一种大尺寸无内衬复合材料贮箱的模具及使用方法与应用

摘要

本发明公开了一种大尺寸无内衬复合材料贮箱的模具及其使用方法与应用，属于航天材料模具技术领域。本发明采用耐高温、尺寸稳定的金属材料作为主承力骨架，采用可伸缩的波纹板夹层结构作为形状保持面，设计模块化工装，通过合理的组装制备可方便拆卸的模具，有效地减轻模具的重量，提高复合材料制品高温固化后的尺寸精度，可满足大尺寸无内衬复合材料贮箱的制造。此外，该模具及设计方法还可推广到其它大型无内衬容器构件的制造。

权利要求

1.一种大尺寸无内衬复合材料贮箱的模具，其特征在于，包括筒身骨架(1)和与筒身骨架(1)两个底面连接的封头骨架(2)，所述筒身骨架(1)为侧面包覆有蜂窝结构网片(4)的、并且蜂窝结构网片(4)可拆卸的圆柱形骨架结构，所述封头骨架(2)为侧面包覆有蜂窝结构网片(4)的、并且蜂窝结构网片(4)可拆卸的圆锥形骨架结构，封头骨架(2)的锥顶处设有封头轴套(3)，封头骨架(2)的锥底与筒身骨架(1)连接，筒身骨架(1)与封头骨架(2)的中轴线处设有主轴(5)，并且主轴(5)贯穿于封头轴套(3)，位于筒身骨架(1)内部的主轴(5)上设有若干筒身轴套(6)，筒身轴套(6)与筒身骨架(1)的侧面通过若干支架(7)连接，支架(7)与水平面呈一定角度，并且以筒身轴套(6)为起点呈放射状，所述主轴(5)上还设有分别与封头轴套(3)和筒身轴套(6)配合使用的弹簧锁定装置(8)，与封头轴套(3)配合使用的弹簧锁定装置(8)位于封头骨架(2)内部的主轴上，与筒身轴套(6)配合使用的弹簧锁定装置(8)位于支架(7)与筒身骨架(1)连接处的水平面上；所述封头骨架(2)侧面由若干均匀排布的窄钢板组成，窄钢板两端均设有连接耳，并通过连接耳与封头轴套(3)和筒身骨架(1)螺栓连接；

所述模具撑起时，封头骨架(2)呈半球形结构，筒身骨架(1)呈圆柱形结构。

2.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述筒身轴套(6)至少有两个，当设有两个筒身轴套(6)时，连接筒身轴套(6)与筒身骨架(1)之间的钢筋与筒身骨架(1)连接处的水平面为筒身骨架(1)的顶面或底面。

3.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述支架(7)两端均焊接有连接架，所述支架(7)两端的连接架分别通过螺栓与筒身轴套(6)和筒身骨架(1)连接，并且连接架与螺栓之间可自由转动。

4.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述弹簧锁定装置(8)为底部设有弹簧(81)的楔子型结构，楔子型结构的尖端朝向与其配合使用的轴套。

5.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述蜂窝结构网片(4)为可伸缩结构。

6.权利要求1‑5中任一项所述的模具的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将装置各部分组件通过螺栓连接，对两个封头轴套施加相对方向的力，使封头骨架和筒身骨架同时被撑开，蜂窝结构网片的蜂窝结构被拉开，使封头轴套和筒身轴套被弹簧锁定装置固定，此时所述装置呈现胶囊形状；

2)在展开的蜂窝结构网片表面贴上脱模布；

3)在贴有脱模布的模具表面缠绕纤维或铺放预浸带，成型后连同模具一同放入固化炉中加热固化；

4)固化完成后，将弹簧锁定装置打开，对两个封头轴套施加相反方向的力，将封头骨架和筒身骨架收起，同时蜂窝结构网片的蜂窝结构被收缩压实，将模具和蜂窝结构网片从复合材料贮箱制品的封头极孔中取出；

5)将蜂窝结构网片表面的脱模布去除，拆卸模具并进行表面防锈处理，分块保存。

7.权利要求1‑5中任一项所述的模具在大尺寸无内村容器构件制造中的应用。

说明书

一种大尺寸无内衬复合材料贮箱的模具及使用方法与应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种大尺寸无内衬复合材料贮箱的模具及其使用方法与应用，属于航天材料模具技术领域。

