一种双曲帽型长桁预制成型方法及双曲帽型长桁

技术领域

本发明涉及飞机零部件制造技术领域，尤其涉及一种双曲帽型长桁预制成型方法及双曲帽型长桁。

背景技术

复合材料具有质量轻、较高的比强度和比模量、较好的延展性和可设计性等特点，广泛应用于飞机、火箭、航天飞行器的制造中。复合材料是一种沿厚度方向包括多层料片，且不同的层别的料片的纤维延伸方向之间的夹角关系可以根据需要进行设计的材料。

帽型长桁是飞机制造领域一种常用的工件，帽型长桁包括等直帽型长桁(未图示)和双曲帽型长桁10(如图1所示)，且两种帽型长桁均包括帽部11和蒙皮部12。对于等直帽型长桁，其蒙皮部为平面结构且帽部的延伸方向为直线，其在成型时，将多层料片的纤维按照预设的角度关系铺设形成一个矩形的坯料，再采用热模压的方式将坯料压制成型。对于双曲帽型长桁10，如图1所示，其帽部11的延伸方向为空间曲线，蒙皮部12为空间曲面，其通常采用热压罐固化成型的方式加工，但这种方式成型存在效率低、纤维角度控制难度大等缺点。若按照等直帽型长桁的成型方式进行成型的话(即采用矩形坯料进行热模压)，由于其曲面的形状，如图2所示，会导致最终成型的双曲帽型长桁10中一些层别的料片90的纤维91方向发生偏转，使成型后工件内的纤维91状态不对称，进而导致工件性能无法满足使用要求。

因此，亟待需要一种双曲帽型长桁预制成型方法来解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种双曲帽型长桁预制成型方法，其成型的双曲帽型长桁各层料片的纤维延伸方向准确，且成型效率高。

本发明的另一个目的在于提出一种双曲帽型长桁，其通过上述的双曲帽型长桁预制成型方法加工而成，纤维方向精准度高，性能好。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种双曲帽型长桁预制成型方法，包括：

步骤100，以预设展开方式将双曲帽型长桁的三维模型展开为模拟平面料片；其中，所述模拟平面料片上具有对应于所述双曲帽型长桁的帽部的中线模拟中线，所述模拟中线为平面曲线；

步骤200，参照所述模拟平面料片的形状裁切各层料片，并依次铺贴各层料片，以形成平板坯料；其中，沿所述模拟中线的延伸方向将所述模拟平面料片划分为多个分隔区域，每个所述分隔区域建立一个平面坐标系；每层料片在铺贴不同的所述分隔区域时，其纤维延伸方向分别参照对应的所述分隔区域的平面坐标系；

步骤300，将所述平板坯料以预设定位方式安装在热模压模具中，并进行热模压；其中，所述热模压模具用于成型所述帽部的型腔的中线的两端分别设置有主定位部，所述平板坯料上对应于所述模拟中线的两端分别限位于所述主定位部。

作为一个可选方案，步骤100中，预设展开方式包括：

步骤110，拾取所述双曲帽型长桁的三维模型中帽顶的R角边线，将所述R 角边线平移至帽顶的中点，得到中间曲线；

步骤120，过所述中间曲线做垂直于所述双曲帽型长桁模型的蒙皮部的上表面的第一辅助平面，所述第一辅助平面与所述蒙皮部上表面的交线为曲面料片中线；

步骤130，选取所述双曲帽型长桁上的多个特征点，以所述曲面料片中线为基准，计算各个所述特征点在所述上表面上的等效位置，连接各个所述等效位置，并获得模拟曲面料片的形状；

步骤140，将所述模拟曲面料片展开为平面，以获得所述模拟平面料片，所述曲面料片中线形成所述模拟中线。

作为一个可选方案，步骤130中，所述等效位置的计算方法包括：

经过所述特征点做垂直于所述曲面料片中线的第二辅助平面；

所述第二辅助平面与所述中间曲线的交点为辅助点，获取所述特征点与所述辅助点在所述第二辅助平面上的连接轨迹的长度a；

自所述特征点向所述曲面料片中线做垂线；

所述等效位置位于所述垂线的延长线上且距离所述曲面料片中线的距离为 a。

作为一个可选方案，步骤130中，连接各个所述等效位置后获得模拟中间曲面料片的形状，在所述模拟中间曲面料片的基础上外扩预设距离，从而得到所述模拟曲面料片。

作为一个可选方案，步骤130中，所述特征点包括位于所述蒙皮部上的凸耳远离所述曲面料片中线的端点。

作为一个可选方案，步骤200中，所述平面坐标系的建立方法为：

在每个所述分隔区域对应的所述模拟中线上选取一个点作为铺设原点，以所述铺设原点处所述模拟中线的延伸方向作为0°方向建立平面坐标系。

作为一个可选方案，步骤200中，每层料片由多个子料片拼接而成。

作为一个可选方案，步骤200中，在铺贴每层料片时，采用激光投影标记所述模拟平面料片的轮廓，和/或多个所述平面坐标系，和/或当前层的所述料片的纤维分别在各个所述分隔区域内的延伸方向。

