一种复合材料增强件及成型工艺方法技术

本发明专利技术提供一种复合材料增强件成型工艺方法，所述复合材料为碳纤维/环氧树脂型，包括以下步骤:S1.按增强件的3D图作2D展开图；S2.对碳纤维复合材料柔性接头增强件进行铺层设计，大口、中段和小口的比例为1:2:1，各部分重叠搭接，无明显界限；S3.对碳纤维复合材料柔性接头增强件按其与轴线成+45

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料增强件及成型工艺方法


[0001]本专利技术属于固体火箭发动机领域，尤其涉及一种复合材料增强件及成型工艺方法。

技术介绍

[0002]固体火箭发动机具有使用安全性好，可靠性高，储存性能好，密度比冲高及勤务处理方便等优点，使其在导弹领域内成为主要的动力装置，在航天领域也有广泛应用。
[0003]柔性喷管是固体火箭发动机的关键部件之一，是发动机能量转换和实现推力失量控制的装置，它通常由活动体、固定体，柔性接头及作动器组成的。柔性接头作为柔性喷管的核心部件，通过柔性接头的变形，达到喷管摆动的目的。
[0004]柔性接头结构是由前法兰、后法兰、增强件和弹性件四部分组成的推力矢量控制执行部件。所述前法兰与固定体连接，所述后法兰与活动体连接，所述前法兰、后法兰之间通过增强件和弹性件相连，增强件和弹性件一般为多层交替粘接而成的球环状弹性件组和增强件组同心球。其中增强件为柔性接头提供了抵抗发动机压强的刚度，在工作过程中主要承受由燃烧室压强、摆动角度引起的内侧环向压缩应力和拉伸应力。弹性件为柔性接头提供了摆动所需的自由度，其利用橡胶材料剪切模量远小于压缩模量极易发生剪切变形的特性，使得柔性接头在收到侧向力时发生扭转，带动喷管型面按要求摆动。
[0005]发动机在工作过程中，柔性喷管有一理论摆心，所述理论摆心在发动机(喷管)的轴线上，理论上是固定不动的，是球环状弹性件组和增强件组同心球球心，弹性件组是一种粘弹性材料，在受压情况下，会发生较大的应变，增强件组也会产生变形，导致柔性喷管在摆动过程中摆心的变化，影响发动机的推力轴线摆动方向的变化即影响发动机的工作性能稳定性。通常，由于弹性件是超弹性材料，因超弹性材料的特性(不可压缩性、内部存在前兆体)，所以在工作时容易产生疲劳破坏(弹性件易发生裂纹扩展性破坏，增强件易产生高频圆周波屈曲及体积压缩破坏)。由弹性件和增强件粘合起来的柔性接头其工作环境恶劣，在工作过程承受发动机内部高压、高温载荷，因此，柔性接头必须具备较高的结构强度、优异的抗高温烧蚀性能以及良好的环境适应性。尤其目前还没有适应宽温(
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60℃
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+60℃)环境使用的柔性接头，主要是亟待研发出宽温使用的增强件和弹性件。
[0006]尤其要说明的是，目前传统的金属材料增强件均不能满足宽温环境使用要求，亟待研发满足宽温环境使用要求的复合材料增强件。复合材料增强件与传统复合平板材料件应用工况不同，传统复合平板材料受到的应力方向主要是沿着平面方向的拉伸、压缩和垂直于平面方向的弯曲，传递的主要是拉伸应力，而球形增强件主要受到球面内剪切应力和弯矩，传递的主要是沿球面切线方向的剪切应力，因此，按照传统复合平板材料设计方式无法满足柔性接头的结构刚度和传力功能。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在解决现有技术中还没有适应宽温(
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60℃
‑
+60℃)使用的柔性接头的问
题，目的是提供一种复合材料增强件及成型工艺方法，满足宽温环境使用要求。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用一种复合材料增强件成型工艺方法，所述复合材料为碳纤维/环氧树脂型，其特征在于包括以下步骤:
[0009]S1.按增强件的3D图作2D展开图，并标出剪开部位，将碳纤维预浸料按工艺设计尺寸进行裁切(在裁切机上裁剪或手工裁剪)并逐件标号；所述碳纤维体积含量为65％；所述增强件的内、外表面部分采用碳纤维平纹、斜纹或缎纹织物中的一种或者两种的组合或者三种的组合，所述碳纤维平纹、斜纹或缎纹织物的规格为3k、6k或12k中的一种或者两种的组合或者三种的组合，内部采用1k、3k或6k单向预浸料，所述预浸料为环氧树脂型；
[0010]S2.对碳纤维复合材料柔性接头增强件进行铺层设计，大口、中段和小口的比例为1:2:1，各部分重叠搭接，无明显界限；在柔性接头增强件的大口、中段和小口的重叠系数不同，采用差异性叠层设计，设计厚度为：2.0～5.0mm，铺层数为：24～60层。其中，大口为长、短布带交替铺放，中段用环向布带补强，小口用长布带堆叠；所述叠系数不同就是铺的层数不相同，不同位置铺层厚度也不相同；所述长、短布带是碳纤维布，是浸胶的；
[0011]S3.对碳纤维复合材料柔性接头增强件按其与轴线成+45
°
、0
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、90
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、
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45
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四个铺层角度方向进行铺层角度和顺序设计；
[0012]S4.采用热压固化工艺，对铺放模具进行预热，预热温度为45～75℃，按照工艺规程进行铺放，制作成待固化增强件；