背景技术

[0002] 随着航天技术的快速发展，空间运载任务需求的不断扩大，高效航天运载器成为了航天领域迫切追求的目标，而在航天运载器中，用于贮存液体推进剂的贮箱的质量和体
积都占有极大的比例，是航天运载器的关键结构之一。针对航天运载器的液体推进剂贮箱，
采用碳纤维增强树脂基复合材料可以大大减轻贮箱重量，提高飞行器工作效率。自20世纪
90年代中期以来，美国国家航空航天局(NASA)就已经开始研发轻质高强的复合材料贮箱，
并将此作为发展可重复使用运载火箭的关键技术，目前已成功将碳纤维增强树脂基复合材
料应用于运载飞机的液体推进剂贮箱上。而国内对复合材料贮箱的研制则还处于刚刚起步
阶段，还有很多问题亟待解决，尤其是针对大尺寸复合材料贮箱的制作，更是需要攻坚克
难，其中，大尺寸模具的合理设计就是重点和难点问题之一。

[0003] 目前，采用纤维增强树脂基复合材料制备的贮箱包括含有内衬和不含内衬两种形式。针对含有内衬的贮箱，通常首先采用金属或橡胶等材质制作内衬，并将此内衬作为模具
使用，在内衬上缠绕或铺放复合材料层，复合材料固化成型后，内衬作为产品的一部分不从
复合材料结构里取出；而针对不含有内衬的贮箱，所采用模具主要有金属芯模、低熔点合金
芯模、冲洗式芯模、组合装配式芯模、充气式芯模等。其中，金属芯模的精度高，稳定性好，但
重量大，价格贵，脱模困难；低熔点合金可成型复杂形状，但制备困难，脱模环境要求高；冲
洗式芯模脱模方便，但精度低，稳定性差；组合装配式芯模重量较轻，精度良好，但脱模周期
较长；充气式芯模重量轻，脱模方便，但制备有一定难度，精度偏低。由于航天运载器的复合
材料贮箱的尺寸大、贮箱外型尺寸精度要求高、重量要求轻、内壁洁净度要求严等特点，因
此，多选用无内衬的结构形式，而成型时对模具的要求则更为苛刻，要求成型模具重量轻、
成型精度高、脱模后无残留物、可重复使用等。可见，对贮箱成型模具的合理设计是研制大
尺寸复合材料贮箱的关键。

发明内容

[0004] 本发明采用耐高温、尺寸稳定的金属材料作为主承力骨架，采用可伸缩的蜂窝结构作为形状保持面，设计模块化工装，通过合理的组装制备可方便拆卸的模具，有效地减轻
模具的重量，提高复合材料制品高温固化后的尺寸精度，可满足大尺寸无内衬复合材料贮
箱的制造。此外，该模具及设计方法还可推广到其它大型无内衬容器构件的制造。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

[0006] 本发明提供了一种用于大尺寸无内衬复合材料贮箱的可重复使用成型模具，主要由以下部分构成：可撑开/收缩的封头骨架、可撑开/收缩的筒身骨架、封头/筒身外表面的
可伸缩蜂窝结构网片；

[0007] 包括筒身骨架和与筒身骨架两个底面连接的封头骨架，所述筒身骨架为侧面包覆有蜂窝结构网片的、并且蜂窝结构网片可拆卸的圆柱形骨架结构，所述封头骨架为侧面包
覆有蜂窝结构网片的、并且蜂窝结构网片可拆卸的圆锥形骨架结构，封头骨架的锥顶处设
有封头轴套，封头骨架的锥底与筒身骨架连接，筒身骨架与封头骨架的中轴线处设有主轴，
并且主轴贯穿于封头轴套，位于筒身骨架内部的主轴上设有若干筒身轴套，筒身轴套与筒
身骨架的侧面通过若干支架连接，支架与水平面呈一定角度，并且以筒身轴套为起点呈放
射状，所述主轴上还分别设有与封头轴套和筒身轴套配合使用的弹簧锁定装置，与封头轴
套配合使用的弹簧锁定装置位于封头骨架内部的主轴上，与筒身轴套配合使用的弹簧锁定
装置位于支架与筒身骨架连接处的水平面上。

[0008] 进一步地，所述筒身轴套至少有两个，当设有两个筒身轴套时，连接筒身轴套与筒身骨架之间的钢筋与筒身骨架连接处的水平面为筒身骨架的顶面或底面。

[0009] 进一步地，所述钢筋两端均焊接有连接架，所述支架两端均焊接有连接架，所述支架两端的连接架分别通过螺栓与筒身轴套和筒身骨架连接，并且连接架与螺栓之间可自由
转动。

