三维五向编织碳纤维管状结构轻质高强抗冲击设计方法

技术领域

本发明属于临近空间浮空器领域，具体涉及一种三维五向编织碳纤维管状结构轻质高强抗冲击设计方法。

背景技术

碳纤维复合材料由于其优异的力学性能已被广泛应用于航空航天和国防科技领域，作为承力结构的复合材料，主要有胶接、机械连接、铆接、混合连接和预埋连接等几种连接形式，以上设计目前主要考虑二维复合材料连接模式，对于层间性能比较显著的二维复合材料作为主承载结构很难满足轻质高强要求。

通常来说，二维复合材料具有面外性能较差、热/力循环下分层严重、在临近空间极端环境(-90℃以下)条件下细观界面脆弱等突出问题。而三维编织复合材料正好弥补了二维复合材料的以上不足，在三维四向编织结构的基础上，增加了z向纱线使结构的轴向力学性能显著增强，三维五向编织结构应用于临近空间浮空器主承力结构具有突出优势。

发明内容

为解决当前二维复合材料在连接性能方面存在的不足，本发明提供一种三维五向编织碳纤维管状结构轻质高强抗冲击设计方法，为碳纤维复合材料作为主承载结构实现轻质抗冲击提供技术支撑。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种三维五向编织碳纤维管状结构轻质高强抗冲击设计方法，包括如下步骤：

步骤1、对碳纤维管状结构采用三维五向编织构型进行编织，纤维体积含量控制在50％～55％范围内，孔隙率控制在6％以下；

步骤2、在编织后的碳纤维管状结构的两个端部预埋含内螺纹并带有尖针的TC4钛合金刺辊接头，TC4钛合金刺辊接头上的尖针扎入到碳纤维管状结构的厚度方向；

步骤3、在TC4钛合金刺辊接头的外表面沿周向方向均布16根尖针，相邻两根尖针的针尖的夹角为22.5度；沿着TC4钛合金刺辊接头的高度方向均布10排尖针，相邻两排尖针的高度为5mm，相邻两排尖针的角度错开11.25度布置，TC4钛合金刺辊接头的外表面的针孔的孔径大于尖针的根部外径；

步骤4、将TC4钛合金刺辊接头的外表面的孔深控制在5～5.5mm之间，尖针扎入孔内的深度控制在5～5.5mm范围内，公差±0.2，尖针采用圆柱根部和锥形针尖，尖针的尖端露出TC4钛合金刺辊接头的外表面的尺寸控制在2.8～3.5mm范围内；

步骤5、在编织后的碳纤维管状结构的内部设计PMI泡沫芯材内衬，其外部是三维五向编织管状预制体，PMI泡沫芯材内衬的外径比不带尖针的TC4钛合金刺辊接头的外径大1mm，TC4钛合金刺辊接头与PMI泡沫芯材内衬连接的根部处的PMI泡沫芯材内衬的外径和TC4钛合金刺辊接头的外径共同决定编织后的碳纤维管状结构的壁厚大小；

步骤6、将编织好的碳纤维管状结构连同PMI泡沫芯材内衬实施树脂传递模塑成型一体固化，得到含预埋刺辊的编织管状标准结构件。

有益效果：

采用本发明提出的三维五向编织碳纤维管状结构轻质高强抗冲击设计方法，相比传统复合材料胶接连接和混合连接等设计，其承载能力是传统胶接连接承载能力的5倍以上，最低承载能力不小于150kN，根据结构件不同承载使用要求，可对编织预制体进行抗拉、抗扭和抗弯设计。编织预制体内衬结构的设计一方面使固化更有效，另一方面可有效调节壁厚，采用预埋刺辊设计方法的三维五向碳纤维管状结构件满足轻质高强抗冲击能力，可应用于临近空间浮空器实际飞行试验。

附图说明

图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)为本发明的三维五向编织碳纤维管状结构轻质高强抗冲击设计方法示意图；其中图1(a)为带尖针刺辊接头几何尺寸图，图1(b)为刺辊接头立体图，图1(c)为刺辊接头俯视图，图1(d)为原理图。

图2为本发明的三维五向编织碳纤维管状结构示意图。

图3为固化好的圆管件示意图。

图中，TC4钛合金刺辊接头-1，PMI泡沫芯材内衬-2，三维五向编织管状预制体-3，尖针-4，根部-5，刺辊接头外端部-6，刺辊接头内螺纹孔-7，PMI泡沫芯材-8。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1(d)所示，本发明的三维五向编织碳纤维管状结构轻质高强抗冲击设计方法包括如下步骤：

