一種複合材料高耐撞性圓筒結構成型方法與流程
2023-12-12 20:39:27
本發明屬於複合材料設計製作領域，特別涉及一種複合材料高耐撞性圓筒結構成型方法。
背景技術：
結構耐撞性研究是通過犧牲特定結構、吸收碰撞能量來提高運輸系統的碰撞抵抗能力，從而保護乘員及貨物的安全。為了達到保證生存空間、降低過載和衝擊力的目的，一個重要途徑就是採用輕質、高強、高比吸能的材料和結構作為能量耗散裝置。為使碰撞能以可控、可預見的方式耗散，耐撞性結構應保證破壞模式應當穩定，具有可重複性和可靠性，即在隨機的碰撞事件中能以相對固定的破壞形式耗散碰撞能量，同時要求碰撞動能能夠不可逆地耗散；吸能過程無次生破壞(如碎片飛濺)。
纖維增強樹脂基複合材料與金屬材料相比，具有高比強，高比剛度、耐腐蝕，強度可設計、結構穩定性好以及便於大面積整體成型等優點，受到航空航天領域和汽車工業的青睞。複合材料的性能非常適合交通系統輕量化的要求，降低油耗。而複合材料只是被局限的應用與交通系統的座椅，內飾，外蒙皮等非承力構件中，造成減重效果的局限性。近年來通過對複合材料耐撞性的研究發現，同樣厚度下的複合材料零件比傳統鋼製零件的吸能效果好的多。因此設計一種結構簡單的高耐撞性複合材料構件，可以進一步推廣複合材料在交通系統中的應用。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種複合材料高耐撞性圓筒結構成型方法，以解決複合材料使用的局限性問題。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：
一種複合材料高耐撞性圓筒結構成型方法，包括以下步驟：
步驟一：設定要成型的結構高度，使用分切機將複合材料分切成矩形條帶，並保證矩形條帶的寬度大於所設定的結構高度；
步驟二：將分切後的矩形條帶沿長中線分切為兩半，對分切為兩半的矩形條帶進行多次平行切割，切割軌跡線與矩形條帶的邊呈固定夾角，且每條切割軌跡線之間的間距相同；
步驟三：裁剪完成後將兩塊矩形條帶堆疊，同時保證切割軌跡線不重疊；壓實後將其纏繞到圓柱形芯模上，形成圓筒結構預成型體；
步驟四：將上述加工完成的圓筒結構預成型體放入真空熱壓罐中，用真空熱壓罐對圓筒結構預成型體進行升溫加熱處理，固化完成後自然冷卻至室溫完成圓筒結構預成型體固化加工，取出圓柱形芯模，形成複合材料高耐撞性圓筒結構。
進一步的，其特徵在於，纏繞後圓筒結構的厚度與結構高度的比值大於等於0.015，矩形條帶的分切長度應大於π×d×0.015×l，其中d為成型後圓筒內徑，l為成型後圓筒高度。
進一步的，步驟二所述的切割方式為圓滾刀切割或虛線切割刀或超聲波切割。
進一步的，圓柱形芯模的高度大於或等於堆疊後的複合材料的寬度。
進一步的，複合材料中的纖維為玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維中的一種纖維或多種纖維的混合纖維；複合材料材料形式為幹纖維或預浸帶纖維。
進一步的，當選用預浸帶複合材料時採用熱壓罐工藝進行固化；當使用幹纖維鋪放時，固化採用為rtm成型固化設備或rfi固化工藝。
進一步的，製備的圓筒結構能夠單獨使用或若干個圓筒結構均勻垂直設置在兩個板材之間組成吸能組件。
與現有技術相比，本發明有以下技術效果：
本發明所設計的複合材料高耐撞性圓筒與同樣結構的金屬材料相比，具有材質輕、強度高、高吸能、耐腐蝕的特點，從而具有更高的耐撞性，在碰撞過程中可以吸收更多的能量，同時吸能過程中不會產生材料飛濺，無次生破壞。
