浮力补偿型耐撞吸能复合材料多层阵列结构模块的制作方法

本发明涉及纤维增强树脂基复合材料夹芯结构应用领域，具体涉及一种浮力补偿型复合材料多层阵列耐撞吸能结构模块。

背景技术：

复合材料具有比强度高、比刚度大、比吸能强以及可设计性好等优点，在结构防护工程领域已得到日益广泛的关注。然而，在一些特殊或者极端的使用环境中，不仅需要防护结构具有优异的吸能特性，而且要具有较好的环境适应性及其它特殊性能。例如，水下结构平台非耐压舷间耐撞防护结构的设计，不仅对防护结构的耐撞防护性能提出了较高要求，而且需要防护结构为水下结构平台提供一定的储备浮力。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种浮力补偿型复合材料多层阵列耐撞吸能结构模块，包括交替叠加布置的混杂复合材料耐撞吸能夹芯板（1）和纤维缠绕复合材料实芯耐撞吸能结构单元（2）；所述混杂复合材料耐撞吸能夹芯板（1）由混杂表层（3）和浮力夹芯层（4）组成，所述纤维缠绕复合材料实芯耐撞吸能结构单元（2）由包含纤维增强复合材料层的纤维缠绕表层（5）和内部浮力芯材（6）组成。

可选的，所述混杂表层（3）为金属层与纤维增强复合材料层交替叠加形成的混杂复合材料层合板结构，所述金属层选用耐海水腐蚀性较好的铝合金型号形成铝合金层，并基于结构力学性能和耐撞吸能效率进行厚度尺寸优化；所述混杂表层（3）采用基于结构力学性能和耐撞吸能效率的优化方案，铝合金层与的纤维增强复合材料层厚度比范围为0.2~0.5，纤维铺层角度范围为±30度~±60度。

可选的，所述浮力夹芯层（4）位于两个混杂表层（3）中间且厚度大于上下混杂表层（3）厚度之和；所述缠绕表层（5）完整包覆在内部浮力芯材（6）表面，所述内部浮力芯材（6）具有椭球形几何型线特征。

可选的，所述混杂表层（3）和纤维缠绕表层（5）中的纤维增强复合材料层选用海洋环境适应型纤维树脂体系，并基于不同工艺成型方式和耐撞吸能效率进行纤维树脂质量比、铺层角度和铺层厚度的优化。

可选的，所述混杂表层（3）和纤维缠绕表层（5）中的纤维增强复合材料层选用玻璃纤维或芳纶纤维作为增强纤维，采用聚酯树脂、乙烯基酯树脂作为树脂基体，纤维树脂质量比在0.7~1.2含量范围内。

可选的，所述浮力夹芯层（4）和内部浮力芯材（6）选用轻质高强度深海固体浮力材料，密度范围在300kg/m3~600kg/m3，静水耐压强度为5MPa~30MPa，动态屈服强度为50~100MPa，且具有典型的弹塑性本构特征关系，线弹性应变范围为0~0.1，塑性段应变范围为0.1~0.6，最后阶段为致密压实段。

可选的，所述浮力夹芯层（4）和内部浮力芯材（6）选用深海轻质高强度固体浮力材料并基于浮力补偿效率和耐撞吸能效率进行厚度和几何型线优化。

可选的，所述混杂复合材料耐撞吸能夹芯板（1）和纤维缠绕复合材料实芯耐撞吸能单元（2）分别采用RTM真空成型工艺和湿法缠绕成型工艺，在常温条件下一次固化成型，形成完整的水下轻质浮力补偿型混杂复合材料耐撞吸能夹芯板（1）和复合材料实芯耐撞吸能结构单元（2）。

可选的，所述纤维缠绕表层（5）采用基于结构力学性能和湿法缠绕成型工艺可实现的缠绕线型优化方案，缠绕角度范围为15度~ 45度，张力设计5N~30N，所述内部浮力芯材（6）采用基于结构力学性能和纤维缠绕表层（5）匹配特性优化设计得到的椭球形几何型线特征，单元高度与上下端面直径比值H/2E的范围为1.2~2.1，椭球型线长轴与短轴比值A/B范围为1.6~1.0，纤维缠绕表层厚度（5）与椭球型内部浮力芯材（6）短轴长度比值T/B的范围为0.01~0.06。

可选的，混杂复合材料耐撞吸能夹芯板（1）厚度与相邻纤维缠绕复合材料实芯耐撞吸能结构单元（2）中心轴间距的比值范围为0.15~0.30；相邻纤维缠绕复合材料实芯耐撞吸能结构单元（2）中心轴距离与结构单元短轴长度的比值范围为1.5~3.0。

本发明的浮力补偿型混杂复合材料耐撞吸能夹芯板结构，包括表层混杂复合材料层合结构和夹芯层固体浮力芯材。表层混杂复合材料和夹芯层固体浮力材料尺寸基于结构力学性能和耐撞吸能效率进行优化设计，以优化的纤维树脂质量比、混杂铺层方案和铺层优化角度，并在常温条件下一次固化成型为混杂复合材料耐撞吸能夹芯板结构。本发明在满足水下防护结构耐撞吸能要求的同时，还能为结构平台提供一定的储备浮力，解决了水下结构耐撞防护性能要求和结构平台设计重量限制的矛盾问题。

