CN110641043B - 一种复合材料x型帽形壳体的铺层工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合材料X型帽形壳体的铺层工艺首先在X型左、右两臂的等直段上对称设置相同数量的拼接位置；然后在预浸料凸起部分上以X型左、右两臂对称轴为轴线开设剪口，并设置两个交替使用的剪口拼接位置；最后将预浸料按设计的方式沿设置的各层铺层角度在模具内进行铺层。本发明提供的铺层工艺效率高，整体性好；拼接方案克服了布幅限制问题，提高了材料利用率，减小了材料拼接对壳体力学性能的影响；开设剪口方案解决了预浸料在铺放时的拉扯变形和交叠起皱等工艺难题，且该剪口方案对壳体力学性能的影响最小。

Description

一种复合材料X型帽形壳体的铺层工艺

技术领域

本发明涉及复合材料成型工艺技术领域，尤其是一种复合材料X型帽形壳体的铺层工艺。

背景技术

帽形壳体是复合材料X型支架的内、外壳体结构，其主要作用是增强复合材料X型支架结构的稳定性。帽形壳体为空间异型结构，由平纹织物复合材料制备而成。帽形壳体采用单面阴模热压罐成型工艺制备。

由于帽形壳体结构复杂，其铺层工艺存在诸多困难。受布幅限制，存在每一块预浸料不能完整覆盖整个X型帽形壳体模具的问题。X型帽形壳体的交叉段为X型的左右两臂交叉形成的四通中空结构，平纹织物铺层在交叉段铺层时会遇到拉扯变形、交叠起皱等工艺难题。

发明内容

本发明提供一种复合材料X型帽形壳体的铺层工艺，用于克服现有技术中的布幅限制问题、交叉段铺层时遇到的拉扯变形、交叠起皱等工艺难题，解决了预浸料无法完整覆盖整个X型帽形壳体模具的难题，且制备的交叉段铺层拉扯变形小且无交叠起皱等问题。

为实现上述目的，本发明提出一种复合材料X型帽形壳体的铺层工艺，包括以下步骤：

S1：在由多块预浸料拼接形成的X型支架左、右两臂的等直段上对称位置处分别设置相同数量的一系列拼接位置，所述拼接位置贯穿所述等直段宽度方向，同一臂上的所有所述拼接位置沿该臂的长度方向排列；

S2：准备若干层预浸料，在每层所述预浸料交叉段凸起部分沿对称轴线开设剪口；

在交叉段凸起部分上以剪口为轴线设置对称的两个剪口拼接位置，记为第一剪口拼接位和第二剪口拼接位；

在使用其中一个剪口拼接位置时，使交叉段凸起部分上预浸料的重叠发生在当前剪口拼接位置处，并将所述预浸料的重叠部分其中一层沿当前裁剪掉；

S3：将S2准备的若干层所述预浸料在模具上进行逐层定向摆放，并以预浸料上的剪口进行定位；并按S1设置的拼接位置同时遵从同一臂上的排列顺序且左、右两臂交替的原则进行拼接；

将每层预浸料按各自设定的铺层角度进行铺层，并按S2设置的剪口拼接位置对预浸料凸起部分进行拼接，相邻两铺层上的剪口拼接位置交替使用第一剪口拼接位与第二剪口拼接位。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

本发明提供的复合材料X型帽形壳体的铺层工艺首先在X型左、右两臂的等直段上对称位置处分别设置相同数量的拼接位置，左、右两臂的拼接位交替使用，同一臂上的拼接位置依次使用；在X型一支臂上设置拼接位置是用来克服布幅限制问题；左、右两臂的拼接位交替使用可使壳体左、右两臂力学性能一致；设置多个不同拼接位且同一臂上的拼接位置依次使用，如此设计可尽可能减小因铺层拼接而导致壳体力学性能下降的问题；再根据设置的拼接位置准备若干层预浸料，并在每层预浸料的剪口位置上开设剪口，然后在预浸料交叉段凸起部分上设置对称的两个剪口拼接位置，且两个所述剪口拼接位置交替使用；设置剪口位置可释放预浸料的拉扯变形并消除预浸料的交叠起皱，而两个剪口拼接位置的交替搭接可减小剪口对壳体力学性能的影响；最后将准备好的预浸料按设计的方式沿各层设定的铺层方向在模具内进行铺层。本发明提供的铺层工艺效率高，整体性好；拼接方案克服了布幅限制的问题，提高了预浸料的利用率，减小了预浸料拼接对壳体力学性能的影响；开设剪口方案解决了预浸料在铺放时的拉扯变形和交叠起皱问题，且保持了预浸料的整体性；同时剪口方向与壳体的主要受力方向平行，预浸料在两个剪口拼接位置的交替搭接，显著减小了剪口对壳体力学性能的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为复合材料X型帽形壳体正视图；