作为一个可选方案，步骤300中，所述热模压模具上还设置有多个辅助定位部，所述辅助定位部用于限位所述平板坯料的轮廓。

一种双曲帽型长桁，采用上述的双曲帽型长桁预制成型方法制造而成。

本发明有益效果为：

本发明的双曲帽型长桁预制成型方法，通过预设的展开方法将双曲帽型长桁的三维模型展开为模拟平面料片，该方法将双曲帽型长桁为曲面造型考虑在内，使得模拟平面料片的模拟中线为曲线；接下来在各层料片铺贴时，以模拟中线的延伸方向为基准划分为多个分隔区域并分别建立坐标系，使同一层料片在铺贴不同分隔区域时其纤维延伸方向参照对应的坐标系，相当于提前使各层的纤维方向预留一定的偏角，用于弥补热模压过程的纤维偏转；最后，在热模压成型时，将平板坯料的模拟中线的两端定位在热模压模具用于成型帽部的型腔的中线的两端，从而实现了平板坯料坐标系与模具坐标系的匹配，进而能够保证最终成型后的双曲帽型长桁(即工件)的各层料片中纤维的延伸方向的准确性以及纤维的对称性，保证工件的性能符合要求。且热模压的成型效率高，保证了双曲帽型长桁的成型效率。

本发明的双曲帽型长桁，通过采用上述的双曲帽型长桁预制成型方法加工而成，纤维方向精准度高，性能好。

附图说明

图1是双曲帽型长桁的结构示意图；

图2是现有技术中采用矩形坯料热模压双曲帽型长桁时其中一层料片在热模压前后的纤维延伸方向的对比图；

图3是本发明具体实施方式提供的获取双曲帽型长桁模型上中间曲线的示意图；

图4是本发明具体实施方式提供的获取曲面料片中线的示意图；

图5是本发明具体实施方式提供的获取第二辅助平面的示意图；

图6是本发明具体实施方式提供的计算特征点在第一辅助平面上的等效位置的示意图；

图7是本发明具体实施方式提供的获得模拟中间曲面料片的示意图；

图8是本发明具体实施方式提供的获得模拟曲面料片的示意图；

图9是本发明具体实施方式提供的将模拟曲面料片展开为模拟平面料片的示意图；

图10是本发明具体实施方式提供的模拟平面料片的结构示意图；

图11是本发明具体实施方式提供的在铺贴纤维角度为0°的料片的示意图；

图12是本发明具体实施方式提供的在铺贴纤维角度为45°的料片的示意图；

图13是本发明具体实施方式提供的在铺贴纤维角度为90°的料片的示意图；

图14是本发明具体实施方式提供的在铺贴纤维角度为135°的料片的示意图；

图15是本发明具体实施方式提供的平板坯料在热模压模具中的示意图；

图16是本发明具体实施方式提供的将平板坯料定位在热模压模具的下膜上的示意图；

图17是图16中的A处放大图。

图中：

10、双曲帽型长桁；11、帽部；111、R角边线；112、中间曲线；12、蒙皮部；121、第一辅助平面；122、曲面料片中线；123、等效位置；124、上表面； 13、凸耳；131、特征点；

20、模拟平面料片；21、模拟中线；22、分隔区域；221、铺设原点；222、 0°方向；

30、平板坯料；

40、下模具；41、主定位部；42、辅助定位部；

50、模拟曲面料片；60、模拟中间曲面料片；70、第二辅助平面；71、辅助点；72、连接轨迹；73、垂线；80、上模具；

90、料片；91、纤维。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1所示，双曲帽型长桁10包括帽部11和蒙皮部12，帽部11的延伸方向为空间曲线，蒙皮部12连接在帽部11的两侧，且蒙皮部12所在的平面为空间曲面，蒙皮部12上设置有若干凸耳13。双曲帽型长桁10(以下简称工件) 若直接采用等直帽型长桁的成型方式热膜压成型，其各层料片的纤维反向回发生偏转，最终影响工件的性能。