附图说明

图1是本发明一实施例所述浮力补偿型耐撞吸能复合材料多层阵列结构模块的结构示意图；

图2是本发明一实施例所述为浮力补偿型耐撞吸能复合材料多层阵列结构模块中的混杂复合材料耐撞吸能夹芯板结构示意图；

图3是本发明一实施例所述为浮力补偿型耐撞吸能复合材料多层阵列结构模块中的纤维缠绕复合材料实芯耐撞吸能结构单元的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出并设计了一种新型的水下轻质浮力补偿型复合材料多层阵列耐撞吸能结构模块，不仅满足了水下结构平台耐撞防护结构的功能性要求，而且能够为水下结构平台提供一定的储备浮力。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的浮力补偿型复合材料多层阵列耐撞吸能结构模块，如图1所示，包括混杂复合材料耐撞吸能夹芯板1和纤维缠绕复合材料实芯耐撞吸能结构单元2。如图2所示，混杂复合材料耐撞吸能夹芯板1由混杂表层3和浮力夹芯层4组成；如图3所示，纤维缠绕复合材料实芯耐撞吸能结构单元2由纤维缠绕表层5和内部浮力芯材6组成。

混杂表层3为金属层与纤维增强复合材料层交替叠加形成的混杂复合材料层合板结构，所述浮力夹芯层4位于两个混杂表层3中间且厚度远大于上下混杂表层3厚度。所述纤维缠绕表层5完整包覆在内部芯材6表面，所述纤维缠绕表层5厚度远小于内部浮力芯材6尺寸，所述内部浮力芯材6具有椭球形几何型线特征。

所述混杂表层3中的金属层选用耐海水腐蚀性较好的铝合金型号并基于结构力学性能和耐撞吸能效率进行厚度尺寸优化。缠绕表层5和混杂表层3中的纤维增强复合材料层选用海洋环境适应型纤维树脂体系并基于不同工艺成型方式和耐撞吸能效率进行纤维树脂质量比、铺层角度和铺层厚度的优化；所述浮力夹芯层4和内部浮力芯材6选用深海轻质高强度固体浮力材料并基于浮力补偿效率和耐撞吸能效率进行厚度和几何型线优化。

混杂复合材料耐撞吸能夹芯板1和纤维缠绕复合材料实芯耐撞吸能单元2分别采用RTM真空成型工艺和湿法缠绕成型工艺，在常温条件下一次固化成型，形成完整的水下轻质浮力补偿型混杂复合材料耐撞吸能夹芯板1和复合材料实芯耐撞吸能结构单元2。在混杂复合材料耐撞吸能夹芯板1和纤维缠绕复合材料实芯耐撞吸能结构单元2设计的基础上，基于整体模块的力学性能和能量吸收效率进行布置方案优化设计后组成复合材料多层阵列耐撞防护结构模块。

上述技术方案中，所述混杂表层3采用交替叠加设计并与浮力夹芯层4胶接复合形成混杂复合材料耐撞吸能夹芯板结构，采用RTM真空成型工艺在常温条件下一体固化成型，确保混杂表层3和浮力夹芯层4间的复合界面性能完好以及夹芯板结构的整体性。

上述技术方案中，所述混杂表层3中所选型的铝合金型号，以及纤维树脂体系，包括玻璃增强纤维和乙烯基酯树脂基体，均具有良好的综合力学性能和耐海水腐蚀特性，且复合固化成型后纤维树脂界面性能良好，纤维树脂质量比经过优化配比达到最优。所述浮力夹芯层4选用中空玻璃微珠填充乙烯基酯系列的固体浮力材料，力学性能以及与混杂表层3中的纤维增强复合材料层的兼容匹配性较好，进一步增强了混杂表层3和浮力夹芯层4间的复合界面性能。

上述技术方案中，所述混杂表层3和浮力夹芯层4采用基于结构力学性能和耐撞吸能效率的优化方案，包括混杂表层和夹芯层厚度，纤维复合材料层铺层角度、层数和单层铝合金厚度。

上述技术方案中，所述缠绕表层5采用湿法缠绕方式完整包覆在内部芯材6表面形成实芯耐撞吸能结构单元，在常温条件下一体固化成型确保了实芯耐撞吸能结构单元的整体性。所述缠绕表层5与内部芯材6之间的复合界面为胶接连接，湿法缠绕加张力设计和一体固化成型工艺确保缠绕表层5和内部芯材6间的复合界面性能完好。

上述技术方案中，所述纤维缠绕表层5选型的纤维树脂体系，包括玻璃纤维和乙烯基酯树脂基体，均具有良好的力学性能和耐海水腐蚀特性，且复合固化成型后纤维树脂界面性能良好，纤维树脂质量比经过优化配比达到最优。所述内部浮力芯材6选用中空玻璃微珠填充乙烯基酯系列的固体浮力材料，力学性能以及与纤维缠绕表层5的兼容匹配性较好，进一步增强了纤维缠绕表层5和内部浮力芯材6间的复合界面性能。