图2为预浸料铺放过程示意图；

图3a为预浸料在交叉段凸起部分上开设的剪口的尺寸示意图；

图3b为复合材料X型帽形壳体等直段的横截面示意图；

图4为复合材料X型帽形壳体交叉段预浸料的剪口拼接位置示意图。

附图标号说明：1：交叉段；2：等直段；3：过渡段；4：接头段；5：预浸料；6：左臂第一拼接位；7：左臂第二拼接位；8：左臂第三拼接位；9：右臂第一拼接位；10：右臂第二拼接位；11：右臂第三拼接位；12：拼接铺层；13：第一剪口拼接位；14：第二剪口拼接位；15：模具。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”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，还可以是物理连接或无线通信连接；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，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本实施例提出一种复合材料X型帽形壳体的铺层工艺，本实施例中的复合材料X型帽形壳体如图1所示，包括交叉段1、等直段2、过渡段3和接头段4；所述X型帽形壳体为横截面呈帽形(即包括帽子的凸起部分和帽檐)且外观呈X型的结构。

如图2所示，所述铺层工艺包括以下步骤：

S1：在由多块预浸料5拼接形成的X型支架左、右两臂的等直段2上对称位置处分别设置相同数量的一系列拼接位置，所述拼接位置贯穿所述等直段2宽度方向，同一臂上的所有所述拼接位置沿该臂的长度方向排列；

在X型一支臂上设置拼接位置是为了克服布幅限制的问题；左、右两臂均设置拼接位置是为了使壳体左右两臂力学性能一致；设置多个不同拼接位可尽可能减小因铺层拼接而导致壳体力学性能下降的问题。

所述S1具体为：

参见图2，在预浸料5用于铺设复合材料X型支架左、右两臂的等直段2位置上对称位置处分别设置等距的三个拼接位置，分别记为左臂第一拼接位6、左臂第二拼接位7、左臂第三拼接位8和右臂第一拼接位9、右臂第二拼接位10、右臂第三拼接位11；为了提高材料利用率，拼接位的拼接铺层12可从预浸料5余料处获得，拼接铺层12的铺层方向需要保持与当前铺层方向一致。对于预浸料5的拼接，需要仔细对齐接口位置，以保证拼接准确、不重叠、不脱离。

所述左、右两臂的拼接位交替使用；所述左臂第一拼接位6、左臂第二拼接位7、左臂第三拼接位8依次使用，所述右臂第一拼接位9、右臂第二拼接位10、右臂第三拼接位11依次使用，本实施例中拼接位的具体使用方式如表1所示。

S2：准备若干层预浸料5，在每层所述预浸料5交叉段1凸起部分沿对称轴线开设剪口(如图3a中的剪口AB)；

在交叉段凸起部分上以剪口为轴线设置对称的两个剪口拼接位置，记为第一剪口拼接位13和第二剪口拼接位14；

在使用其中一个剪口拼接位置时，使交叉段1凸起部分上预浸料5的重叠发生在当前剪口拼接位置处，并将所述预浸料的重叠部分其中一层沿当前裁剪掉；

预浸料5在交叉段1进行铺放时会出现交叠起皱现象，且在交叉段1凸起部分侧边的转角区域容易出现因彼此拉扯造成铺放不到位的情况。为了释放预浸料5的拉扯变形并消除预浸料5交叠起皱而在预浸料5的交叉段1两臂公共部分上以X型左、右两臂纵向对称轴为轴线开设剪口。剪口方向与壳体的主要受力方向平行，减小了剪口对壳体力学性能的影响。