[0010] 进一步地，所述封头骨架侧面由若干均匀排布的窄钢板组成，窄钢板两端均设有连接耳，并通过连接耳与封头轴套和筒身骨架螺栓连接。

[0011] 进一步地，所述弹簧锁定装置为底部设有弹簧的楔子型结构，楔子型结构的尖端朝向与其配合使用的轴套。

[0012] 进一步地，所述蜂窝结构网片为可伸缩结构。

[0013] 本发明还提供了所述模具的使用方法，包括如下步骤：

[0014] 1)将装置各部分组件通过螺栓连接，对两个封头轴套施加相对方向的力，使封头骨架和筒身骨架同时被撑开，蜂窝结构网片的蜂窝结构被拉开，使封头轴套和筒身轴套被
弹簧锁定装置固定，此时所述装置呈现胶囊形状；

[0015] 2)在蜂窝结构网片表面贴上脱模布；

[0016] 3)在贴有脱模布的模具表面缠绕纤维或铺放预浸带，成型后连同模具一同放入固化炉中加热固化；

[0017] 4)固化完成后，将弹簧锁定装置打开，对两个封头轴套施加相反方向的力，将封头附加和筒身骨架收起，同时蜂窝结构网片的蜂窝结构被收缩压实，将模具和蜂窝结构网片
从复合材料贮箱制品的封头极孔中取出；

[0018] 5)将蜂窝结构网片表面的脱模布去除，拆卸模具并进行表面防锈处理，分块保存。

[0019] 封头骨架和筒身骨架通过螺栓连接和拆卸，使用时，先将封头和筒身骨架连接好，通过对两端封头轴套沿轴向相对施加压力，将封头骨架支撑开，并根据产品尺寸需要固定
到一定的位置，筒身骨架随封头骨架一起被径向撑起，筒身段的轴套也随着筒身骨架撑起
而滑动，并固定在特定位置，以保证骨架稳定支撑；

[0020] 轴的固定位置配置有弹簧锁定装置，保证封头和筒身的轴套能固定到轴的特定位置；

[0021] 封头骨架和筒身骨架表皮由蜂窝结构覆盖，蜂窝结构分段粘接在封头骨架和筒身骨架上；

[0022] 封头骨架和筒身骨架在收缩状态时，蜂窝结构的蜂窝被压实，封头骨架和筒身骨架在撑开状态时，蜂窝结构的蜂窝被拉开；

[0023] 本发明还提供了所述的模具在大尺寸无内村容器构件制造中的应用。

附图说明

[0024] 图1为本发明装置结构示意图。

[0025] 图2为弹簧锁定装置锁定过程示意图。

[0026] 图3为本发明装置使用时结构示意图。

[0027] 图4为本发明筒身骨架使用时结构示意图。

[0028] 图5为本发明筒身骨架单根骨架使用前后结构示意图；A为未使用时示意图；B为使用时示意图。

[0029] 图6为本发明装置使用前后各部件结构示意图；A为筒身骨架使用时俯视图；B为筒身骨架未使用时俯视图；C为封头骨架使用时示意图；D为封头骨架未使用时示意图。

[0030] 图中，1、筒身骨架；2、封头骨架；3、封头轴套；4、蜂窝结构网片；5、主轴；6、筒身轴套；7、支架；8、弹簧锁定装置；81、弹簧。

具体实施方式

[0031] 下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

[0032] 实施例1

[0033] 一种大尺寸无内衬复合材料贮箱的模具，包括筒身骨架1和与筒身骨架1两个底面连接的封头骨架2，所述筒身骨架1为侧面包覆有蜂窝结构网片4的、并且蜂窝结构网片4可
拆卸的圆柱形骨架结构，所述封头骨架2为侧面包覆有蜂窝结构网片4的、并且蜂窝结构网
片4可拆卸的圆锥形骨架结构，封头骨架2的锥顶处设有封头轴套3，封头骨架2的锥底与筒
身骨架1连接，筒身骨架1与封头骨架2的中轴线处设有主轴5，并且主轴5贯穿于封头轴套3，
位于筒身骨架1内部的主轴5上设有若干筒身轴套6，筒身轴套6与筒身骨架1的侧面通过若
干支架7连接，支架7与水平面呈一定角度，并且以筒身轴套6为起点呈放射状，所述主轴5上
还设有与封头轴套3和筒身轴套6配合使用的弹簧锁定装置8，与封头轴套3配合使用的弹簧
锁定装置8位于封头骨架2内部的主轴上，与筒身轴套6配合使用的弹簧锁定装置8位于支架
7与筒身骨架1连接处的水平面上。