对此，如图3-图17所示，本实施例提供了一种双曲帽型长桁预制成型方法，包括：

步骤100，以预设展开方式将双曲帽型长桁10的三维模型展开为模拟平面料片20。其中，模拟平面料片20上具有对应于双曲帽型长桁10的帽部11的中线的模拟中线21，模拟中线21为平面曲线。需要说明的是，此处的“对应”表示模拟中线21的位置在成型后即为帽部11的中线。

步骤200，参照模拟平面料片20的形状裁切各层料片，并依次铺贴各层料片，以形成平板坯料30。其中，沿模拟中线21的延伸方向将模拟平面料片20 划分为多个分隔区域22，每个分隔区域22建立一个平面坐标系；每层料片在铺贴不同的分隔区域22时，其纤维延伸方向分别参照对应的分隔区域22的平面坐标系。需要说明的是，料片是一种柔性的材料，其纤维延伸方向统一且肉眼可见。也就是说，同一层的料片在各个分隔区域22处的纤维延伸方向不是完全一致。

步骤300，将平板坯料30以预设定位方式安装在热模压模具中，并进行热模压。其中，热模压模具用于成型帽部11的型腔的中线的两端分别设置有主定位部41，平板坯料30上对应于模拟中线21的两端分别限位于主定位部41。

本发明的双曲帽型长桁预制成型方法，通过预设的展开方法将双曲帽型长桁10的三维模型展开为模拟平面料片20，该方法将双曲帽型长桁10为曲面造型考虑在内，使得模拟平面料片20的模拟中线21为曲线；接下来在各层料片铺贴时，以模拟中线21的延伸方向为基准划分为多个分隔区域22并分别建立坐标系，使同一层料片在铺贴不同分隔区域22时其纤维延伸方向参照对应的坐标系，相当于提前使各层料片在不同分隔区域22的纤维方向对应预留一定的偏角，用于弥补热模压过程的纤维偏转；最后，在热模压成型时，将平板坯料30 的模拟中线21的两端定位在热模压模具用于成型帽部11的型腔的中线的两端，从而实现了平板坯料30坐标系与模具坐标系的匹配，进而能够保证最终成型后的双曲帽型长桁10(即工件)的各层料片中纤维的延伸方向的准确性以及纤维的对称性，保证工件的性能符合要求。且热模压的成型效率高，保证了双曲帽型长桁10的成型效率。

需要说明的是，步骤100将双曲帽型长桁10的三维模型展开为模拟平面料片20的过程在模拟软件中进行，模拟软件为本领域常用的工具，其具体种类可以根据实际需要灵活选择。具体预设展开方式包括以下步骤：

步骤110，如图3所示，在模拟软件中，拾取双曲帽型长桁10的三维模型中帽顶的R角边线111，将R角边线111平移至帽顶的中点，得到中间曲线112。需要说明的是，帽顶即帽部11的顶部。由于帽顶本身是曲面，在模拟软件中，帽顶的中线不是实体曲线，无法直接获取，故通过拾取R角边线111再进行平移的方式可以获取帽顶的中线，即中间曲线112，以作为下一步使用。

步骤120，如图4所示，在模拟软件中，双曲帽型长桁10的蒙皮部12的上表面124(一个曲面)是可以直接获取的，过中间曲线112做垂直于蒙皮部12 的上表面124的曲面，即可得到第一辅助平面121，第一辅助平面121与蒙皮部 12的上表面124的交线为曲面料片中线122。

步骤130，如图5所示，选取双曲帽型长桁10的凸耳13远离曲面料片中线 122的一端的端点作为双曲帽型长桁10的特征点131。如图6-图8所示，以曲面料片中线122为基准，计算各个特征点131在蒙皮部12的上表面124上的等效位置123，连接各个等效位置123后获得模拟中间曲面料片60的形状。考虑到实际加工需要留有一定的加工余量，如图8所示，在模拟中间曲面料片60的基础上，在各个方向上均向外扩预设距离，从而得到模拟曲面料片50。具体地，外扩的预设距离可以为25～35mm，以上范围仅为较佳取值范围，其他实施例中可以根据实际需要选择设置，在此不做限定。

具体地，步骤130中特征点131对应的等效位置123的获取方法包括：首先，如图5和图6所示，经过特征点131做垂直于曲面料片中线122的第二辅助平面70。接着，如图6所示，第二辅助平面70与中间曲线112的交点为辅助点71，获取特征点131与辅助点71在第二辅助平面70上的连接轨迹72的长度 a。需要说明的是，连接轨迹72实际上是双曲帽型长桁10被第二辅助平面70 截取的部分截面轨迹。进一步地，连接轨迹72的长度a可以直接通过模拟软件的计算求得。再者，如图6所示，自特征点131向曲面料片中线122做垂线73。最后，在上述垂线73的延伸线上获取对应特征点131的等效位置123，该等效位置123距离曲面料片中线122的距离为a。需要说明的是，对于双曲帽型长桁10而言，位于第一辅助平面121两侧的蒙皮部12上均有多个特征点131，每个特征点131均按照上述的方法获取对应的等效位置123。

