变壁厚复合材料连接裙的成型方法

摘要

本发明涉及变壁厚复合材料连接裙的成型方法，包括以下步骤：设置铺层角度和铺层顺序，计算出各角度铺层物的尺寸和数量；按照计算出的铺层物尺寸和数量裁剪铺层物；制作产品成型模具；将铺层物按照距离中心线或底端的距离铺放在模具芯模上，达到0.5-0.6设计层数；在缠绕张力下，用纤维缠绕加压在铺层表面上，进行预固化；完成剩余铺层；缠绕纤维加压，加温固化；卸模，取出制品；粘角盒。本发明通过设置最佳铺层角度和顺序，采用手工铺层加纤维缠绕加压工艺，实现在发动机壳体成型前单独成型完整的复合材料连接裙。

权利要求

1.一种变壁厚复合材料连接裙的成型方法，包括以下步骤：a.根据载荷、质量和外形尺寸的要求，通过有限元分析计算，设置铺层角度和铺层顺序，计算出各角度铺层物的尺寸和数量；

b.按照通过有限元分析计算出的铺层物尺寸和数量裁剪铺层物；

c.制作产品成型模具；

d.将铺层物按照距离中心线或底端的距离铺放在模具芯模上，达到通过有限元分析计算出的0.5-0.6设计层数；

e.在缠绕张力下，用纤维缠绕加压在铺层表面上，进行预固化；

f.完成剩余铺层；

g.缠绕纤维加压，加温固化；

h.卸模，取出制品；

i.粘角盒。

2.根据权利要求1所述的变壁厚复合材料连接裙的成型方法，其特征在于：所述步骤a中，所述铺层角度为0°，±15°，±30°，±45°，±60°和90°。

3.根据权利要求1或2所述的变壁厚复合材料连接裙的成型方法，其特征在于：所述步骤e、g中，所述纤维缠绕加压压力为15N～18N。

4.根据权利要求3所述的变壁厚复合材料连接裙的成型方法，其特征在于：所述铺层物为碳纤维预浸料或玻璃纤维预浸料或单向布，所述缠绕纤维为碳纤维或玻璃纤维。

5.根据权利要求4所述的变壁厚复合材料连接裙的成型方法，其特征在于：所述步骤g中，所述加温固化为80℃保持1小时，接着升温至120℃保持3小时，然后升温至150℃保持3小时。

说明书

变壁厚复合材料连接裙的成型方法

技术领域

[0001] 本发明涉及固体火箭发动壳体成型方法，具体涉及一种变壁厚复合材料连接裙的成型方法。

背景技术

[0002] 固体火箭发动机壳体连接裙是壳体的整体延伸，用于实现壳体级间段连接或与其他部件的连接，要经受轴压、弯矩、剪切、内压等多种载荷，受力情况比较复杂，如何在不增加裙部质量的情况下，简化成型工艺，并提高它的性能，对整个发动机壳体性能的提高至关重要。随着材料科学的发展，复合材料连接裙因其质量比高、可靠性高、制作周期短、成本低而逐步取代了金属连接裙。复合材料连接裙成型方法可分为单独成型和整体成型两类。单独成型方法是先制作一个圆筒，再按要求对圆筒和壳体进行加工，然后采用粘结方法把裙体套装到壳体上；该方法对纤维的整体性破坏性大，不宜于纤维强度的发挥。整体成型方法之一是壳体缠绕完纵向层后再套假封头，假封头带有圆筒段，即裙部，按照裙部的工艺要求整体缠绕，缠绕完后切去封头和筒段多余纱带，仅保留裙部；该方法对于大型壳体材料浪费大。整体成型的另一种方法是缠绕、铺层方案，即壳体缠绕完纵向层和部分环向层后，再制作复合裙，裙由环向缠绕和铺放预浸胶带制作成型；该方法材料浪费小，尺寸稳定性好，但对设备要求高，成型工艺复杂。因此设计出一种工艺简单、成本低廉、质量轻并且可以直接成型的变壁厚复合材料连接裙的成型方法十分必要。

