一种环框类复合材料结构件热压罐成型工艺的制作方法

本发明涉及环框类复合材料结构件的成型方法，具体涉及环框类复合材料结构件。

背景技术：

1、随着复合材料在飞机上应用的扩展，从次承力结构到主承力结构，各种形式的加强框也逐渐采用复合材料。相比传统的金属材料，碳纤维复合材料具有高比模量、高比强度和可整体成型等特点。通过结构的一体化成型，它能够有效减少零件的装配，并在满足结构性能要求的同时最大限度地减轻结构重量。环框类复合材料结构件作为机身的环向构件，是重要的主承力结构，它能够支撑机体、扩散集中载荷，并起到破损安全的作用。

2、目前，环框类复合材料结构件主要采用rtm（树脂传递模压）成型工艺进行制造，包括三维编织/rtm和ncf（非连续纤维）织物/rtm工艺。然而，这些工艺成型的零件存在以下几个问题：1）干斑和干区现象：由于局部渗透率的变化和流道效应等原因，产品容易出现干斑和干区现象；2）气泡分层现象：由于漏气、树脂脱泡不彻底和小分子挥发等问题，产品内部容易出现气泡和分层现象；3）纤维体积含量不均匀：由于成型过程中的压力梯度问题，产品中的纤维体积含量存在不均匀现象。总体而言，目前采用rtm成型技术制备环框类结构件在质量稳定性方面存在问题，难以保障航空器结构的安全性。

3、热压罐成型（autoclave molding）是一种常见的复合材料制造工艺，适用于制造高性能复材产品，能很好的解决上述工艺产品存的问题。然而，对于环框类复合材料结构件的成型，热压罐并不是一个常见的成型工艺。其中一个重要的原因在于：一般情况下，环框类复合材料结构件主要承受弯曲和轴向合剪切载荷，弯曲破坏是该类结构件主要的破坏模式，制件中纤维方向的设计决定了结构的强度和性能。热压罐成型工艺需将制件预浸料按照设计顺序和层次堆叠在模具中，然后进行热压固化；而环框类复合材料结构件的环框结构是非可展开曲面，其纤维角度会随结构形式而变化，纤维铺层很难实现各铺层角度下纤维方向与结构设计方向的一致，因此无法精确控制纤维的方向和分布，这可能导致制件中纤维方向与结构设计方向不一致，进而影响零件结构的力学性能，因此环框类复合材料结构件不适应热压罐成型。

4、因此，如何解决环框结构中非可展开的曲面铺层中纤维方向与结构设计方向不一致的问题，实现环框类结构件适应热压罐成型工艺，以获得质量稳定的产品成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述环框类复合材料结构件具有非可展开曲面，各铺层角度下纤维方向与结构设计方向的一致，难以适应热压罐成型工艺的问题，本发明提出一种环框类复合材料结构件热压罐成型工艺，基于环框类复合材料结构件数模提取结构件非可展开曲面所在区域面，从预浸料料片裁切方法入手，以预浸料纤维方向与非可展开曲面的弧线走向一致的铺层的规定为0°方向铺层，预浸料纤维方向与该曲面的弧线走向呈一定角度的铺层为非0°方向铺层，分别设计裁切，使料片的纤维方向与结构设计方向角度偏差满足设计要，实现了环框类复合材料结构件热压罐成型，并保障了成型零件的力学性能。具体技术方案如下：

2、一种环框类复合材料结构件热压罐成型工艺，包括如下步骤：

3、1）非0°方向铺层下料样板设计：根据环框类复合材料结构件的结构形式，在其数模中提取出目标曲面所在的区域面，依据铺层角度，基于目标曲面内边缘切线作对应角度线，然后根据纤维方向与结构设计方向允许偏差的角度旋转切线和应角度线顺次分割目标曲面，得到各铺层下料样板的裁切边界以及纤维方向；

4、2）0°方向铺层下料样板设计：基于微积分思想，将目标曲面所在区域面沿宽度方向平分，将所述目标曲面环向分割成数个窄小的圆环或圆弧，以此构建0°方向铺层铺层下料样板；

5、3）相接区域铺层下料样板设计：结合环向搭接原则，根据目标曲面的弧长及与该目标曲面相接结构宽度，绘制相接区域铺层下料样板；

6、4）料片裁切：使用自动下料机，根据步骤1）至步骤3）的设计，完成各个铺层预浸料片的裁切；

7、5）料片铺贴：采用激光定位仪定位料片方向，将裁切好的各层预浸料片按照设计好的预浸料铺层信息逐层铺贴在模腔中，实现料片方向与预定方向保持一致；

8、6）封装固化：铺层完成后，将模具和材料整体进行封装，然后送入热压罐进行固化成型。

9、前述的环框类复合材料结构件热压罐成型工艺，所述环框类复合材料结构件包括截面呈l型、z型、c型、工型、t型在内的各种形式的整环、部分环段或变曲率环状的环框类复合材料结构件。