上述技术方案中，所述纤维缠绕表层5采用基于结构力学性能和湿法缠绕成型工艺可实现的缠绕线型优化方案，包括缠绕角度、缠绕厚度和缠绕张力。所述内部浮力芯材6采用基于结构力学性能和纤维缠绕表层5的匹配特性优化设计得到的椭球形几何型线特征。

上述技术方案中，在混杂复合材料耐撞吸能夹芯板1和纤维缠绕复合材料实芯耐撞吸能结构单元2设计的基础上，基于整体模块的力学性能和能量吸收效率进行布置方案优化设计后组成复合材料多层阵列耐撞防护结构模块。

在一具体实施例中，混杂表层3选用的铝合金为船用5052型号，纤维增强复合材料层的纤维树脂体系分别为南京玻璃纤维研究院生产的SW220型号的S-玻璃纤维和南京金陵帝斯曼公司生产的430LV环氧改性的乙烯基酯树脂，浮力夹芯层4为湖北咸宁海威复合材料有限公司生产的HW50型轻质深海固体浮力材料。制作前先对铝合金表面进行化学清洗-磷酸阳极氧化处理。混杂表层3为三层铝合金板和三层玻璃纤维增强乙烯基酯树脂层交替叠加的混杂层合结构，在经过预处理的铝合金薄板表面刷一层偶联剂KH550，然后按叠层次序和±45°铺层角度铺设正交玻璃纤维布，下表层铺设完成后放置浮力夹芯层4固体浮力材料，上表层铺设完成后采用RTM真空成型工艺，灌注乙烯基酯树脂基体抽真空成型，在室温下自然固化24小时。最终固化成型后的混杂表层3的纤维树脂质量比约为1:1，混杂表层3中的铝合金层和纤维增强复合材料层的厚度比值为1:2，混杂表层3和浮力夹芯层4的厚度比值为1:6。缠绕表层5的纤维树脂体系分别为泰山玻璃纤维公司生产的T910型号的E-玻璃纤维和南京金陵帝斯曼公司生产的430LV环氧改性的乙烯基酯树脂，内部浮力芯材6为湖北咸宁海威复合材料有限公司生产的HW50型轻质深海固体浮力材料。制作前先在数控车床上加工出内部芯材的椭球形几何线型，单元高度与上下端面直径比值H/2E为2.1，椭球型线长轴与短轴比值A/B为1.6，缠绕厚度与椭球短轴长度比值T/B为0.013。在缠绕成型前需要进行树脂材料的配制，乙烯基酯树脂、过氧化甲乙酮固化剂和环烷酸钴促进剂的质量配比为100:2:1，常温固化时间为4小时。纤维缠绕表层5采用螺旋缠绕线型，缠绕层数为一层，缠绕角度为25度，最终固化成型后的表层复合材料1的纤维树脂质量比约为1:1，缠绕层总厚度T为1mm。缠绕完成后的样品在常温环境下经过4小时即可完全固化成型。混杂复合材料耐撞吸能夹芯板1和纤维缠绕复合材料实芯耐撞吸能结构单元2制作完成后，按照布置优化设计方案用铝合金螺钉进行装配连接并作水密处理，形成复合材料多层阵列耐撞防护结构模块。

本发明结构简单，耐撞吸能结构模块由混杂复合材料耐撞吸能夹芯板和纤维缠绕复合材料实芯耐撞吸能结构单元两部分组成，夹芯板表层为铝合金层与纤维增强复合材料层交替叠加胶接形成的混杂层合板结构，混杂表层中的铝合金层选用海洋环境适应性和综合力学性能好的铝合金型号，采用RTM真空成型工艺，混杂表层与浮力夹芯层一次固化成型，确保混杂复合材料耐撞吸能夹芯板结构具有较好的耐海水腐蚀性能和耐撞吸能效率。纤维缠绕表层和混杂表层中的纤维增强复合材料层选用海洋环境适应型纤维和树脂体系并优化纤维树脂质量比、铺层角度和铺层总厚度，以达到最佳的工艺成型质量和耐撞吸能效率。浮力夹芯层和内部浮力芯材选用轻质深海高强度固体浮力材料并优化设计厚度尺寸和几何型线，保证夹芯板结构和耐撞吸能结构单元具有良好的力学性能和耐撞吸能效率。纤维缠绕表层采用张力湿法缠绕成型工艺，将优化后的缠绕线型均匀地缠绕到内部芯材表面，纤维缠绕表层和内部浮力芯材在常温条件下一次固化成型，形成完整的水下轻质浮力补偿型复合材料实芯耐撞吸能结构单元。在混杂复合材料耐撞吸能夹芯板和纤维缠绕复合材料实芯耐撞吸能结构单元设计的基础上，基于整体模块的力学性能和能量吸收效率进行布置方案优化设计并进行装配连接设计，确保复合材料多层阵列耐撞吸能结构模块的整体力学性能。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。