发明内容

[0003] 本发明目的在于提供一种工艺简单、成本低廉、质量轻并且可以直接成型的变壁厚复合材料连接裙的成型方法。

[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0005] 一种变壁厚复合材料连接裙的成型方法，包括以下步骤：

[0006] a.根据载荷、质量和外形尺寸的要求，通过有限元分析计算，设置铺层角度和铺层顺序，计算出各角度铺层物的尺寸和数量；

[0007] b.按照计算出的铺层物尺寸和数量裁剪铺层物；

[0008] c.制作产品成型模具；

[0009] d.将铺层物按照距离中心线或底端的距离铺放在模具芯模上，达到0.5-0.6设计层数；

[0010] e.在缠绕张力下，用纤维缠绕加压在铺层表面上，进行预固化；

[0011] f.完成剩余铺层；

[0012] g.缠绕纤维加压，加温固化；

[0013] h.卸模，取出制品；

[0014] i.粘角盒。

[0015] 进一步地，所述步骤a中，所述铺层角度为0°，±15°，±30°，±45°，±60°和90°。

[0016] 进一步地，所述步骤e、g中，所述纤维缠绕加压压力为15N～18N。

[0017] 进一步地，所述铺层物为碳纤维预浸料或玻璃纤维预浸料或单向布，所述缠绕纤维为碳纤维或玻璃纤维。

[0018] 进一步地，所述步骤g中，所述加温固化为80℃保持1小时，接着升温至120℃保持3小时，然后升温至150℃保持3小时。

[0019] 本发明通过设置最佳铺层角度和顺序，采用手工铺层加纤维缠绕加压工艺，实现在发动机壳体成型前单独成型完整的复合材料连接裙。本发明工艺简单、成本低廉、质量轻并且可以直接成型。

附图说明

[0020] 图1是变壁厚复合材料连接裙横截面结构示意图；

[0021] 图2是图1的局部放大图；

[0022] 图3是变壁厚复合材料连接裙成型模具结构示意图；

[0023] 图4是变壁厚复合材料连接裙圆周面铺层示意图。

[0024] 图中：1-铺层位置的1段 ；2-铺层位置的2段 ；3-铺层位置的3段 ；4-铺层位置的4段 ；5-中心基准线；6-复合材料连接裙；7-模具表面水平基准线。

具体实施方式

[0025] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

[0026] 实施例1

[0027] 一、工艺条件：

[0028]距前裙端面10mm处 ≥φ1200
端面壁厚 11.2～12.5
裙尖距裙端内面高度 250±0.5
质量 ≤15kg
轴压 ≥30吨

[0029] 采用的材料为碳纤维预浸料，加压纤维为玻璃纤维。

[0030] 二、工艺过程

[0031] a.根据载荷、质量和外形尺寸的要求，应用Hypermesh软件通过有限元分析计算，铺层角度设置为0°，±15°，±30°，±45°，±60°和90°，共51层。

[0032] 铺层顺序及位置为：

[0033]

[0034] b.裁剪预浸料

[0035] 1）按照上述铺层角度及铺层位置，用下列公式计算各角度平行四边形预浸料裁剪尺寸：沿纤维方向长度y≈(305-x)/cosα,高度为250mm（方便操作），裁剪张数为z≈1200π/250sinα,其中x为距离中心线距离，α为铺层角度。

[0036] 2）结合原材料预浸料的尺寸，裁剪各层预浸料；

[0037] 例如：第二层30°，裁剪7张高为250mm，纤维方向Y为345mm的30°预浸料。

[0038] c.制作产品型腔模具

[0039] 参照说明书附图3制作产品型腔模具。

[0040] d.将碳纤维预浸料采用铺层方法铺放在模具型腔相应位置上，铺层到第25层：

[0041] 根据上表铺层顺序，按说明书附图4所示将每一张预浸料铺放在右侧距离中心线5距离为X，纤维方向与模具水平线3成α角度的模具上, 该次铺层至第25层;