步骤140，如图9和图10所示，将模拟曲面料片50展开为平面，以获得模拟平面料片20，模拟曲面料片50上的曲面料片中线122对应形成模拟中线21，模拟平面料片20的轮廓线为曲线。需要说明的是，具体将模拟曲面料片50展开为平面的方法为本领域技术人员的常用手段，其具体算法在此不再赘述。

需要说明的是，对于每种双曲帽型长桁10，其料片的具体层数、在成型后各层料片的纤维延伸的相对角度等参数均是预定好的，在铺贴各层料片时，需要依照上述预定参数进行。且在制作平板坯料30时，各层料片的铺贴形状、纤维的铺贴方向等均需要以步骤100中获得的模拟平面料片20为依据进行铺贴。

具体地：

步骤200中，如图11所示，首先沿模拟中线21的延伸方向将模拟平面料片20划分为多个分隔区域22，并在每个分隔区域22建立一个独立的平面坐标系。具体平面坐标系的建立方式为：在每个分隔区域22对应的模拟中线21上选取一个点作为铺设原点221，以铺设原点221处模拟中线21的延伸方向(即切线方向)作为0°方向222建立平面坐标系。需要说明的是，将模拟平面料片 20划分的分隔区域22的具体个数可以根据工件对纤维角度延伸方向的精度要求选择设置，精度要求越高，划分的分隔区域22的数量则越多。对于铺设原点221的位置可以为模拟中线21在对应的分隔区域22内的部分的中点，在此不做限定。

在铺贴每层料片时，如图11-图14所示，可以采用激光投影来标记好模拟平面料片20的轮廓、各个平面坐标系的延伸方向以及当前层的料片的纤维分别在各个分隔区域22内的延伸方向。具体地，不同层别的纤维延伸方向可以分别与0°的夹角为45°、90°、135°等，以上仅为示例，实际纤维延伸方向与0°之间的夹角数值可以对应的工件的预定参数进行铺设。进一步地，对于每层的料片，其由多个子料片拼接而成，一方面是由于纤维材料本身的宽度尺寸有限，另一方面，能够保证料片在不同分隔区域22内的纤维延伸方向分别与对应的平面坐标系中的0°的夹角满足预定参数的要求。需要说明的是，在加工各个子料片时，可以在相邻两个子料片上做对位标记，从而保证铺贴的便利性。

当参照激光投影将各层料片依次铺贴后即可得到平板坯料30，需要说明的是，平板坯料30的形状与模拟平面料片20的形状相同，即其轮廓为曲线，且平板坯料30的中线即为模拟中线21重合。

接下来，需要将平板坯料30安装在热模压模具中进行压制，在将平板坯料 30放置在热模压模具中时，需要保证平板坯料30的坐标与模具的坐标的对应性，才能保证最终成型的工件中各料片的纤维延伸方向与预定的参数一致。

具体地，如图15和图16所示，热模压模具包括上模具80和下模具40，平板坯料30设置在上模具80和下模具40之间。具体地，如图16和图17所示，下模具40上设置有用于成型双曲帽型长桁10的帽部11的型腔，型腔中线的两端分别设置有主定位部41。具体地，主定位部41可以为设置在型腔内的凸起结构。相应地，平板坯料30在沿其模拟中线21的两端分别设置有凹槽31。每个凹槽31对应与一个主定位部41卡接配合，从而能够实现平板坯料30在下模具 40上的定位。通过将模拟中线21的两端与用于成型帽部11的型腔的中线的两端对应设置，从而保证了平板坯料30坐标系与模具坐标系的对应关系，保证最终成型的工件中各层的纤维角度延伸方向的准确性。

进一步地，如图16和图17所示，下模具40上还设置有多个辅助定位部42，辅助定位部42用于限位平板坯料30的轮廓，以进一步提高平板坯料30的位置精度，进而保证成型的工件的纤维延伸方向的精准度。具体地，如图16所示，位于型腔的两侧分别设置有多个辅助定位部42，多个辅助定位部42间隔设置且与平板坯料30的边缘抵接。其他实施例中，也可以在平板坯料30的边缘设置卡槽，使得辅助定位部42卡接在卡槽内进行定位，在此不做具体限定。

本实施例还提供了一种双曲帽型长桁，通过采用上述的双曲帽型长桁预制成型方法加工而成，纤维方向精准度高，性能好。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。