專利名稱：一種高拉伸載荷復(fù)合材料管件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高拉伸載荷復(fù)合材料管件一種高拉伸載荷復(fù)合材料管件及其制備方法，屬于復(fù)合材料成型技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
運(yùn)載火箭芯二級箱間段懸掛裝置，承受的拉伸載荷較大，另外還有彎、剪、壓等載荷，力學(xué)環(huán)境復(fù)雜。為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，芯二級箱間段懸掛裝置采用桿系結(jié)構(gòu)形式，并采用復(fù)合材料管子結(jié)構(gòu)件替代金屬管子結(jié)構(gòu)件。單管拉伸載荷需要達(dá)到40t左右，輕質(zhì)大載荷復(fù)合材料管子組件在國內(nèi)運(yùn)載型號尚未應(yīng)用。復(fù)合材料桿系結(jié)構(gòu)在國外已有火箭的結(jié)構(gòu)中已得到應(yīng)用，如日本的H-IIA火箭和美國國家宇航局的德爾它4火箭的二級箱間段。但目前國內(nèi)運(yùn)載火箭級間桿系、發(fā)動機(jī)機(jī)架仍采用30CrMnSi以及TC-4金屬材料桿系。其中，30CrMNSi金屬材料桿件重量較大，與新 一代運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)輕量化的研制方向相悖，而輕質(zhì)薄壁TC-4桿件整體成型工藝技術(shù)難度較大，制作成本遠(yuǎn)高于復(fù)合材料成型構(gòu)件。國內(nèi)傳統(tǒng)的復(fù)合材料管子組件主要承受壓縮載荷，復(fù)合材料與金屬連接形式多采用膠螺形式，可以承受較大的壓縮載荷，但無法滿足高拉伸載荷的承力要求。為實現(xiàn)運(yùn)載器結(jié)構(gòu)減重目標(biāo)，緊跟國外技術(shù)發(fā)展，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料桿系結(jié)構(gòu)勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了芯二級箱間段復(fù)合材料桿件抗拉伸能力差的問題，提出一種高拉伸載荷復(fù)合材料管件及其制備方法，該復(fù)合材料管件尤其適于高拉伸載荷工況的使用。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。本發(fā)明的一種高拉伸載荷復(fù)合材料管件，該管件包括預(yù)埋件和復(fù)合材料層；復(fù)合材料層包覆在預(yù)埋件的外圍，該管件的兩端各有I個預(yù)埋件；每個預(yù)埋件相對于管件的中心線是上下對稱的，而兩個預(yù)埋件是關(guān)于管件的中軸線是左右對稱的；預(yù)埋件為中空錐角結(jié)構(gòu)，預(yù)埋件的錐角結(jié)構(gòu)為2個以上，相鄰的兩個錐角之間形成的區(qū)域為凹槽；每個錐角由I條上升線和I條下降線構(gòu)成，管件最外側(cè)的錐角的上升線與中心線的夾角小于內(nèi)側(cè)錐角上升線與中心線的夾角，且最外側(cè)錐角尖點處直徑小于內(nèi)側(cè)錐角尖點處直徑；管件最外側(cè)的錐角即管件最左端的一個錐角或管件最右端的一個錐角；本發(fā)明的一種高拉伸載荷復(fù)合材料管件的制備方法，步驟為根據(jù)需要選擇一根棒狀的芯膜，然后在芯膜的兩端制作設(shè)定形狀的預(yù)埋件，制作完成后在預(yù)埋件的周圍及管件的其他部位纏繞上復(fù)合材料層，最后再將棒狀的芯膜抽出，即得到高拉伸載荷復(fù)合材料管件。有益效果(I)通過復(fù)合材料管件接頭形式的設(shè)計優(yōu)化以鋪層結(jié)構(gòu)工藝優(yōu)化，該方法制備的復(fù)合材料管件設(shè)計拉伸載荷40t、實際拉伸破壞載荷48t，并應(yīng)用于CZ-5芯二級桿系結(jié)構(gòu)箱間段的研制；(2)通過對復(fù)合材料管件的金屬接頭形式優(yōu)化，有效減弱了大拉伸載荷復(fù)合材料構(gòu)件端頭部位因局部應(yīng)力集中先期破壞的趨勢，提高了復(fù)合材料拉桿的拉伸載荷，復(fù)合材料管件拉伸載荷提升IOt以上，提聞幅度達(dá)25%。