[0042] e.在18N缠绕张力下，用玻璃纤维缠绕加压在铺层表面上，进行预固化；

[0043] 1）将已铺设完成的铺层及模具装在数控缠绕机上；

[0044] 2）调整缠绕张力18N；设计缠绕线型，以环形线型为主；

[0045] 3）纤维缠绕在模具表面碳纤维布预混料铺层表面，层数为2层；

[0046] 4）按照80℃保持1小时，接着升温至120℃保持3小时进行预固化。

[0047] f.完成所有铺层：

[0048] 按照铺层顺序及铺层位置完成剩余铺层。

[0049] g.缠绕玻璃纤维加压，加温固化：

[0050] 1）同步骤e采用相同方法缠绕加压；

[0051] 2）按照80℃保持1小时，接着升温至120℃保持3小时，然后升温至150℃保持3小时进行最终固化。

[0052] h.卸模，取出制品；

[0053] i.粘角盒。

[0054] 采用该方法制作的复合裙质量为：13.25kg，距前裙端面10mm处直径为1223mm，裙尖距裙端内面高度为254mm，轴压试验轴压承重50吨。

[0055] 实施例2

[0056] 一、工艺条件

[0057]

[0058] 采用的材料为玻璃纤维预浸料，加压纤维为玻璃纤维。

[0059] 二、工艺过程

[0060] a.根据载荷、质量和外形尺寸的要求，应用Hypermesh软件通过有限元分析计算，铺层角度设置为0°，±15°，±30°，±45°，±60°和90°，共46层。

[0061] 铺层顺序及位置为：

[0062]

[0063]

[0064] b.裁剪预浸料

[0065] 1）按照上述铺层角度及铺层位置，按照下列公式计算各角度平行四边形预浸料裁剪尺寸 ：沿纤维方向长度y≈(305-x)/cosα,高度为250mm（方便操作），裁剪张数为z≈1000π/250sinα,其中x为距离中心线距离，α为铺层角度。

[0066] 2）结合原材料预浸料的尺寸，裁剪各层预浸料；

[0067] 例如：第二层30°，裁剪7张高为250mm，纤维方向Y为346mm的30°预浸料。

[0068] c. 制作产品型腔模具；

[0069] 参照说明书附图3制作产品型腔模具。

[0070] d.将玻璃纤维预浸料采用铺层方法铺放在模具型腔相应位置上，铺层到第27层；

[0071] 根据上表铺层顺序，按图4所示将每一张预浸料铺放在右侧距离中心线5距离为X，纤维方向与模具水平线3成α角度的模具上,铺层共到第27层；

[0072] e.在15N缠绕张力下，用玻璃纤维缠绕加压在铺层表面上，进行预固化；

[0073] 1）将已铺设完成的铺层及模具装在数控缠绕机上；

[0074] 2）调整缠绕张力15N；设计缠绕线型，以环形线型为主；

[0075] 3）纤维缠绕在模具表面碳纤维布预混料铺层表面，层数为3层；

[0076] 4）按照80℃保持1小时，接着升温至120℃保持3小时进行预固化。

[0077] f.完成所有铺层；

[0078] 按照铺层顺序及铺层位置完成剩余铺层。

[0079] g.缠绕玻璃纤维加压，加温固化；

[0080] 1）同步骤e采用相同方法缠绕加压。

[0081] 2）按照80℃保持1小时，接着升温至120℃保持3小时，然后升温至150℃保持3小时进行最终固化。

[0082] h.卸模，取出制品；

[0083] i.粘角盒，形成最终产品。

[0084] 采用该方法制作的复合裙质量为：17.25kg，距前裙端面10mm处直径为1023mm，裙尖距裙端内面高度为256mm，轴压试验轴压承重38吨。

[0085] 本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。