一种一体化碳纤维复合材料网格结构的制作方法

本实用新型涉及一种碳纤维复合材料网格结构及制造方法，特别是涉及一种用于一体化飞机机身、运载火箭、导弹外壳和高铁车身等的一体化碳纤维复合材料网格结构及制造方法。

背景技术：

碳纤维复合材料应用于飞机机身、导弹和高铁车身已经有很久的历史，传统用于大型飞机、导弹和高铁车身结构为层合板加各种加强筋，这种结构的承力主体是加强筋和层合板，加强筋之间多为胶结或者铆接，并不是一体化辅层制造的，整体性不够。随着对减重要求的越来越高，对安全可靠性能的越来越高，现有结构的缺点渐渐显露出来，如波音737max系列多次出现机身解体的严重事故，就是自身机身刚性和强度不足造成的，某国产飞机也因为机身尾翼有缺陷而一直无法进行试飞。因此提供一种刚性好且重量轻的一体化结构具有非常重要的应用价值，也一直是人们不断追求的安全目标。复合材料一体化网格结构是一种网格状筋条结构。网格复合材料结构是由金属网格结构发展而来，网格结构的突出优点是较高的刚度/质量比和强度/质量比，这使得网格结构广泛应用于各类飞机机身、运载火箭、导弹外壳和高铁车身等航空航天领域和高速载具领域。

现有网格结构为前苏联用于运载火箭壳体的三角形网格结构，这种结构的缺点是三角形网格的每个节点处纤维堆积高度是无节点处的三倍，存在节点纤维堆积严重、纤维架空现象，导致该处容易成为应力集中部位。

技术实现要素：

为了克服背景技术领域中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种一体化碳纤维复合材料网格结构，采用四边形网格结构，通过机加工实现网格结构的连续缠绕成型,制造工艺可能实现完全自动化。

本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型根据不同结构件和几何尺寸大小不同，制成大小不同的矩形网格，矩形网格的边长与整个网格结构圆形截面直径或者矩形截面短边边长之比为1/8-1/500；网格节点处的第一纤维带与相互平行的第二纤维带和第三纤维带垂直敷设后形成空隙，将二个节点之间的纤维缺层，采用补平纤维带补平，使网格节点处的纤维和非节点处的纤维厚度一样高；根据结构刚度和强度计算确定的网格筋条的高度与矩形网格短边长之比为1/5-1/20；网格平面的中心轴线方向c-c与不同结构件的中心轴线方向a-a成45°或者0°，在一体化碳纤维复合材料网格的一个侧面或两个侧面敷设蒙皮，蒙皮层的厚度不超过网格筋条厚度的1/5。

所述制成大小不同的矩形网格的网格筋条的横截面面锥度比为1：10-1:20。

所述矩形网格为正方形网格或长方形网格。

所述纤维带为定制宽度的卷成圆盘状的预浸料碳纤维带。

本实用新型具有的有益效果是：

本实用新型采用四边形网格结构，通过机加工实现网格结构的连续缠绕成型,制造工艺可实现完全自动化。连续纤维缠绕被应用于复合材料网格结构成型，降低了制作成本,同时提高了制品的性能稳定性,易于实现批量生产；与相同尺寸的层合板比,刚度好、强度高和重量轻。该结构适用于一体化飞机机身、运载火箭、导弹外壳和高铁车身。

附图说明

图1是本实用新型的结构图。

图2是图1的d-d截面图。

图3是本实用新型的圆形截面有槽模具成形示意图。

图4是图3的右视图。

图5是本实用新型的矩形截面无模具成形示意图。

图6是图3的ⅰ局部展开图。

图7是图6的a-a截面图。

图8是二个节点处纤维带敷设示意图。

图中：1、转轴，2、轴承，3、矩形网格，4、槽，5、联轴器，6、马达，7、碳纤维带，8、布带器，9、辅带小车，10、圆盘架子，11、丝杆，12、弧形模具，13、布带器转轴，14、圆盘架子转轴，15、模具，16、机架，17、辅带机，18、限位轴，19、轮子，20、敷带机车，21、圆环形机架，22、张力器，23、压紧轮，24、蒙皮，25、补平纤维带，26、第一纤维带，27、第二纤维带，28、第三纤维带，29、网格结构，30、网格筋条，31、网格节点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1、图2、图8所示，本实用新型根据不同结构件和几何尺寸大小不同，制成大小不同的矩形网格3，矩形网格3的边长与整个网格结构圆形截面直径或者矩形截面短边边长之比为1/8-1/500；网格节点31处的第一纤维带26与相互平行的第二纤维带27和第三纤维带28垂直敷设后形成空隙，将二个节点之间的纤维缺层，采用补平纤维带25补平，使网格节点31处的纤维和非节点处的纤维厚度一样高；根据结构刚度和强度计算确定的网格筋条30的高度与矩形网格短边长之比为1/5-1/20；网格3平面的中心轴线方向c-c与不同结构件的中心轴线方向a-a成45°或者0°，在一体化碳纤维复合材料网格的一个侧面或两个侧面敷设蒙皮24，蒙皮层的厚度不超过网格筋条厚度的1/5。

