[发明专利]网格交叉处无碳纤维堆积的复合材料格栅结构及制造方法

说明书

本发明公开了一种网格交叉处无碳纤维堆积的复合材料格栅结构及制造方法。制作格栅结构成型所需模具，根据模具形状设计碳纤维预浸料的尺寸并裁剪，在格栅结构模具内进行格栅结构的铺层，将剪裁好的各条碳纤维预浸料布置在成型槽中，重复步骤从下至上对各层进行铺层，上下相邻两层同一个多边形网格块的碳纤维预浸料的旋向布置相反，使得相邻层中碳纤维预浸料的铺层布置交错；达到设计厚度后进行合模固化成型。本发明避免了在节点处的纤维堆积以及两结点之间的纤维架空现象而导致的复合材料性能偏低的问题，也改善了在成型过程中由于节点处纤维堆积而造成成型样件受压不均匀的问题同时达到了轻量化的目的，可用于复杂的格栅结构铺层设计。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合材料格栅结构及其制造方法，特别是涉及一种用于飞机机身、运载火箭壳体、水下无人潜艇等领域的网格交叉节点无碳纤维堆积的复合材料格栅结构及制造方法。

背景技术

碳纤维复合材料由于具有高比强度、比模量、轻量化和耐腐蚀的特点而广泛应用于航空航天、轨道交通、潜艇、武器装备以及体育休闲等民用领域。过去传统的大型飞机、导弹、潜艇、风力发电叶片和高铁车身的结构多为复合材料的层合板和加强筋结构，层合板和加强筋往往不是一体化成型，结果导致整体结构的稳定性不足。

复合材料格栅结构是由金属格栅结构发展而来，一般是由加强筋和蒙皮所组成的。具有截面惯性矩大，抗弯、抗屈曲性能良好，结构效率高和抗失稳能力强等优点，另外由于格栅的加强肋相对独立，其在受到冲击载荷下裂纹不易传播整体性能也比较好。正是如此，也使得格栅结构广泛应用于各类飞机机身、运载火箭、导弹外壳、无人潜艇和高铁车身等航空航天领域。但现有的碳纤维复合材料格栅结构在制作过程中在每个格栅的节点交叉处会产生纤维的堆积现象，而在两交叉结点的中间也存在纤维的架空问题，很容易在这些部分造成应力的集中从而导致结构的失效。

发明内容

为了克服技术背景中存在的问题，本发明对碳纤维复合材料格栅结构的铺层方案处理进行了改进，避免了在结点交叉处产生的纤维堆积现象，使整个格栅结构的纤维含量保持一致，可以更好的传递载荷，进而提高结构的性能。

本发明的技术方案如下：

步骤1：根据碳纤维复合材料格栅结构的尺寸制作碳纤维复合材料格栅结构成型所需的格栅结构模具，如图2所示；

所述的格栅结构模具主要由平台平面以及布置在平台平面上凸起的多个多边形网格块而成，各个多边形网格块等间隔阵列排布布置，多个多边形网格块以矩形阵列排布，相邻多边形网格块之间具有间隙，以相邻多边形网格块之间的间隙作为成型槽；优选地，各个多边形网格块的尺寸均相同，各处成型槽的宽度均相同。

步骤2：根据格栅结构模具中的多边形网格块大小对整张碳纤维预浸料进行剪裁获得各条碳纤维预浸料，共有两种尺寸的碳纤维预浸料，第一种碳纤维预浸料的长度为一个成型槽的宽度与两块多边形网格块的长度之和，第二种的碳纤维预浸料长度为一个成型槽的宽度和一块多边形网格的长度之和，每条碳纤维预浸料的宽度为一个成型槽的宽度；

步骤3：随后在格栅结构模具上进行格栅结构的铺层，在铺层过程中将剪裁好的各条碳纤维预浸料依次布置在成型槽中，具体地：在每一层中，从最中间的多边形网格块开始向周围的多边形网格块进行碳纤维预浸料的铺层，铺层方向以风车叶片形式和旋向布置，这样在同一层中对每个多边形网格块周围的成型槽中铺置碳纤维预浸料，每个多边形网格块周围布置多条碳纤维预浸料且以风车叶片形式和旋向布置，然后对格栅结构模具的最外层多边形网格的外侧也进行铺层，其铺层方案如图3所示；

步骤4：不断重复步骤3，从下到上对各层进行铺层，且上下相邻两层的同一个多边形网格块周围布置的多条碳纤维预浸料的旋向布置相反，使得各层中碳纤维预浸料的铺层布置交错，如图4所示；