(3)通過對管件鋪層結(jié)構(gòu)的工藝優(yōu)化，突破了復(fù)合材料管子小角度纏繞成型工藝技術(shù)，實現(xiàn)了管件端頭的鋪層結(jié)構(gòu)的局部優(yōu)化，解決了端頭部位小角度纏繞纖維層局部架橋的技術(shù)難點。芯二級箱間段復(fù)合材料桿件以承受拉伸載荷為主，明顯與傳統(tǒng)管件以壓縮載荷為主的承載方式不同，故現(xiàn)有膠螺連接形式、成型技術(shù)方式等技術(shù)難以滿足芯二級箱間段管子的載荷要求。針對復(fù)合材料高拉伸載荷的使用工況，設(shè)計并研制適于高拉伸載荷工況的復(fù)合材料管件，解決了輕質(zhì)大載荷復(fù)合材料管子組件的成型技術(shù)問題。針對復(fù)合材料管子輕質(zhì)大拉伸載荷的技術(shù)難點，通過對復(fù)合材料管件的金屬接頭形式優(yōu)化，有效減弱了大拉伸載荷復(fù)合材料構(gòu)件端頭部位因局部應(yīng)力集中先期破壞的趨勢，通過對管件鋪層結(jié)構(gòu)的工藝優(yōu)化，實現(xiàn)了管件端頭的鋪層結(jié)構(gòu)的局部優(yōu)化，設(shè)計并成功研制了適于高拉伸載荷工況的復(fù)合材料管件。


圖I為實施例I中復(fù)合材料管件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖I的左側(cè)部分的放大圖；圖3為實施例I中預(yù)埋件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為實施例I中預(yù)埋件的詳細(xì)尺寸圖；圖5為實施例I中復(fù)合材料管件的整體尺寸示意圖；圖6為實施例2中復(fù)合材料管件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為圖6的左側(cè)部分的放大圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實施例I如圖I和圖2所示，一種高拉伸載荷復(fù)合材料管件，該管件包括預(yù)埋件I和復(fù)合材料層2 ;復(fù)合材料層2包覆在預(yù)埋件I的外圍，該管件的兩端各有I個預(yù)埋件I ;每個預(yù)埋件I相對于管件的中心線3是上下對稱的，而兩個預(yù)埋件I關(guān)于管件的中軸線4是左右對稱的；如圖3和圖4所示，預(yù)埋件I為中空錐角結(jié)構(gòu)，預(yù)埋件I的錐角結(jié)構(gòu)為2個，分別為錐角A5和錐角B6 ;錐角A5和錐角B6之間形成的區(qū)域為凹槽7 ；錐角A5由I條上升線A8和I條下降線A9構(gòu)成，上升線A8與中心線3之間的夾角為6°，下降線A9與中心線3之間的夾角為45° ;錐角B6由I條上升線BlO和I條下降線Bll構(gòu)成，上升線BlO與中心線3之間的夾角為20°，下降線Bll與中心線3之間的夾角為7° ；
錐角A5的頂點A12之間的距離為60mm，錐角B6的頂點B13之間的距離為64mm ；兩個凹槽7的內(nèi)表面之間的距離為56mm。一種高拉伸載荷復(fù)合材料管件的制備方法，步驟為I)選擇一根直徑為50mm長度為2m的不銹鋼光滑芯模，并涂覆脫模劑；
