多層格柵承力筒及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于承力結構設計領域，涉及超輕質材料格柵類結構設計，具體涉及一種多層格柵承力筒及其制備方法。
【背景技術】
[0002]結構件的高性能化和輕量化技術已成為當今航空航天領域的研宄熱點。為了使火箭、導彈、飛機等飛行器具備優良的使用性能，如射程遠、速度快、機動性強等，這些飛行器的構件輕量化成為一個重要的發展趨勢。結構輕量化的重要技術措施包括采用承載效率高的結構構型和實現箭體、彈體、艙體等結構的復合材料化。在以往的設計中，鋁合金由于優異的性能常被選為制造飛行器結構的首選材料。采用輕質、高強的先進復合材料結構(如格柵等)替代鋁合金殼段，可大幅減少惰性質量、實現結構超輕量化。
[0003]格柵結構自上世紀七十年代以來發展迅速，與傳統材料相比，格柵結構有很多突出的優勢:受力時其肋板主要承受軸向拉壓作用，結構承載力相對較高；相對密度小，具有優異的比強度和比剛度；其結構抗屈曲能力強，尤其是多級格柵，自穩定性高；孔隙比較大，具有開放的空間構型，便于結構的多功能設計，比如填放隔熱材料以制造絕熱板或者填放電磁波吸收泡沫以形成雷達吸波結構等；有很高的機械能吸收效率，固有的多孔特性使其在沖擊載荷作用下，能夠發生較大的塑性變形，從而有效地消耗沖擊能量，體現出遠優于實體板的吸能性能；另外，通過智能材料進行控制，能夠實現主動變形，從而具備致動能力。由于具備這些優良的特性，格柵已被成功應用于航空航天領域的多個方面，如火箭承力筒、航天器機身、火箭級間段、直升機尾翼等。
[0004]復合材料格柵結構結合了格柵結構的構型優勢和復合材料高性能的優勢，承載效率更高，已成為目前超輕質結構材料的研宄熱點之一。采用碳纖維增強聚合物(CFRP)復合材料制備格柵圓柱殼，可以充分發揮CFRP復合材料高比強度和高比模量的特點:通過優化設計，可以使單向碳纖維增強聚合物復合材料沿載荷傳遞路徑布置，不受力或受力較小的部分少布置甚至不布置材料；同時，通過設計可使復合材料格柵結構的加強肋主要只承受拉-壓載荷，整個結構成為拉伸主導型結構(SDS)，單向碳纖維增強復合材料沿纖維方向的力學性能優勢得以充分發揮，從而減少材料用量，達到減重的目的。此外，格柵結構在設計上具有很強的靈活性，它的空間開放構型使得結構可以進行多功能設計。
[0005]但是，包括格柵筒在內的大尺寸筒體結構由于筒壁相對較薄而易發生結構整體屈曲失穩，如何增強穩定性是大型筒體結構設計的關鍵問題。增加壁厚雖然會提高結構整體穩定性，但會導致結構重量大幅度增加，所以保證結構重量的前提下提高筒體結構的穩定性是現今的一個技術難點。大型鋁合金殼段設計中，往往需要在殼段中每間隔40cm?50cm設置中間框，以提高殼段的抗失穩能力，但是這種中間框設計增加了贅重。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種結構穩定性強、力學性能高、不易發生結構整體屈曲失穩、可實現結構輕量化的多層格柵承力筒及其制備方法。
[0007]為解決上述技術問題，本發明提出以下技術方案:
一種多層格柵承力筒，所述多層格柵承力筒是由至少兩個單層格柵筒嵌套而成，相鄰所述單層格柵筒的網格疏密程度不同。
[0008]上述的多層格柵承力筒中，優選的，所述多層格柵承力筒中，單層格柵筒網格的疏密程度由內至外逐層遞增或遞減，所述單層格柵筒為圓柱筒或圓錐筒。該結構設計可以增大相鄰單層格柵筒之間的界面面積。
[0009]上述的多層格柵承力筒中，優選的，所述單層格柵筒中，所述網格是由兩種或兩種以上不同取向的肋條交叉構成，每種取向的肋條至少有兩根，所述肋條與單層格柵筒筒體周線的夾角為Θ，且0°彡Θ <180°。
[0010]上述的多層格柵承力筒中，優選的，所述單層格柵筒的肋條厚度T為3mm?25mm，肋條寬度B為5mm?20mm，同一取向的相鄰肋條間距a為30mm?300mmo
[0011]上述的多層格柵承力筒，優選的，所述單層格柵筒的單元網格構型包括菱形、方形、六邊形、Kagome形、三角形或米字形。
[0012]上述的多層格柵承力筒，優選的，所述單層格柵筒是由單向連續纖維增強樹脂基復合材料構成；在所述單向連續纖維增強樹脂基復合材料中，增強纖維包括碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維中的一種或多種，樹脂基體包括環氧樹脂、聚酯樹脂、不飽和聚酯、酚醛樹脂和乙烯基樹脂中的一種或多種。