预浸料5铺放时，剪口左侧预浸料5在铺放时自然会向右侧延伸，而剪口右侧预浸料5在铺放时自然会向左侧延伸，从而使预浸料5在剪口的左、右两侧形成重叠。而在在剪口的左、右两侧设置剪口拼接位，将位于当前层预浸料5的剪口拼接位的重叠预浸料5裁剪掉，从而避免预浸料5重叠现象。

优选地，所述剪口拼接位置为对称的两个弧形段，两个所述弧形段的上、下两个端点均位于模具对称轴线上，如图4所示；弧形段的弧度与剪口左、右两侧预浸料的自然延申形成的弧度一致，以实现预浸料在剪口拼接位置的完整拼接。

优选地，所述剪口长度AB(图3a中AB段即为本实施例的剪口痕迹)约等于模具交叉段凸起部分的纵向距离L与2倍高度h的和，即AB＝L+2h，如图3a和图3b所示(模具交叉段1凸起部分的高度h等于复合材料X型帽形壳体等直段的凸起高度)。如此设计是为了让预浸料5在贴合模具时在剪口方向有一定的收缩量。

本实施例中，垂直距离L为220mm，高度h为20mm，那么剪口长度AB等于260mm。

S3：将S2准备的若干层所述预浸料5在模具上进行逐层定向摆放，并以预浸料5上的剪口进行定位；并按S1设置的拼接位置同时遵从同一臂上的排列顺序且左、右两臂交替的原则进行拼接；

将每层预浸料5按各自设定的铺层角度进行铺层，并按S2设置的剪口拼接位置对预浸料5凸起部分进行拼接，相邻两铺层上的剪口拼接位置交替使用第一剪口拼接位13与第二剪口拼接位14。

上述拼接位置使用方法和剪口拼接位置的使用方法均是为了尽可能减小因铺层拼接而导致壳体力学性能下降的问题。

优选地，每层预浸料的定向摆放角度与其铺层角度一致。

优选地，所述铺层角度为预浸料的经向沿左臂轴向和沿右臂轴向。这样可使预浸料在X型支架的一个支臂上为0°铺层的同时，在另一个支臂上约为43°铺层(预浸料的经向沿X型支架左、右两臂轴向时称为0°铺层；与支臂轴线呈43°夹角时称为43°铺层)，因此选择该铺层方式可以在每一个铺层中仅使用一层预浸料来实现在一个支架臂上保持最佳力学性能的同时，在另一个支架臂上近似模拟±45°铺层的效果，这样既保证了预浸料I的完整性，又降低了制备难度。

步骤S3具体为：

S31：将若干层所述预浸料5分为预浸料Ⅰ、预浸料Ⅱ、预浸料Ⅲ、预浸料Ⅳ、预浸料Ⅴ和预浸料Ⅵ，共六类；

S32：六类所述预浸料中的预浸料I、预浸料Ⅱ、预浸料Ⅲ的铺层角度为沿左臂轴向，预浸料Ⅳ、预浸料Ⅴ和预浸料VI的铺层角度为沿右臂轴向；

所述预浸料Ⅰ为在左臂第一拼接位6进行拼接的预浸料，且采用第一剪口拼接位13；

所述预浸料Ⅱ为在左臂第二拼接位7进行拼接的预浸料，且采用第一剪口拼接位13；

所述预浸料Ⅲ为在左臂第三拼接位8进行拼接的预浸料，且采用第一剪口拼接位13；

所述预浸料Ⅳ为在右臂第一拼接位9进行拼接的预浸料，且采用第二剪口拼接位14；

所述预浸料Ⅴ为在右臂第二拼接位10进行拼接的预浸料且采用第二剪口拼接位14；

所述预浸料VI为在右臂第三拼接位11进行拼接的预浸料且采用第二剪口拼接位14；

S33：将若干层所述预浸料Ⅰ、预浸料Ⅳ、预浸料Ⅱ、预浸料Ⅴ、预浸料Ⅲ和预浸料Ⅵ按各自设定的角度依次进行定向摆放；

S34：将每层定向摆放后的预浸料5剪口的下端点B与位于模具对称轴线上的下顶点对齐，再将预浸料5剪口的上端点A与位于模具对称轴线上的上顶点对齐，对预浸料5进行定位；并按S32设置的六类所述预浸料5的拼接方式分别对每层预浸料5进行拼接；