[0034] 所述筒身轴套6至少有两个，当设有两个筒身轴套6时，连接筒身轴套6与筒身骨架1之间的钢筋与筒身骨架1连接处的水平面为筒身骨架1的顶面或底面。

[0035] 所述支架7两端均焊接有连接架，所述支架7两端的连接架分别通过螺栓与筒身轴套6和筒身骨架1连接，并且连接架与螺栓之间可自由转动。

[0036] 所述封头骨架2侧面由若干均匀排布的窄钢板组成，窄钢板两端均设有连接耳，并通过连接耳与封头轴套3和筒身骨架1螺栓连接。

[0037] 所述弹簧锁定装置8为底部设有弹簧81的楔子型结构，楔子型结构的尖端朝向与其配合使用的轴套。

[0038] 所述蜂窝结构网片4为可伸缩结构。

[0039] 实施例2

[0040] 大尺寸无内衬复合材料贮箱的模具的使用方法，括如下步骤：

[0041] 1)将装置各部分组件通过螺栓连接，对两个封头轴套施加相对方向的力，使封头骨架和筒身骨架同时被撑开，蜂窝结构网片的蜂窝结构被拉开，使封头轴套和筒身轴套被
弹簧锁定装置固定，此时所述装置呈现胶囊形状；

[0042] 2)在展开的蜂窝结构网片表面贴上脱模布；

[0043] 3)在贴有脱模布的模具表面缠绕纤维或铺放预浸带，成型后连同模具一同放入固化炉中加热固化；

[0044] 4)固化完成后，将弹簧锁定装置打开，对两个封头轴套施加相反方向的力，将封头骨架和筒身骨架收起，同时蜂窝结构网片的蜂窝结构被收缩压实，将模具和蜂窝结构网片
从复合材料贮箱制品的封头极孔中取出；

[0045] 5)将蜂窝结构网片表面的脱模布去除，拆卸模具并进行表面防锈处理，分块保存。

[0046] 实施例3

[0047] 针对筒身长为10m、直径为4m、封头为半球型、极孔直径为1m的无内衬复合材料贮箱：

[0048] 1、模具组装：

[0049] 1)筒身骨架1外轮廓骨架由8根6米长的钢筋组成，每根钢筋中间位置通过焊接均匀分布两个连接耳，两端都焊接有连接架，筒身骨架1内部共设置2套的支架7，每套支架7均
由8根2米长的细钢筋构成，每根细钢筋两端都焊接有连接架，并通过螺栓一端连接在筒身
轴套6上，另一端连接在筒身骨架1外轮廓骨架上，支架钢筋可以在螺栓连接处自由转动；

[0050] 2)模具共有2个封头骨架2，每个封头骨架2外轮廓骨架由8根3.2米长的窄钢板组成，窄钢板两端都焊接有连接耳，一端通过螺栓连接到端部封头轴套3上，封头骨架2内部设
置1套由8根2米长的细钢筋构成的支架，支架通过螺栓一端连接在封头轴套3上，另一端连
接在封头骨架2外轮廓骨架上，支架钢筋可以在螺栓连接处自由转动；

[0051] 3)筒身骨架1外轮廓8根钢筋和封头骨架2外轮廓骨架8根窄钢板通过螺栓连接；

[0052] 4)将连接好的封头骨架2和筒身骨架1通过封头骨架2和筒身骨架1的共6个轴套一起套到主轴5上，主轴上中间10m部分平均分成5段并每隔2m分布有1个弹簧锁定装置8，共设
有6个弹簧锁定装置8；

[0053] 5)将主轴5连同模具骨架装配到铺丝机上，对封头两端的封头轴套3施加相向载荷，随着封头骨架2外轮廓骨架窄钢板弯曲，4套钢筋支架被逐渐撑起，筒身骨架1也同时被
撑起，直至轴套越过锁定装置，固定在主轴5上；

[0054] 6)模具骨架撑起并固定后，在模具外轮廓骨架上贴上胶膜，并将蜂窝结构拉开粘到模具外轮廓骨架上；

[0055] 7)在蜂窝结构外贴好脱模布，即可准备铺放纤维进行复合材料结构成型。

[0056] 2、模具拆卸

[0057] 1)将固化好的复合材料结构固定在外置托架上，对封头两端锁定装置施加压力，通过主轴内部联动装置，主轴上6个锁定装置均被压入轴内，同时对封头两端的轴套施加相
反方向的载荷，使轴套脱离锁定装置；

[0058] 2)随着封头外轮廓骨架弯曲的窄钢板恢复伸直，以及蜂窝结构被压收缩，4套钢筋支架被逐渐收起，筒身也同时被收起，直至筒身段直径小于1m，从复合材料结构封头极孔处
取出整套模具；

[0059] 3)将褶皱的脱模布从蜂窝结构表面去除掉，并将蜂窝结构从模具骨架上除掉；

[0060] 4)将封头骨架与筒身骨架连接螺栓卸掉，再将封头和筒身的骨架和支架的其他螺栓分别拆卸掉，将模具分解开；

[0061] 5)每块模具均需要进行表面防锈处理后存放，以便下次继续使用。

[0062] 上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发
明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围
内。