仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构及其设计、制造方法与流程

1.本发明涉及复合材料应用与制造技术领域，特别涉及一种仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构及其设计方法和制造方法。


背景技术：

2.随着材料科学及航天、航空事业的迅速发展，复合材料与复合材料泡沫夹芯结构因其具有高比强度、高比刚度和可设计性等优点而得到广泛应用。本发明针对的是用于机身舱段等圆柱形结构的隔断连接框，用作次承力结构件的复合材料泡沫夹芯结构。对于这种复合材料泡沫夹芯结构，传统的结构采用下面板、维形泡沫芯材、上面板的方式，但该方式泡沫夹芯区域的承载能力较弱，使得在泡沫夹芯区域难以与其他结构进行组装。同时随着航空航天事业的迅速发展，对复合材料泡沫夹芯结构同时提出了集轻质、耐高温、结构承载于一体的性能要求，目前的复合材料泡沫夹芯结构难以满足该要求。
3.针对上述问题，非常有必要提供一种新的集耐高温轻质承载于一体的仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构的结构设计，以及与该新型结构匹配的成型方法和由此成型得到的仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种新型的仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构及其设计方法和制造方法，该仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构能够同时满足轻质、耐高温、结构承载等性能。
5.为达到上述目的，本发明采用的解决方案是：
6.本发明第一方面提出一种仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构，包括复合材料面板和中间芯层，该复合材料面板包括上面板和下面板；该中间芯层包括复合材料格栅结构、泡沫填充物和金属预埋块；该泡沫填充物填充于该复合材料格栅结构的格栅之间，该金属预埋块填充于该复合材料格栅结构的中心位置，复合材料格栅结构、泡沫填充物和金属预埋块之间采用胶膜胶接和预浸料局部补强的方式进行粘接；该中间芯层位于该复合材料面板的上面板和下面板之间，并与上面板和下面板之间采用胶膜胶接的方式进行连接。
7.优选地，所述复合材料面板和复合材料格栅结构均选用碳纤维增强树脂基复合材料，其中碳纤维选用高强中模级碳纤维，包括t700、t800、t1100等，或者选用高强高模级碳纤维，包括m40j、m55j等；树脂体系选用耐温等级较高树脂，包括双马树脂、氰基树脂、聚酰亚胺等。
8.优选地，所述泡沫填充物采用耐高温泡沫，包括耐高温聚甲基丙烯酰亚胺泡沫、聚酰亚胺泡沫等。
9.优选地，所述金属预埋块选用钛合金。
10.优选地，所述胶模选用耐高温胶膜，如j-188、j-242、j-271、j-385、j-415等。
11.本发明第二方面提出一种仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构的设计方法，包括
以下步骤：
12.1)建立中间芯层构件模型，该模型包括复合材料区域和金属预埋块区域及其几何信息；
13.2)在有限元软件中，对所述中间芯层构件模型进行网格划分；
14.3)针对所述中间芯层构件模型，建立复合材料卡片，该复合材料卡片包含复合材料力学性能参数，并将该复合材料卡片赋予复合材料；以及建立金属材料卡片，该金属材料卡片包含复合材料力学性能参数，并将该金属材料卡片赋予金属预埋块；并建立所述复合材料区域与所述金属预埋块区域的绑定连接；
15.4)建立所述中间芯层构件模型的约束边界条件和力学载荷条件，该约束边界条件包含约束位置和约束方向，该力学载荷条件包含加载位置和加载力；
16.5)建立计算方法，对所述中间芯层构件模型进行计算，检验该中间芯层构件模型设置是否正确；
17.6)建立拓扑优化任务模型，设定拓扑优化算法；建立拓扑优化响应参数，该参数包括目标参数和约束函数；建立拓扑优化目标，选择所述目标参数为优化目标；建立拓扑优化约束条件，选择所述约束函数为优化约束条件；建立拓扑优化几何限制条件，该几何限制条件包括冻结区域和脱模方向；验证所述拓扑优化任务模型，检验所述拓扑优化任务模型是否建立正确；
18.7)基于所述拓扑优化任务模型，进行所述中间芯层构件模型的拓扑优化计算；通过该拓扑优化计算，得到优化后的复合材料格栅结构，优化后的复合材料格栅结构体积最小，且在所述力学载荷条件下能满足承载要求；并得到泡沫填充物和金属预埋块的结构和材料信息；
19.8)根据步骤7)得到的复合材料格栅结构、泡沫填充物和金属预埋块建立中间芯层，该泡沫填充物的几何形状为该复合材料格栅结构中空位置几何形状。
20.优选地，所述中间芯层构件模型采用实际中间芯层构件的四分之一模型。
21.优选地，所述有限元软件为abaqus软件；
22.优选地，所述网格采用壳单元网格，所述壳单元为s4r线性缩减积分单元。
23.优选地，所述力学性能参数包括弹性模型和泊松比。
24.优选地，所述计算方法为求解器设定。
25.优选地，所述拓扑优化算法为一般优化算法(基于灵敏度)；所述优化目标为体积最小；所述优化约束条件为应力小于复合材料强度；所述几何限制条件为复合材料周边位置。
26.本发明第三方面提出一种仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构的制造方法，包括以下步骤：