S35：将S34拼接好的预浸料5以其定向摆放的角度作为铺层角度进行铺层，并按S32设置的六类所述预浸料5的剪口拼接位置对预浸料5凸起部分进行拼接.

本实施例中，单层铺层(即预浸料I、预浸料Ⅱ和预浸料Ⅲ)使用第一剪口拼接位13，双层铺层(即预浸料Ⅳ、预浸料Ⅴ和预浸料Ⅵ)使用第二剪口拼接位14。第一剪口拼接位13和第二剪口拼接位14交替使用，可减小剪口对壳体力学性能的影响。

优选地，所述铺层遵循先中间后两端、先内侧后外侧的原则，逐一将每层预浸料贴合模具铺放。

优选地，所述铺放具体为：

在保持预浸料5铺层方向和铺层定位的前提下，将预浸料5的交叉段1贴合模具铺放；

将剪口位置重叠的余料沿剪口拼接位置进行剪除；

将交叉段1的中心位置铺好后再铺放外侧的预浸料5；

完成交叉段1的铺设后再依次进行等直段2、过渡段3和接头段4的铺设。

优选地，在铺层过程中，预浸料5的铺层方向是指预浸料5的经线束方向。

在铺放预浸料5时，可以对预浸料5的余料沿模具边缘开数量不等的、垂直于模具边缘的剪口，用以释放预浸料5的变形，使预浸料5更好地贴合模具。

优选地，所述预浸料5的总层数为偶数，以保证X型帽形壳体的左、右两臂力学性能一致。

所述预浸料5由平纹织物复合材料制备而成，本实施例采用高强度碳纤维平纹布/环氧树脂复合材料制备。

表1步骤S1中的拼接方案

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合材料X型帽形壳体的铺层工艺，其特征在于，所述X型帽形壳体包括交叉段、等直段、过渡段和接头段，所述X型帽形壳体为横截面呈帽形且外观呈X型的结构；

所述铺层工艺包括以下步骤：

S1：在由多块预浸料拼接形成的X型支架左、右两臂的等直段上对称位置处分别设置相同数量的一系列拼接位置，所述拼接位置贯穿所述等直段宽度方向，同一臂上的所有所述拼接位置沿该臂的长度方向排列；

S2：准备若干层预浸料，在每层所述预浸料交叉段凸起部分沿对称轴线开设剪口；

在交叉段凸起部分上以剪口为轴线设置对称的两个剪口拼接位置，记为第一剪口拼接位和第二剪口拼接位；

在使用其中一个剪口拼接位置时，使交叉段凸起部分上预浸料的重叠发生在当前剪口拼接位置处，并将所述预浸料的重叠部分其中一层沿当前裁剪掉；

S3：将步骤S2准备的若干层所述预浸料在模具上进行逐层定向摆放，并以预浸料上的剪口进行定位；并按步骤S1设置的拼接位置同时遵从同一臂上的排列顺序且左、右两臂交替的原则进行拼接；

将每层预浸料按各自设定的铺层角度进行铺层，并按步骤S2设置的剪口拼接位置对预浸料凸起部分进行拼接，相邻两铺层上的剪口拼接位置交替使用第一剪口拼接位与第二剪口拼接位。

2.如权利要求1所述的复合材料X型帽形壳体的铺层工艺，其特征在于，所述预浸料的总层数为偶数；所述预浸料为平纹织物复合材料。

3.如权利要求1所述的复合材料X型帽形壳体的铺层工艺，其特征在于，所述步骤S1具体为：

在预浸料用于铺设复合材料X型支架左、右两臂的等直段位置上对称位置处分别设置等距的三个拼接位置，分别记为左臂第一拼接位、左臂第二拼接位、左臂第三拼接位和右臂第一拼接位、右臂第二拼接位、右臂第三拼接位；