10、前述的环框类复合材料结构件热压罐成型工艺，步骤1）中，所述非0°方向铺层，铺层的角度包括90°、＋45°、-45°。

11、前述的环框类复合材料结构件热压罐成型工艺，步骤1）中，所述非0°方向铺层下料样板设计，具体过程如下：

12、第一步：在提取的目标曲面的内边缘处任意取一点作为切点，并基于该切点作目标曲面内边缘线的切线；

13、第二步：根据某铺层的角度信息，基于步骤一中所述切点作所述切线的对应角度线，且所述对应角度线与目标曲面的外边缘线相交；

14、第三步：复制步骤二中所作的切线，旋转一定角度后再与目标曲面的内边缘相切；

15、第四步：重复步骤二，基于复制旋转后的切线所在切点作该切线的对应角度线，并与目标曲面的外边缘线相交；

16、第五步：重复步骤三和步骤四，将目标曲面顺次分割，获得多条与目标曲面的外边缘线相交的对应角度线；以其中一条角度线为纤维方向线，以该纤维方向线两侧相邻的角度线作为分切边线，得到该铺层下料样板的裁切边界以及纤维方向；

17、第六步：按照步骤一至步骤五中所述的方式设计其余铺层下料样板的裁切边界以及纤维方向，以备剪裁铺贴。

18、前述的环框类复合材料结构件热压罐成型工艺，步骤三中，所述切线旋转一定角度再与目标曲面的内边缘相切，其旋转的角度不大于纤维方向与结构设计方向允许偏差的角度。

19、优选的，所述纤维方向与结构设计方向允许偏差的角度为±5°以内。

20、前述的环框类复合材料结构件热压罐成型工艺，步骤2）中，所述0°方向铺层下料样板设计，具体为：测量目标曲面的宽度及该目标曲面的最大弧长，将目标曲面的宽度平均分割成若干段，以每段的宽度作为预浸料片的宽度，以目标曲面的最大弧长作为预浸料片的长度，将0°方向铺层预浸料分割成若干个窄小长料片；每片的宽度为5～10mm。

21、前述的环框类复合材料结构件热压罐成型工艺，步骤3）中，所述环向搭接原则为搭接的宽度为15～30mm。

22、前述的环框类复合材料结构件热压罐成型工艺，步骤5）中，所述料片铺贴，铺贴过程中按照每铺贴4层进行1次真空预压实操作，真空压力不小于85kpa、预压实作用时间不小于10min。

23、前述的环框类复合材料结构件热压罐成型工艺，步骤6）中，所述送入热压罐进行固化成型具体操作为：进罐打压0.175mpa，保持5min，测试真空状态，测试合格卸真空通大气，继续加压至0.6～0.8mpa，保持5min，真空无泄漏带压升温进入固化流程；固化过程中，全程压力为0.6～0.8mpa，固化时以1～3℃/min升温至110℃，保温2小时；然后继续升温至180℃，保温4小时；再以1～3℃/min降温至室温后开罐取出。

24、本发明的有益效果：

25、1）本发明基于环框类复合材料结构件数模提取结构件非可展开曲面，按照特殊的方式划分，得到下料样板的裁切边界以及纤维方向，以此为依据分切用于制备环框类复合材料结构件的预浸料，实现环框类结构件各铺层角度下纤维方向与结构设计方向的一致，使环框类复合材料结构件适应热压罐成型工艺，获得性能稳定的环框类复合材料结构件，保障航空器结构的安全性。

26、2）本发明工艺，下料图纸以曲面内边缘处任意取一点，并沿着该点做内边缘线的切线，延着切点做出该切线的对应角度线，并与外边缘线的相交，接着将该切线复制旋转一定角度后再次与内腹板面相切得到分切边线以及纤维方向线，有效将环框类复合材料结构件曲面展开，实现纤维铺层各角度下纤维方向与结构设计方向的一致，使热压罐成型过程中能精确控制纤维的方向和分布，使预浸料的纤维方向与结构设计纤维方向保持在复合材料手册要求范围内，保障了热压罐成型工艺成型的零件力学性能。

27、3）本发明工艺通过设计分块料片实现了单向预浸料在非可展曲面上的铺放纤维方向能与结构设计方向的一致，并可适用于各类截面环框及任意弧长、弧度环框结构，包括l型、z型、c型、工型、t型等各种截面形式的整环、部分环段或变曲率环状的环框类复合材料结构使用热压罐工艺，实现各类复杂截面的环框类零件成型，提高产品性能，具有良好的实用价值及推广前景。