2)將制備完成的預(yù)埋件I固定在芯模兩側(cè)位置，兩端的預(yù)埋件的長度為2m ；3)采用全自動纏繞成型方式，在預(yù)埋件I的外側(cè)包覆復(fù)合材料層2，沒有預(yù)埋件的部分則在芯模外側(cè)纏繞包覆復(fù)合材料層2，其鋪層結(jié)構(gòu)為[±45° /±90° /±15° /±45°/±15。/±45° /±15。/±45° /±15。/±45° /±90° /±45° ]。15° 纏繞層采用變纏繞角的非測地線纏繞，在凹槽7區(qū)域逐級過渡到30°角度以下；4)在纏繞成型后，移至烘箱內(nèi)固化；5)將芯膜脫除，將成品兩側(cè)進(jìn)行機(jī)械加工，并在預(yù)埋件內(nèi)側(cè)加工螺紋，去除多余長度；如圖5所示；6)采用螺紋連接方式，將制備完成的管件安裝在拉伸載荷試驗機(jī)，進(jìn)行管件全尺寸拉伸載荷試驗，逐級加載至48t，復(fù)合材料管件未出現(xiàn)破壞，表明此種復(fù)合材料管件適于大拉伸載荷工況，且其拉伸載荷比其他結(jié)構(gòu)提高了 IOt以上，提升幅度達(dá)25%。實施例2與實施例I同，其中不同的是預(yù)埋件的錐角為4個，如圖6和圖7所示。實施方案以金屬接頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化和纏繞成型工藝優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)為核心，逐次展開工藝技術(shù)攻關(guān)研究，完成輕質(zhì)大載荷復(fù)合材料管子的研制。金屬端頭結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)因復(fù)合材料拉桿的設(shè)計載荷為40t左右，而現(xiàn)階段拉伸破壞載荷與設(shè)計載荷相接近，工程應(yīng)用尚存在拉伸載荷性能裕量不足的問題。通過對管件力學(xué)分析和試驗驗證，確認(rèn)金屬預(yù)埋端頭位置為應(yīng)力集中區(qū)域，也是載荷性能的薄弱環(huán)節(jié)。本課題針對管件的金屬端頭結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，以提升復(fù)合材料管件的承載能力。依據(jù)復(fù)合材料管件在拉伸試驗時，破壞模式為復(fù)合材料桿件端頭金屬接頭部位拔出，端頭部位外層復(fù)合材料纖維斷裂，可見主要是因為預(yù)埋件與復(fù)合材料層在管件端部部位是承受拉伸載荷的薄弱環(huán)節(jié)，主要是因為纖維在端部處因后期機(jī)加工致使纖維連續(xù)性破壞，導(dǎo)致局部螺旋向纖維的環(huán)向承載能力下降，同時局部應(yīng)力集中致使端頭部位非連續(xù)的纖維鋪層間的層間剪切性能在較小載荷下即破壞。據(jù)此，對金屬預(yù)埋件的接頭形式進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計了單槽錐角結(jié)構(gòu)形式。其采用單槽結(jié)構(gòu)，可以有效減弱纖維纏繞架橋現(xiàn)象，同時在端部采用小角度的錐角，而內(nèi)側(cè)采用較大錐角，使復(fù)合材料層和預(yù)埋件的應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)移至纖維連續(xù)區(qū)域，避免了局部非連續(xù)纖維層導(dǎo)致的力學(xué)性能下降問題，同時，端部小角度錐角的可有效避免了端部應(yīng)力集中。如此，復(fù)合材料管件拉伸載荷性能可進(jìn)一步提升。采用單槽錐角結(jié)構(gòu)預(yù)埋件的碳管的拉伸破壞載荷皆在48t以上，遠(yuǎn)高于復(fù)合材料管子組件40t的設(shè)計拉伸載荷，與原結(jié)構(gòu)形式的管子組件的破壞載荷相比，提升拉伸載荷性能IOt以上，提升近25%。，若需要進(jìn)一步提升載荷，也可采用通用預(yù)埋件接頭結(jié)構(gòu)形式，采用多段預(yù)埋件接頭形式。纏繞成型工藝優(yōu)化傳統(tǒng)以軸向壓縮為主要載荷的復(fù)合材料桿件常采用手工鋪放和自動纏繞相結(jié)合的成型工藝，即0°方向鋪層采用手工鋪放，螺旋向和環(huán)向鋪層采用自動纏繞成型。