[0013]上述的多層格柵承力筒，優選的，所述單層格柵筒是由各向同性材料制成，所述各向同性材料包括金屬材料或工程塑料，所述金屬材料包括鋁合金、鎂合金、鈦合金和結構鋼中的一種或多種，所述工程塑料包括聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(即ABS)和聚氯乙烯(即PVC)中的一種或多種。工程塑料多為通用塑料或特種塑料。
[0014]作為一個總的技術構思，本發明還提供一種上述的多層格柵承力筒(由復合材料構成)的制備方法，包括以下方法一(整體成型法)或方法二 (分步成型法)的步驟:
方法一:
(1)制作澆鑄軟模的木模:根據所述多層格柵承力筒的結構和尺寸設計并制作用于硅橡膠軟模成型的木模，然后對木模的工作表面進行清理并涂刷硅油；
(2)制作硅橡膠軟模:配制硅橡膠膠料并進行真空脫氣泡處理，然后將硅橡膠膠料澆注于木模中，經硫化、固化成型和脫模后，得到硅橡膠軟模；
(3)裝配模具:將硅橡膠軟模與纏繞芯模進行裝配，硅橡膠軟模包覆于纏繞芯模的外圍，得到所述多層格柵承力筒的整體成型模具，即硅橡膠軟模/纏繞芯模組合模具；
(4)軟模輔助纏繞:將上述多層格柵承力筒的整體成型模具中的硅橡膠軟模表面進行清理并涂覆脫模劑，然后將增強纖維束浸漬預先配制的樹脂膠液后通過連續纏繞方式鋪放于硅橡膠軟模的凹槽中，直至達到設計的多層格柵肋條厚度，形成多層格柵結構整體纖維浸漬預成型體；
(5)真空袋壓成型:在帶有多層格柵結構整體纖維浸漬預成型體的硅橡膠軟模/纏繞芯模組合模具上依次包覆脫模布、透氣氈和真空袋，密封并設置好注膠口和抽氣口，組裝成真空袋壓成型系統，采用真空泵抽真空，然后將真空袋壓下的組合模具置于烘箱中加熱固化成型； (6)脫模和后處理:固化成型后，經脫模和后處理，得到復合材料多層格柵承力筒。
[0015]方法二:
(1)制作澆鑄軟模的木模:根據所述單層格柵承力筒的結構和尺寸設計并制作用于硅橡膠軟模成型的木模，然后對木模的工作表面進行清理并涂刷硅油；
(2)制作硅橡膠軟模:配制硅橡膠膠料并進行真空脫氣泡處理，然后將硅橡膠膠料澆注于木模中，經硫化、固化成型和脫模后，得到硅橡膠軟模；
(3)裝配模具:將硅橡膠軟模與纏繞芯模進行裝配，硅橡膠軟模包覆于纏繞芯模的外圍，得到所述單層格柵承力筒的整體成型模具；
(4)軟模輔助纏繞:將上述單層格柵承力筒的整體成型模具中的硅橡膠軟模表面進行清理并涂覆脫模劑，然后將增強纖維束浸漬預先配制的樹脂膠液后通過連續纏繞方式鋪放于硅橡膠軟模的凹槽中，直至達到設計的單層格柵肋條厚度，形成單層格柵結構纖維浸漬預成型體；
(5)真空袋壓成型:在帶有單層格柵結構纖維浸漬預成型體的硅橡膠軟模/纏繞芯模組合模具上依次包覆脫模布、透氣氈和真空袋，密封并設置好注膠口和抽氣口，組裝成真空袋壓成型系統，采用真空泵抽真空，然后將真空袋壓下的組合模具置于烘箱中加熱固化成型；
(6)脫模和后處理:固化成型后，經脫模和后處理，得到復合材料單層格柵承力筒；
(7)重復步驟(I)?步驟(6)的過程，制備具有不同單元網格構型的復合材料單層格柵筒；
(8)將上述制備的各單層復合材料格柵筒按照預設的嵌套方式進行組裝，得到復合材料多層格柵承力筒。
[0016]上述的制備方法中，優選的，所述步驟(2)中，所述硅橡膠膠料的澆鑄溫度為25V?35°C，所述硫化機制為:先在30°C硫化24h，然后在90°C硫化Ih。
[0017]作為一個總的技術構思，本發明還提供一種上述的多層格柵承力筒(由金屬材料或工程塑料等各向同性材料構成)的制備方法，包括以下方法一(分步成型法)或方法二 (整體成型法)的步驟:
方法一:
(1)設計并制備單層格柵承力筒拆分部件的澆鑄模具(如沿圓柱(錐)筒軸向拆分，可將圓柱(錐)筒拆分成兩個半圓柱(錐)面，便于澆鑄成型)；
(2)采用金屬材料或工程塑料進行上述拆分部件的熔融澆鑄，凝固后脫模，并進行后處理；
(3)采用焊接或膠接工藝將步驟(2)得到的拆分部件組裝成整體單層格柵承力筒；
(4)重復上述步驟(I)?(3)，根據所述多層格柵承力筒的結構和尺寸要求制備具有不同單元網格構型的單層格柵筒；
(5)采用焊接或膠接工藝，將各單層格柵承力筒進行組裝，得到多層格柵承力筒。
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