网格交叉处无碳纤维堆积的复合材料格栅结构及制造方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合材料格栅结构及其制造方法，特别是涉及一种用于飞机机身、运载火箭壳体、水下无人潜艇等领域的网格交叉节点无碳纤维堆积的复合材料格栅结构及制造方法。

背景技术

碳纤维复合材料由于具有高比强度、比模量、轻量化和耐腐蚀的特点而广泛应用于航空航天、轨道交通、潜艇、武器装备以及体育休闲等民用领域。过去传统的大型飞机、导弹、潜艇、风力发电叶片和高铁车身的结构多为复合材料的层合板和加强筋结构，层合板和加强筋往往不是一体化成型，结果导致整体结构的稳定性不足。

复合材料格栅结构是由金属格栅结构发展而来，一般是由加强筋和蒙皮所组成的。具有截面惯性矩大，抗弯、抗屈曲性能良好，结构效率高和抗失稳能力强等优点，另外由于格栅的加强肋相对独立，其在受到冲击载荷下裂纹不易传播整体性能也比较好。正是如此，也使得格栅结构广泛应用于各类飞机机身、运载火箭、导弹外壳、无人潜艇和高铁车身等航空航天领域。但现有的碳纤维复合材料格栅结构在制作过程中在每个格栅的节点交叉处会产生纤维的堆积现象，而在两交叉结点的中间也存在纤维的架空问题，很容易在这些部分造成应力的集中从而导致结构的失效。

发明内容

为了克服技术背景中存在的问题，本发明对碳纤维复合材料格栅结构的铺层方案处理进行了改进，避免了在结点交叉处产生的纤维堆积现象，使整个格栅结构的纤维含量保持一致，可以更好的传递载荷，进而提高结构的性能。

本发明的技术方案如下：

步骤1：根据碳纤维复合材料格栅结构的尺寸制作碳纤维复合材料格栅结构成型所需的格栅结构模具，如图2所示；

所述的格栅结构模具主要由平台平面以及布置在平台平面上凸起的多个多边形网格块而成，各个多边形网格块等间隔阵列排布布置，多个多边形网格块以矩形阵列排布，相邻多边形网格块之间具有间隙，以相邻多边形网格块之间的间隙作为成型槽；优选地，各个多边形网格块的尺寸均相同，各处成型槽的宽度均相同。

步骤2：根据格栅结构模具中的多边形网格块大小对整张碳纤维预浸料进行剪裁获得各条碳纤维预浸料，共有两种尺寸的碳纤维预浸料，第一种碳纤维预浸料的长度为一个成型槽的宽度与两块多边形网格块的长度之和，第二种的碳纤维预浸料长度为一个成型槽的宽度和一块多边形网格的长度之和，每条碳纤维预浸料的宽度为一个成型槽的宽度；

步骤3：随后在格栅结构模具上进行格栅结构的铺层，在铺层过程中将剪裁好的各条碳纤维预浸料依次布置在成型槽中，具体地：在每一层中，从最中间的多边形网格块开始向周围的多边形网格块进行碳纤维预浸料的铺层，铺层方向以风车叶片形式和旋向布置，这样在同一层中对每个多边形网格块周围的成型槽中铺置碳纤维预浸料，每个多边形网格块周围布置多条碳纤维预浸料且以风车叶片形式和旋向布置，然后对格栅结构模具的最外层多边形网格的外侧也进行铺层，其铺层方案如图3所示；

步骤4：不断重复步骤3，从下到上对各层进行铺层，且上下相邻两层的同一个多边形网格块周围布置的多条碳纤维预浸料的旋向布置相反，使得各层中碳纤维预浸料的铺层布置交错，如图4所示；

这样情况下，每一层的每一多边形网格块的每一角落均会处于被铺设在成型槽中的一条碳纤维预浸料的中间，这样可以保证每一层的碳纤维预浸料厚度一致，避免了在多边形网格块交叉处产生的纤维堆积现象。该条碳纤维预浸料作为该角落的覆盖碳纤维预浸料，上下相邻层的同一角落的覆盖碳纤维预浸料的长度铺设方向相垂直。