[0013]S5.将待固化增强件进行真空袋组合，并放入热压罐，升温固化；
[0014]S6.对固化增强件进行外形加工，得到所需的产品。
[0015]进一步地，所述步骤S1中所述内、外表面部和内部的厚度比例为(1
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2)：(1
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2)：(8
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6)。
[0016]进一步地，所述步骤S1中所述内、外表面部和内部的厚度比例为内表面部：外表面部：内部的厚度比例＝1：1：8。
[0017]进一步地，所述步骤S1中所述增强件的内、外表面部分采用碳纤维缎纹织物，所述碳纤维缎纹织物的规格为12k，内部采用1k单向预浸料。
[0018]进一步地，所述步骤S2中所述大口为长、短布带交替铺放，中段用环向布带补强，小口用长布带堆叠，具体方法是根据产品厚度分度、产品各部位受力情况，来具体设计，其设计原则是：根据各个位置的设计厚度和受力应用工况设计铺层厚度，整体设计原则是各个位置各个方向的强度余量比例基本相同，剪应力强度余量a％，那么轴向和径向的拉伸强度余量也大致在a％，小口位置的余量也在a％，那么大口的余量整体也大致在a％。a为10
‑
30之间。这个余量a％用ansys软件进行仿真得到。
[0019]进一步地，所述步骤S3中所述柔性接头增强件大口长布带按照铺层角度依次为+45
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；+45
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进行铺层，短布带按照+45
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料增强件成型工艺方法，所述复合材料为碳纤维/环氧树脂型，其特征在于包括以下步骤:S1.按增强件的3D图作2D展开图，并标出开剪部位，将碳纤维预浸料按工艺设计尺寸进行裁切(在裁切机上裁剪或手工裁剪)并逐件标号；所述碳纤维体积含量为65％；所述增强件的内、外表面部分采用碳纤维平纹、斜纹或缎纹织物中的一种或者两种的组合或者三种的组合，所述碳纤维平纹、斜纹或缎纹织物的规格为3k、6k或12k中的一种或者两种的组合或者三种的组合，内部采用1k、3k或6k单向预浸料，所述预浸料为环氧树脂型；S2.对碳纤维复合材料柔性接头增强件进行铺层设计，大口、中段和小口的比例为1:2:1，各部分重叠搭接，无明显界限；在柔性接头增强件的大口、中段和小口的重叠系数不同，采用差异性叠层设计，设计厚度为：2.0～5.0mm，铺层数为：24～60层。其中，大口为长、短布带交替铺放，中段用环向布带补强，小口用长布带堆叠；S3.对碳纤维复合材料柔性接头增强件按其与轴线成+45
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、0
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、90
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45
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四个铺层角度方向进行铺层角度和顺序设计；S4.采用热压固化工艺，对铺放模具进行预热，预热温度为45～75℃，按照步骤S2和步骤S3的铺层层数设计，和铺层角度和顺序设计进行铺放，制作成待固化增强件；S5.将待固化增强件进行真空袋组合，并放入热压罐，升温固化；S6.对固化增强件进行外形加工，得到所需的产品。2.根据权利要求1所述的成型工艺方法，其特征在于所述步骤S1中所述内、外表面部和内部的厚度比例为(1
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2)：(1
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2)：(8
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6)。3.根据权利要求1所述的成型工艺方法，其特征在于所述步骤S2中所述增强件的内、外表面部分采用碳纤维缎纹织物，所述碳纤维缎纹织物的规格为12k，内部采用1k单向预浸料。4.根据权利要求1所述的成型工艺方法，其特征在于所述步骤S2中所述大口为长、短布带交替铺放，中段用环向布带补强，小口用长布带堆叠，具体方法是根据产品厚度分度、产品各部位受力情况，来具体设计，其设计原则是：根据各个位置的设计厚度和受力应用工况设计铺层厚度，整体设计原则是各个位置各个方向的强度余量比例基本相同，剪应力强度余量a％，那么轴向和径向的拉伸强度余量也大致在a％，小口位置的余量也在a％，那么大口的余量整体也大致在a％。5.根据权利要求1所述的成型工艺方法，其特征在于所述步骤S3中所述柔性接头增强件大口长布带按照铺层角度依次为+45
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；+45
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进行铺层，短布带按照+45
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；+45

【专利技术属性】
技术研发人员：黄驰，余威，徐节荣，廖俊，易生平，李锐，胡铭杰，
申请(专利权)人：湖北航泰科技有限公司，
类型：发明
国别省市：