所述制成大小不同矩形网格3的网格筋条30的横截面两端面锥度比为1：10-1:20。

所述矩形网格3为正方形网格或长方形网格。

所述纤维带为定制宽度的卷成圆盘状的预浸料碳纤维带。

一、一种一体化碳纤维复合材料网格结构的制备方法，采用有槽模具成型方法(如图3、图4、图7所示)：

1)根据不同结构件和几何尺寸大小不同，设计大小不同的矩形网格3；

2)制造横截面为矩形或者圆柱形的模具15，模具15上开有槽4，槽4的开口宽，槽的下底窄，槽的横截面锥度为1：10-1:20之间，槽底用圆角过渡，模具15的槽4内喷涂脱模剂，模具15的转轴1两端分别装有轴承2，转轴1的联轴器5经马达6构成一个转动系统；碳纤维带7沿着槽4的一个方向缠绕于槽内，碳纤维带7用布带器8用预应力拉紧后缠绕，碳纤维带7为整卷架于沿圆盘架子转轴14转动的圆盘架子10上，碳纤维带7的方向由布带器8调整敷设方向，布带器8沿布带器转轴13转动；碳纤维带7被安装于能在丝杆11上左右移动的辅带小车9上；当模具15转动时，辅带小车9同时沿着丝杆11移动，使槽4始终与碳纤维带7保持对准在一直线，当一个方向槽4内第1层碳纤维带7缠绕后，在另一个方向槽4内铺设补平纤维带25后完成完整的第1层碳纤维带铺设，下一层在与第1层相反的一个方向槽4内铺设第2层碳纤维带7缠绕后，在相反的另一个方向槽4内铺设补平纤维带25后完成完整的第2层碳纤维带铺设，碳纤维带7在每条槽内来回缠绕依次铺设下一层，直到达到设定的厚度，固化成型后即可得到所需网格结构29。

所述模具15采用多个弧形模具12制造，最后组合成一个整体模具。

二、另一种一体化碳纤维复合材料网格结构的制备方法，采用无槽模具成型方法(如图5所示)：

1)根据不同结构件和几何尺寸大小不同，设计大小不同的矩形网格3；

2)在模具上制成设定厚度的蒙皮，在已经制成的蒙皮24外侧，采用自动辅带机17在设定的网格位置敷设碳纤维带7，达到设定的厚度后整体固化成型；碳纤维带7通过安装于圆环形机架21上的敷带机车20，用压紧力和预拉力敷设于蒙皮24上；敷带机车20通过轮子19沿着圆环形机架21在360°范围内移动，碳纤维带7通过敷带机车20上的布带器17、压紧轮23、张力器22将碳纤维带7敷设在蒙皮24上，并压紧，碳纤维带7在设定的地方被切断；敷带机车20本身能沿着限位轴18自转，使碳纤维带7沿着任意角度敷设于蒙皮24上，当蒙皮24沿中心轴轴向移动时，敷带机车20同时沿环形机架21移动，来回走动直到敷设到设定的厚度后停止铺带，固化后即可得到所需的网格结构件；敷带机车20通过限位轴18限制于圆环形机架21上固定轨道上运行，圆环形机架21固定于机座16上；碳纤维带7可以在辅带机17上根据需要长度裁切，当铺设第1层时，先铺设一个方向的网格筋条30的第1层为连续碳纤维带7，另一个方向的网格筋条30的第1层为补平纤维带25，全部网格筋条30的第1层铺设完成后，铺设第2层网格筋条30，此时第1层为连续碳纤维带7方向的网格筋条30的第2层铺设补平纤维带25，第1层位为补平纤维带25的网格筋条30的第2层敷设连续碳纤维带7，依次铺设第3层，直到设定的网格筋条30高度。

所述碳纤维带7为定制宽度的卷成圆盘状的预浸料碳纤维带。

其中图6、图7所示的网格是具体结构，作为本实施例，本模具方格与模具轴向中心线呈45°角倾斜放置，网格下底面宽为56.71mm，上面宽为54.27mm，居中放置，筋条二个侧面倾角为4.98°，槽深14mm，凹槽底进行圆角处理，整个网格为圆形截面，外直径500mm。