步骤5：在接下来的铺层中不断地重复步骤3和步骤4直至铺层达到预定的厚度；

步骤6：进行合模后在压力下进行加热固化成型，随后降温，待格栅结构模具冷却后，进行脱模，得到碳纤维复合材料格栅结构，如图1所示。

所述的多边形网格块为三角形网格块、四边形网格块等，四边形网格块为矩形网格块、方形网格块。优选地、所述多边形网格块为正多边形网格块。此外格栅结构模具形状除了可以是平面外还可以为圆柱形等结构。

所述格栅结构模具中多边形网格块的大小根据所需复合材料格栅结构的尺寸及形状的变化而进行调整。进一步地，所述格栅结构成型模具的矩形网格在模具中的分布密集程度可以根据样件的具体情况而进行适当的调整，这样情况下，采用本方法和自动化的铺设手段可以实现复杂结构的成型。

优选地，在铺层过程中，根据需要以任两个相邻层为一组相邻层组，在所有相邻层组选择至少一个相邻层组，在该相邻层组的两个相邻层之间的成型槽中局部地或者全部地穿插铺设连续的纤维。

所述步骤4中的旋向分为左旋和右旋，当前层的某个多边形网格块周围布置的多条碳纤维预浸料的旋向布置为左旋时，则当前层的下一层和上一层的该多边形网格块周围布置的多条碳纤维预浸料的旋向布置均为右旋。

当旋向为左旋时，各条碳纤维预浸料分别布置在多边形网格块的各条边所在的成型槽中，各条碳纤维预浸料的一端位于多边形网格块角落的成型槽处，且各条碳纤维预浸料另一端以左旋的风车叶片方式向外直线延伸布置在该多边形网格块各边所在成型槽以外的其他成型槽中，且位于与当前多边形网格块相邻的另一多边形网格块角落的成型槽中。

当旋向为右旋时，各条碳纤维预浸料分别布置在多边形网格块的各条边所在的成型槽中，各条碳纤维预浸料的一端位于多边形网格块角落的成型槽处，且各条碳纤维预浸料另一端以右旋的风车叶片方式向外直线延伸布置在该多边形网格块各边所在成型槽以外的其他成型槽中，且位于与当前多边形网格块相邻的另一多边形网格块角落的成型槽中。

根据以上的方案设计，本发明具有以下优点:

本发明对现有碳纤维复合材料的格栅结构成型制造方案进行了优化设计，避免了原有方案中在格栅结点交叉处容易产生的纤维堆积问题。根据本发明所述的方案不仅可以对平面的层合板的结构进行设计，对于一些特种的异形件如飞机尾翼以及圆柱形壳体等结构也可以进行设计。

附图说明

图1是碳纤维复合材料格栅结构示意图。

图2是碳纤维复合材料格栅结构成型所需的模具示意图。

图3是本发明和实施例中步骤3的铺层方案示意图。

图4是本发明和实施例中步骤4的铺层方案示意图。

图5是对比例中步骤3的铺层方案示意图。

图6是对比例中步骤4的铺层方案示意图。

图7是实施例和对比例的测试过程示意图。

图8是实施例和对比例的测试结果。

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技术说明。

本发明的实施例如下：

实施例

步骤1：根据试件的形状及尺寸制作碳纤维复合材料格栅结构成型所需模具如图2所示，为了方便脱模，矩形网格的截面存在一个5°的倾斜角。

步骤2：根据模具的多边形网格块尺寸对碳纤维预浸料进行剪裁，本实施例中碳纤维预浸料的尺寸共有两种，其中一种的长度为一个成型槽的宽度与相邻的两块矩形网格块的长度之和，另外一种的长度为一个成型槽的宽度与一块矩形网格的长度之和，其宽度即为成型槽的宽度2，在本实施案例中其尺寸分别为143*14mm和75*14mm，进一步的碳纤维预浸料尺寸随着网格侧面倾斜角的变化及铺层的厚度的增加而进行相应的调整。