步骤1、对碳纤维管状结构采用三维五向编织构型进行编织，目的是获得更大的轴向承载强度，纤维体积含量控制在50％～55％范围内，孔隙率控制在6％以下；

步骤2、在编织后的碳纤维管状结构的两个端部预埋含内螺纹的并带有尖针的TC4钛合金刺辊接头1，刺辊上的尖针4扎入到碳纤维编织预制体的厚度方向；

步骤3、在TC4钛合金刺辊接头1的外表面沿周向方向均布16根尖针4，相邻两根尖针4的针尖的夹角为22.5度；如图1(a)所示，沿着TC4钛合金刺辊接头1的高度方向均布10排尖针4，相邻两排尖针4的高度为5mm，相邻两排尖针4的角度错开11.25度布置，如图1(b)所示，TC4钛合金刺辊接头1的接头外表面的针孔的孔径大于尖针4的根部外径，如图1(a)、图1(c)所示；

步骤4、将TC4钛合金刺辊接头1的外表面的孔深控制在5～5.5mm之间，尖针4扎入孔内的深度控制在5～5.5mm范围内(公差±0.2)，尖针4采用圆柱根部和锥形针尖，尖针4的尖端露出TC4钛合金刺辊接头1的外表面的尺寸控制在2.8～3.5mm范围内，如图1(a)所示；

步骤5、在编织后的碳纤维管状结构的内部设计PMI泡沫芯材内衬2，其外部是三维五向编织管状预制体3，PMI泡沫芯材内衬2的外径比不带针刺的TC4钛合金刺辊接头1的外径大1mm，TC4钛合金刺辊接头1与PMI泡沫芯材8连接的根部5处的PMI泡沫芯材内衬2的外径和TC4钛合金刺辊接头1的外径共同决定编织后的碳纤维管状结构的壁厚大小。

若对编织结构件轴向承载性能要求较高，则将编织角控制在10～15度范围内，轴向纤维含量尽量增大，编织构型选用三维五向；若对编织结构件抗扭性能要求较高，则将编织角控制在20～35度范围内，三维编织四向纱的含量相对较高；

步骤6、将编织好的碳纤维管状结构连同PMI泡沫内衬2实施树脂传递模塑(RTM)成型一体固化，得到含预埋刺辊的编织管状标准结构件。

本发明综合了复合材料胶接连接，铆接连接和混合连接各自的优势，克服了二维缠绕复合材料层间性能较弱的缺点，实现了结构轻质高强抗冲击能力提升。

本发明实现了承载性能可设计性，编织角和纤维体积含量均可根据使用性能要求进行设计，对于轴向承载性能要求较高的结构件，可选用三维五向编织构型，对于抗扭性能较高的结构件，可选用三维四向编织构型，力学性能增强的同时满足了最大程度轻量化和抗冲击要求；

本发明有效地将传统连接方法中的面内剪切失效转化为剪切和弯曲组合失效，提高了抗冲击能力，最大限度降低了界面对失效行为的影响，并且有效避免了传统连接中容易出现的应力集中现象，使承载能力大大增强；

三维五向碳纤维管状结构件总体设计示意图如图2所示，TC4钛合金刺辊接头1、三维五向编织管状预制体3和PMI泡沫芯材8形成的圆管的设计长度为l，刺辊接头选用TC4钛合金，接头长度设计为0.1～0.15l，尖针4的圆柱根部的外径为2mm，尖针4的总长度为7.8mm，TC4钛合金刺辊接头1含尖针4的外径比圆管设计外径小1.4mm左右；

刺辊的尖针4的外形设计为根部圆柱状，尖端为锥形，圆柱根部与锥形尖端的连接部位采用光滑过渡，尖针4的圆柱端采用刚性压入的方式与TC4钛合金刺辊接头1固定连接，TC4钛合金刺辊接头1的实体壁厚比针孔深度至少大2mm；

PMI泡沫芯材8形成PMI泡沫芯材内衬2，用于固定圆管两端的TC4钛合金刺辊接头1，PMI泡沫芯材8的两个端部插入刺辊接头内螺纹孔7的里面，做为圆管刚度内衬的同时也对圆管壁厚进行调节，最后通过编织得到包含两个TC4钛合金刺辊接头1，PMI泡沫芯材内衬2的三维五向编织碳纤维圆管结构；

三维五向编织管状预制体3的编织厚度设计为每层0.5mm，总厚度根据设计尺寸进行编织，最终得到的含尖针的TC4钛合金刺辊接头1的外径比三维五向编织管状预制体3的设计外径小约0.2mm；

将编织好的三维五向编织管状预制体3的整体进行RTM一体固化成型，得到标准化的主承力结构件，将固化后的管状结构内部的PMI泡沫芯材8中空，实现最大程度轻量化设计，对固化好的圆管件(如图3)进行二次精加工，得到实际工程应用轻质抗冲击主承力结构件。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。