本發明的複合材料高耐撞性圓筒製作工藝簡單，可設計性強，結構穩定耐腐蝕，可廣泛應用於汽車、船體、飛行器等領域，具有良好的應用前景。
附圖說明
圖1為使用圓滾刀切割後的預浸料示意圖；
圖2為使用虛線切割刀切割後的預浸料示意圖；
圖3為圓滾刀主視圖；
圖4為虛線切割刀主視圖；
圖5為將預浸料纏繞到模具表面示意圖；
圖6為成型後的圓筒示意圖；
圖7為排列後的吸能組件。
具體實施方式
以下結合附圖，對本發明進一步說明：
請參閱圖1至圖7，一種複合材料高耐撞性圓筒結構成型方法，包括以下步驟：
步驟一：設定要成型的結構高度，使用分切機將複合材料分切成矩形條帶，並保證矩形條帶的寬度大於所設定的結構高度；
步驟二：將分切後的矩形條帶沿長中線分切為兩半，對分切為兩半的矩形條帶進行多次平行切割，切割軌跡線與矩形條帶的邊呈固定夾角，且每條切割軌跡線之間的間距相同；
步驟三：裁剪完成後將兩塊矩形條帶堆疊，同時保證切割軌跡線不重疊；壓實後將其纏繞到圓柱形芯模上，形成圓筒結構預成型體；
步驟四：將上述加工完成的圓筒結構預成型體放入真空熱壓罐中，用真空熱壓罐對圓筒結構預成型體進行升溫加熱處理，固化完成後自然冷卻至室溫完成圓筒結構預成型體固化加工，取出圓柱形芯模，形成複合材料高耐撞性圓筒結構。
纏繞後圓筒結構的厚度與結構高度的比值大於等於0.015，矩形條帶的分切長度應大於π×d×0.015×l，其中d為成型後圓筒內徑，l為成型後圓筒高度。
步驟二所述的切割方式為圓滾刀切割或虛線切割刀或超聲波切割。
圓柱形芯模的高度大於或等於堆疊後的複合材料的寬度。
複合材料中的纖維為玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維中的一種纖維或多種纖維的混合纖維；複合材料材料形式為幹纖維或預浸帶纖維。
當選用預浸帶複合材料時採用熱壓罐工藝進行固化；當使用幹纖維鋪放時，固化採用為rtm成型固化設備或rfi固化工藝。
製備的圓筒結構能夠單獨使用或若干個圓筒結構均勻垂直設置在兩個板材之間組成吸能組件。
實施例1：
本實例採用熱固性碳纖維預浸帶材料。
具體步驟為：
1)設定要成型的結構高度，使用分切機將大塊的複合材料原料分切成一定寬度的矩形條帶，並保證寬度大於所設定的結構高度。為保證纏繞後的厚度與結構高度的比值大於等於0.015，分切長度應大於π×d×0.015×l，其中d為成型後圓筒內徑，l為成型後圓筒高度。
2)將分切後的複合材料布沿中線分切為兩半，參見圖3和圖4，使用圓滾刀或虛線切割刀，沿斜線進行多次平行切割，切割形式如圖1和圖2所示，保證每條連續切割線之間的間距一致。
3)參見圖5所示，裁剪完成後將兩部分纖維布堆疊，同時保證切割部分不重疊，壓實後將其纏繞到圓形芯模上。
4)複合材料圓筒固化。將上述加工完成的碳纖維預成型體放入真空熱壓罐中，首先升溫到80℃保溫30分鐘，然後升溫到130℃保溫2個小時，其升溫時間為3分鐘，最後隨爐冷卻至室溫完成固化加工。
採用如上述製作方法製成的最終非連續鋪層圓筒結構，如圖6所示，在隨機的碰撞事件中能以漸進破壞的形式耗散更多碰撞能量，與傳統連續鋪層圓筒結構相比，其吸能性能提高了50％以上，能夠有效控制碰撞力和減速度。
本發明不受上述實例的限制，上述實施案例和說明書中描述的只是用來說明本發明的原理，在實際使用過程中可以單獨使用，也可以以一定形式排列後組成吸能組件，如圖7所示。