时，采用整体铺层，船底板厚于舷侧板、艉封板，在整铺过程中铺至船底处时，在整铺过程中间隔添加加厚层，加厚层在舷侧、尾部与船底过渡处采用丢层铺贴，尾部的泡沫夹芯在铺贴至一半厚度时加入，以保证两侧的蒙皮厚度相等。
11.作为本发明的进一步限定，步骤2-2）中船底板、舷侧板、艉封板内侧筋骨结构铺贴时，利用激光投影仪定位好筋骨位置，铺放好十字形筋骨泡沫芯后，铺贴筋骨蒙皮，按照横筋、纵筋隔层铺贴，在交汇处采用间隔交错整铺，非整铺层筋骨两侧的预浸料采用翻边结构搭接在当前整铺层筋骨两侧，采用上述工艺在保证局部连接强度的前提下表面蒙皮厚度相同。
12.作为本发明的进一步限定，步骤2-2）中隔舱板在铺贴时，利用舷侧模具定位安装隔舱板铺贴成型模具，将成型模具定位在纵向筋骨上，再沿成型模具、纵向筋骨、下艇体内层整铺。
13.作为本发明的进一步限定，隔舱板蒙皮铺贴完成后制作真空预抽袋预压实料片，后再利用激光投影仪在隔舱板上定位好筋骨位置，铺放好十字形筋骨泡沫芯后，铺贴筋骨蒙皮，按照横筋、纵筋隔层铺贴，在交汇处采用间隔交错整铺，非整铺层筋骨两侧的预浸料采用翻边结构搭接在当前整铺层筋骨两侧，采用上述工艺在保证局部连接强度的前提下表面蒙皮厚度相同作为本发明的进一步限定，步骤4）中上艇体与下艇体对接后安装定位螺栓，螺栓安装结束后，在上艇体、下艇体连接处采用碳纤维平纹织物手糊液体树脂固化连接。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1.本发明采用碳纤维预浸料铺贴热压罐成型制造工艺，大大减薄艇体设计厚度，减少艇体结构重量，提高运载能力；2.本发明将艇体结构分为两大零件，真正意义上采用半整体成型固化工艺，使实际建造与理论设计偏差缩小，简化结构的同时减少生产制造周期，从而进一步缩减成本，提高艇体结构强度。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
16.图1为本发明制成的小艇结构示意图。
17.图2为本发明制成的小艇分体结构示意图。
18.图3为本发明上艇体蒙皮铺贴示意图。
19.图4为本发明制成的小艇筋骨示意图。
20.图5为本发明中筋骨铺贴状态示意图一。
21.图6为本发明中筋骨铺贴状态示意图二。
22.图7为本发明中筋骨铺贴状态示意图三。
23.图8为本发明中筋骨铺贴状态示意图四。
24.图9为本发明中筋骨铺贴状态示意图五。
25.图10为本发明下艇体蒙皮铺贴示意图。
26.图11为本发明隔舱板铺贴示意图。
27.其中，1上艇体，101甲板，102上层建筑，2下艇体，201船底板，202舷侧板，203艉封板，204隔舱板，3筋骨，301横筋，302纵筋，401第一横向层，402第一纵向层，403第二纵向层，404第二横向层。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.下面以如图1-2所示的小型艇艇体结构为例，对本发明的工艺方法进行说明。
30.此型号碳纤维小艇选用t700系列碳纤维纱和t300系列碳纤维平纹编织布作为增强材料，树脂选用中温固化环氧树脂。将树脂分别与t700系列碳纤维纱与t300系列碳纤维平纹编织布制作成面密度为461g/m2的单向纤维预浸料和308g/m2平纹预浸料，其树脂含量均为35%。为保证艇体在航行过程中受海水冲刷过程中不出现纤维撕裂分层等问题在艇体表层铺贴一层t300平纹预浸料，其余均采用t700单向预浸料作为艇体主结构材料。
31.首先对t700碳纤维纱与高强玻璃纤维平纹编织布的热力学性能进行比对，采用t700碳纤维纱与高强玻璃纤维平纹编织布分别与同体系的两种环氧树脂复合，t700单向预浸料采用热压罐工艺0
°
：90
°
=1:1铺层，高强玻璃纤维平纹布采用真空导入工艺分别制作力学性能试板测试其力学性能如表1所示：表1 真空导入玻璃纤维工艺与热压罐碳纤维工艺力学性能对照表