所述左、右两臂的拼接位交替使用；所述左臂第一拼接位、左臂第二拼接位、左臂第三拼接位依次使用，所述右臂第一拼接位、右臂第二拼接位、右臂第三拼接位依次使用。

4.如权利要求1所述的复合材料X型帽形壳体的铺层工艺，其特征在于，所述步骤S2中，所述剪口拼接位置为对称的两个弧形段，两个所述弧形段的上、下两个端点均位于模具左、右对称的对称轴线上。

5.如权利要求4所述的复合材料X型帽形壳体的铺层工艺，其特征在于，所述剪口长度等于模具内交叉段凸起部分的纵向距离L与2倍高度h的和。

6.如权利要求1所述的复合材料X型帽形壳体的铺层工艺，其特征在于，所述步骤S3中，每层预浸料的定向摆放角度与其铺层角度一致。

7.如权利要求6所述的复合材料X型帽形壳体的铺层工艺，其特征在于，所述铺层角度为预浸料的经向沿左臂轴向和沿右臂轴向。

8.如权利要求7所述的复合材料X型帽形壳体的铺层工艺，其特征在于，所述步骤S3具体为：

步骤 S31：将若干层所述预浸料分为预浸料Ⅰ、预浸料Ⅱ、预浸料Ⅲ、预浸料Ⅳ、预浸料Ⅴ和预浸料Ⅵ，共六类；

步骤 S32：六类所述预浸料中的预浸料I、预浸料Ⅱ、预浸料Ⅲ的铺层角度为预浸料的经向沿左臂轴向，预浸料Ⅳ、预浸料Ⅴ和预浸料Ⅵ的铺层角度为预浸料的经向沿右臂轴向；

所述预浸料Ⅰ为在左臂第一拼接位进行拼接的预浸料，且采用第一剪口拼接位；

所述预浸料Ⅱ为在左臂第二拼接位进行拼接的预浸料，且采用第一剪口拼接位；

所述预浸料Ⅲ为在左臂第三拼接位进行拼接的预浸料，且采用第一剪口拼接位；

所述预浸料Ⅳ为在右臂第一拼接位进行拼接的预浸料，且采用第二剪口拼接位；

所述预浸料Ⅴ为在右臂第二拼接位进行拼接的预浸料且采用第二剪口拼接位；

所述预浸料Ⅵ为在右臂第三拼接位进行拼接的预浸料且采用第二剪口拼接位；

步骤 S33：将若干层所述预浸料Ⅰ、预浸料Ⅳ、预浸料Ⅱ、预浸料Ⅴ、预浸料Ⅲ和预浸料Ⅵ按各自设定的角度依次进行定向摆放；

步骤 S34：将每层定向摆放后的预浸料剪口的下端点与位于模具对称轴线上的下顶点对齐，再将预浸料剪口的上端点与位于模具对称轴线上的上顶点对齐，对预浸料进行定位；并按步骤S32设置的六类所述预浸料的拼接方式分别对每层预浸料进行拼接；

步骤 S35：将步骤S34拼接好的预浸料以其定向摆放的角度作为铺层角度进行铺层，

并按步骤S32设置的六类所述预浸料的剪口拼接位置对预浸料凸起部分进行拼接。

9.如权利要求8所述的复合材料X型帽形壳体的铺层工艺，其特征在于，所述铺层遵循先中间后两端、先内侧后外侧的原则，逐一将每层预浸料贴合模具铺放。

10.如权利要求9所述的复合材料X型帽形壳体的铺层工艺，其特征在于，所述铺放具体为：

在保持预浸料铺层方向和铺层定位的前提下，将预浸料交叉段贴合模具铺放；

将剪口位置重叠的余料沿剪口拼接位置进行剪除；

将交叉段的中心位置铺好后再铺放外侧的预浸料；

完成交叉段的铺设后再依次进行等直段、过渡段和接头段的铺设。

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