步骤3：随后在成型模具上进行格栅结构的铺层，在铺层过程中将剪裁好的碳纤维预浸料依次分别地沿着某个矩形网格块的几何方向进行铺层并逐渐向外扩展直到铺满模具的第一层为止，如图3所示；

第一层中，在每个多边形网格块周围的成型槽中铺置多条碳纤维预浸料3，每个多边形网格块1周围布置的多条碳纤维预浸料3以左旋的风车叶片形式布置，这样在同一层中对各个多边形网格块1周围的成型槽中铺置碳纤维预浸料3。

步骤4：按照如上的铺层方案继续进行接下来的铺层，其特征在于上一层中间断的部分刚好被下一层的碳纤维预浸料所覆盖，并逐步向外扩展直至铺满整个模具，如图4所示；

例如第二层中，在每个多边形网格块周围的成型槽中铺置多条碳纤维预浸料3，每个多边形网格块1周围布置的多条碳纤维预浸料3以右旋的风车叶片形式布置，这样在同一层中对各个多边形网格块1周围的成型槽中铺置碳纤维预浸料3。

第一层和第二层的上下相邻层的同一角落的覆盖碳纤维预浸料的长度铺设方向相垂直。

步骤5：在接下来的铺层中不断地重复步骤3和步骤4直至达到预定的厚度，本实施案例中所选的铺层方案为50层。

步骤6：合模后，在一定的压力下进行加热固化成型，本实施案例中固化条件为从室温逐渐升温至80℃保温30分钟后升温至120℃保温90分钟，随后降温，待模具冷却后，进行脱模，即可得到碳纤维复合材料格栅结构样件，如图1所示。

对比例

制作一个交叉节点有碳纤维堆积的复合材料格栅结构与本发明进行对比验证。

步骤1：制作成型所需模具，本实施例中所用模具与实施例所用相同。

步骤2：根据模具的多边形网格块尺寸对碳纤维预浸料进行剪裁，裁剪尺寸的长度为两排平行矩形网格块之间的长度，宽度即为成型槽的宽度，在本实施案例中共有四种不同的碳纤维预浸料尺寸，分别为520*14mm，380*14mm，230*14mm和95*14mm，进一步的碳纤维预浸料尺寸随着网格侧面倾斜角的变化及铺层厚度的增加而进行相应的调整。

步骤3：随后在成型模具上进行格栅结构的铺层，在铺层过程中将剪裁好的碳纤维预浸料按照图5的方式进行铺层。

步骤4:按照如上的铺层方案继续进行接下来的铺层，在铺层过程中将剪裁好的碳纤维预浸料按照图6的方式进行铺层。

步骤5：在接下来的铺层中不断地重复步骤3和步骤4直至达到预定的厚度，本实施案例中所选的铺层方案为50层。

步骤6：合模后，在一定的压力下进行加热固化成型，本实施案例中固化条件为从室温逐渐升温至80℃保温30分钟后升温至120℃保温90分钟，降温待模具冷却后，进行脱模，即可得到碳纤维复合材料格栅结构样件，如图1所示。

对实施例和对比例中的格栅结构样件进行弯曲强度的测试，获得弯曲载荷和位移的曲线关系，其测试过程及方案如图7所示，力和位移的测试结果如图8所示。由于对比例中的格栅结构存在节点交叉以及节点周围的纤维架空现象，因此不利于载荷的传递，从而产生应力集中过早的引起了纤维的失效导致结构失去承载能力，而实施例中避免了上述的情况，所以结构的性能要更好。

由此实施可见，本发明对碳纤维复合材料格栅结构的铺层方案进行了改进，一方面避免了在节点处的纤维堆积以及两结点之间的纤维架空现象，另一方面也改善了在成型过程中由于节点处纤维堆积而造成成型样件受压不均匀的问题同时达到了轻量化的目的，取得了显著优异的技术效果和结果。