由表1可见，采用t700碳纤维预浸料热压罐工艺的力学性能比高强玻璃纤维真空导入普遍高出100%以上。因此在设计艇体时可依据软件仿真计算得出原艇体整体可减薄一半以上，按艇体件薄一半计算，其艇体重量可降低50%，同尺寸艇的运载能力将大大增加。
32.一种全碳纤维复合材料小型艇艇体成型方法，包括以下步骤：步骤1）进行结构设计，如图1-2所示，本发明是一种v型单体艇，其结构长度为14.5米，宽3.6米，高3.5米；整艘艇体结构除舱门与口盖外整体由两大复合材料零件组合而成：上艇体1与下艇体2。
33.表2 两大复合材料零件结构组成步骤2）铺贴，本发明采用t700碳纤维单向预浸料为主要原材料，t300平纹预浸料为表层防冲刷层铺贴来整体成型小型艇的两大复材零件，后将上、下两大零件组装后采用手糊成型工艺连接；具体铺贴工艺如下：2-1）模具设计与制造将碳纤维小型艇艇体拆解为除舱门与舱口盖外仅上艇体1与下艇体2梁大部分，其成型制造模具同样仅有两套。
34.2-2）零件铺贴制造上艇体1与下艇体2分别单独铺贴成型。
35.2-2-1）上艇体1包含甲板101与上层建筑102，其全部采用蒙皮加筋骨3结构制造，甲板101蒙皮厚2.5mm，筋骨3蒙皮厚2.5mm；上层建筑102蒙皮厚3mm，筋骨3蒙皮厚3mm。上层建筑102蒙皮厚度厚于甲板101厚度，为保证采用整体铺层的设计，将2.5mm厚采用整铺，同时铺贴甲板101与上层建筑102，如图3所示，对于上层建筑102超出的0.5mm厚采用穿插补强铺层铺贴在整铺层中，且相邻两层补强层边界尺寸需间隔25mm，以形成坡度丢层，最终实现上艇体1蒙皮的整体铺贴成型，此铺层设计方案不会因厚度不同而造成过渡区应力集中而
影响艇体结构性能；蒙皮预浸料片铺贴结束后制作真空预抽袋预压实料片，真空预抽袋可抽出铺贴过程中带入的空气，以便相邻两层预浸料贴合紧实。
36.2-2-2）蒙皮铺贴完成后，利用激光投影仪投影并定位筋骨3位置，根据激光投影线铺放筋骨3泡沫芯，泡沫与泡沫对接处采用发泡胶膜塞填（加热固化过程中发泡胶膜会自主发泡填满泡沫缝隙，并将两个泡沫芯粘接为一个整体），由此整个上艇体1的筋骨3泡沫芯便组成一个整体；泡沫铺放结束后，制作真空预抽袋预压实泡沫与蒙皮，此时泡沫则紧紧粘贴于蒙皮上；泡沫芯铺放结束之后，铺贴筋骨3蒙皮，上艇体1的所有筋骨3蒙皮均为3mm,为保证筋骨3蒙皮为整体铺层，按照横筋301、纵筋302隔层铺贴，在交汇处采用间隔交错整铺，非整铺层筋骨3两侧的预浸料采用翻边结构搭接在当前整铺层筋骨3两侧，采用上述工艺在保证局部连接强度的前提下表面蒙皮厚度相同。
37.下面以两层结构为例，结合附图4-8，对此工艺进行详细说明。
38.首先，如图5所示，在横筋301上铺贴第一横向层401，第一横向层401两侧裁切出配合纵筋302的缺口，其余区域正常铺贴，然后，如图6所示，在纵筋302上铺贴第一纵向层402，此时第一纵向层402为分段铺贴，料片设计时需要留出两侧的翻边，即第一纵向层402铺贴在第一横向层401两侧的纵筋302上时，靠近第一横向层401的翻边搭接在第一横向层401的侧边，接着，如图7所示，在纵筋302上继续铺贴第二纵向层403，其结构与第一横向层401类似，第二纵向层403两侧裁切出配合横筋的缺口，其余区域正常铺贴，接着如图8所示，在横筋301上铺贴第二横向层404，此时第二横向层404分段铺贴，料片设计时需要留出两侧的翻边，即第二横向层404铺贴在第二纵向层403两侧的蒙皮上时，靠近第二纵向层403的翻边搭接在第二纵向层403的侧边，如此完成两侧结构铺贴，在铺贴第三层时与第一层铺贴相同，不再赘述，根据计算好的尺寸铺贴对应层数的料片即可，需要注意的是，相同位置筋骨3上的翻边需要采用丢层铺贴来保证整体铺层设计，其俯视的示意图如图9所示，图中的1、2、3表示的是铺贴第一层、第二层以及第三层。所有筋骨3蒙皮铺贴结束后制作真空预抽袋预压实料片，确保料片铺贴紧实。