如此成型方式，手工鋪放的0°鋪層與自動纏繞成型的鋪層的應(yīng)力狀態(tài)協(xié)調(diào)性差，致使縱向承載的纖維容易出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，影響了管件承受縱向拉伸載荷的能力。據(jù)此，根據(jù)設(shè)計載荷要求和理論計算結(jié)果，利用纏繞工藝軟件，對纏繞線形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。采用小角度纏繞鋪層替代傳統(tǒng)工藝中的手工0°鋪層，實現(xiàn)了復(fù)合材料管子組件的全纏繞自動化成型。但在管件端頭預(yù)埋件處，如預(yù)埋件通用接頭形式所示，其在接頭外側(cè)存在凹槽區(qū)域，在30°以下角度纏繞層時，凹槽區(qū)域存在架橋現(xiàn)象。為克服預(yù)埋件接頭局部凹槽對管件纏繞工藝的影響，提出在預(yù)埋件區(qū)域采用變角度的非測地線纏繞工藝，即管件中間部位采用測地線纏繞工藝，而在接頭部位采用非測地線纏繞工藝。如此，不僅保證管件的中間部位的力學(xué)性能,也實現(xiàn)了管件端頭部位的無架橋纏繞成型。通過對纏繞工藝優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計并實施了全纏繞復(fù)合材料管件成型方案，鋪層纏 繞角度得以有效控制，工藝協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性明顯改善，成型的復(fù)合材料管件具有較優(yōu)異的力學(xué)性能，產(chǎn)品的質(zhì)量一致性較好。
權(quán)利要求
1.一種高拉伸載荷復(fù)合材料管件，其特征在于該管件包括預(yù)埋件和復(fù)合材料層； 復(fù)合材料層包覆在預(yù)埋件的外圍，該管件的兩端各有I個預(yù)埋件； 每個預(yù)埋件相對于管件的中心線是上下對稱的； 兩個預(yù)埋件是關(guān)于管件的中軸線是左右對稱的； 預(yù)埋件為中空錐角結(jié)構(gòu)，預(yù)埋件的錐角結(jié)構(gòu)為2個以上，相鄰的兩個錐角之間形成的區(qū)域為凹槽； 每個錐角由I條上升線和I條下降線構(gòu)成； 管件最外側(cè)的錐角的上升線與中心線的夾角小于內(nèi)側(cè)錐角上升線與中心線的夾角，且最外側(cè)錐角尖點處直徑小于內(nèi)側(cè)錐角尖點處直徑。
2.一種高拉伸載荷復(fù)合材料管件的制備方法，其特征在于步驟為根據(jù)需要選擇一根棒狀的芯膜，然后在芯膜的兩端制作預(yù)埋件，制作完成后在預(yù)埋件的周圍及管件的其他部位纏繞上復(fù)合材料層，最后再將棒狀的芯膜抽出，即得到高拉伸載荷復(fù)合材料管件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高拉伸載荷復(fù)合材料管件及其制備方法，屬于復(fù)合材料成型技術(shù)領(lǐng)域。該管件包括預(yù)埋件和復(fù)合材料層；復(fù)合材料層包覆在預(yù)埋件的外圍，該管件的兩端各有1個預(yù)埋件；預(yù)埋件的錐角結(jié)構(gòu)為兩個以上，相鄰的兩個錐角之間形成的區(qū)域為凹槽；每個錐角由一條上升線和一條下降線構(gòu)成，管件最外側(cè)的錐角的上升線與中心線的夾角小于內(nèi)側(cè)錐角上升線與中心線的夾角，且最外側(cè)錐角尖點處直徑小于內(nèi)側(cè)錐角尖點處直徑；管件最外側(cè)的錐角即管件最左端的一個錐角或管件最右端的一個錐角。該方法制備的復(fù)合材料管件設(shè)計拉伸載荷40t、實際拉伸破壞載荷48t。
文檔編號F16S3/00GK102913744SQ20121038851
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月15日
發(fā)明者張建寶, 林松, 王俊鋒, 孫文文, 張蕾, 趙文宇, 劉偉, 范佳 申請人:航天材料及工藝研究所, 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院