39.2-2-3）下艇体2包含船底板201、舷侧板202、艉封板203以及隔舱板204，与上艇相同采用整体铺层设计的制造原则；下艇体2结构较复杂，艉封板203采用泡沫夹芯加筋结构，其余均采用蒙皮加筋结构设计，其中船底板201蒙皮厚4mm，舷侧板202蒙皮厚3mm，隔舱板204蒙皮厚3mm，艉封板203采用1.5mm+20mm（泡沫芯）+1.5mm结构。下艇体2筋骨3众多，尺寸不一，且蒙皮厚度规格也不尽相同，有3mm、5mm、6mm、8mm、12mm不等；下艇体2除隔舱板204外均可以实现整体铺层设计，隔舱板204与下艇体2其它部分采用分体铺层整体固化成型的工艺制造；船底板201、舷侧板202以及艉封板203的蒙皮整体铺层设计与上艇体1相同，将艉封板203的夹层泡沫当成铺贴料片，采用3mm整体铺层，艉封板203的20mm泡沫以及多出的1mm厚度采用补强铺层穿插与整铺层内部，船底板201多出的1mm厚度同样作为补强铺层穿插与整铺层内部，如图10所示；船底板201、舷侧板202以及艉封板203蒙皮铺贴结束后制作真空预抽袋预压实料片；然后利用激光投影仪定位铺放筋骨3泡沫，筋骨3泡沫铺放结束铺贴筋骨3蒙皮，以上操作与上艇体1相同，不再赘述。
40.2-2-4）隔舱板204设计有四块，采用分体铺层，整体固化成型的工艺制造。如图11所示，待筋骨3蒙皮铺贴结束后，利用舷侧模具定位安装隔舱板204铺贴成型模具，安装完成可开始铺贴隔舱板204蒙皮；隔舱板204蒙皮铺贴完成后制作真空预抽袋预压实料片，后铺
放更仓板筋骨3泡沫以及铺贴筋骨3蒙皮，全部铺贴完成后下艇体2的铺层结束。
41.步骤3）热压罐固化成型，上、下艇体2铺贴完成后分别会坐在最终真空袋，进热压罐高温高压固化成型，本发明采用的预浸料为中温预浸料，需经热压罐加温至125℃保温2h，保压0.3mpa即可完成固化成型。本发明中热压罐成型工艺是采用预浸料（树脂和纤维预先复合好）按铺层设计角度要求铺放于模具上，并密封在真空袋中后放入热压罐经过高温高压，完成材料固化反应，使预浸料坯件成为所需形状和满足质量要求的构件的工艺方法；热压罐内的压力和温度均匀，可以保证成型构件的质量稳定；热压罐成型工艺制造的构件孔隙率较低、树脂含量均匀，相对其他成型工艺热压罐制备构件的力学性能稳定可靠。
42.步骤4）上、下艇体2装配，上、下艇体2完成固化后，手工切割产品余量至净尺寸，利用行吊将上艇体1定位吊装与下艇体2对接，安装定位螺栓；螺栓安装结束后，在上、下艇体2连接处采用t300碳纤维平纹织物手糊液体树脂固化连接。
43.步骤5）舾装，至此艇体结构部分已全部安装到位。后期将舾装部门安装到位、喷漆完成，整个艇体就完成了。
44.本发明中上艇体1与下艇体2作为小型艇的两大复合材料零件，均采用整体铺层设计、整体铺贴、整体固化成型的方式来完成零件的成型。尤其下船体，首次将船底板201、侧舷版、艉封板203以及隔舱板204采用一次铺贴固化成型制造，真正意义上做到了整体成型。传统手糊成型采用边糊制边固化的成型方式，其固化次数较多，截面之间为胶接连接，其非整体成型工艺；传统真空导入工艺无法实现隔舱板204与船体一次性铺贴固化成型，其也非整体成型工艺，仅有热压罐工艺能够实现整体成型制造。
45.艇体两大零件的蒙皮结构层均采用碳纤维t700单向预浸料按铺层角度比率为0
°
：90
°
：
±
45
°
=6：2:2；t300平纹预浸料作为表层防冲刷层均采用0
°
铺层角度设计。
46.艇体两大零件的筋骨3蒙皮全部采用碳纤维t700单向预浸料按铺层角度比例为0
°
：90
°
=6:4铺贴。
47.两大零件均采用大型钢制阴模作为其铺贴成型模具，铺贴完成后制作真空袋进热压罐加温加压固化成型。
48.固化成型后的上、下两大大复材零件安装到位后在其装配面的外部采用t300碳纤维干布手糊常温液体树脂连接，待树脂固化后即完成了整个艇体结构的建造。
49.以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。