27.1)铺覆复合材料面板的下面板预浸料，每铺覆四层进行一次预压实，预浸料铺覆完成后，放入热压罐中固化，得到下面板预制体；将所得到的下面板预制体进行打磨毛刺的操作；
28.2)根据所述设计方法得到的数据制作中间芯层，包括：首先，铺覆复合材料格栅结构预浸料，每铺覆八层进行一次预压实，预浸料铺覆完成后，放入压机中加压固化，得到复合材料格栅结构；其次，采用机加操作机加出所述泡沫填充物的几何外形；再次，将金属预
埋块与复合材料格栅结构、复合材料面板粘接的面包覆一层胶膜和一层碳布预浸料，并将其放置在复合材料格栅结构对应位置；最后，将泡沫填充物与复合材料格栅结构、复合材料面板粘接的面包覆一层胶膜和一层碳布预浸料，并将其放置在复合材料格栅结构对应位置；
29.3)将所述中心芯层表面包覆一层胶膜，放置在所述下面板预制体上；在所述中间芯层表面铺覆上面板预浸料，每铺覆四层进行一次预压实；
30.4)经过步骤3)预浸料铺覆完成后，放入热压罐中固化，得到仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构。
31.本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
32.本发明提供一种新型的集耐高温轻质承载于一体的仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构，该仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构的复合材料面板主要用来承担面内载荷，中间芯层通过复合材料格栅结构的方式达到整体增强的目的，主要负责承担弯曲、扭转、压缩、剪切载荷，为主要承载部位。与复合材料格栅和面板紧密粘接的泡沫填充物主要负责维形、承载弯曲载荷。根据夹芯结构特点可以得知，将较厚的低密度多孔泡沫芯体插入两层高强度面板之间，可以在对整个结构重量影响不大的情况下明显增加整体结构的抗弯曲性能。中间芯层通过预埋金属件的方式达到局部增强的目的，进而给其他结构件的连接组装提供硬质基材。其中金属预埋块选用钛合金，其热膨胀系数与复合材料相差较小，成型过程不易因为热膨胀不匹配导致脱粘问题。
33.本发明在设计结构时，通过几何拓扑优化计算方法，获得满足指定承载要求的体积最小的复合材料格栅结构，该复合材料格栅结构同时满足重量最轻和优质承载性能。通过将碳纤维复合材料面板、复合材料格栅结构、耐高温轻质维形泡沫、金属预埋块以一定的方式结合起来，通过共胶接的形式形成新的复合结构，高强纤维复合材料面板、耐高温轻质维形泡沫、整体增强复合材料格栅结构、局部增强金属预埋块四者之间通过耐高温结构胶膜进行连接，提高强纤维复合材料面板、复合材料格栅结构、耐高温轻质维形泡沫与局部增强金属预埋块之间的变形协调能力，形成集轻质、耐高温、结构承载于一体的新型仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构。相比于传统复合材料泡沫夹芯结构，此种结构具有同时具备轻质、耐高温、结构承载等性能的突出优势。此外，相比于传统复合材料泡沫夹芯结构成型技术，此种与该新型仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构相匹配的共胶接分步热压罐成型工艺，解决了传统复合材料泡沫夹芯结构的下面板质量疏松、不同材质界面易脱粘、泡沫易出现塌陷等问题，同时也保证了上面板的成型质量。
附图说明
34.本发明附图仅仅为说明目的提供，图中各部件的比例不一定与实际产品一致。
35.图1是实施例中的仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构的示意图。
36.图2为实施例中的仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构的剖面图。
37.图中：1：下面板；2：复合材料格栅结构；3、连续纤维增强树脂基复合材料界面增强层；4：金属预埋块；5：上面板。
38.图3为实施例中的仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构的设计方法流程图。
39.图4是实施例中的中间芯层的优化过程示意图。
40.图5为实施例中的仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构的制造方法流程图。
具体实施方式
41.为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
42.本实施例公开一种新型的仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构，其结构如图1和图2所示，包括复合材料面板、中间芯层。其中，复合材料面板较薄，主要用来承担面内载荷，由上面板2和下面板1组成。中间芯层包含复合材料格栅结构2、泡沫填充物、金属预埋块4。与面板紧密粘接的复合材料格栅结构2主要承担弯曲、扭转、压缩、剪切载荷，为主要承载部位；与复合材料格栅2和面板紧密粘接的泡沫填充物主要负责维形、承载弯曲载荷。中间芯层通过预埋金属块4的方式达到局部增强的目的，进而给其他结构件的连接组装提供硬质基材。泡沫芯材和复合材料面板采用胶膜胶接的方式进行连接，泡沫芯材与金属预埋块采用胶膜胶接和预浸料局部补强的方式进行粘接(见图2中连续纤维增强树脂基复合材料界面增强层)，使得粘接更加牢固。
43.在材料选择上，金属预埋块优选用钛合金。复合材料的纤维体系优选用高强高强中模级碳纤维，包括t700、t800、t1100等，或者选用高强高模级碳纤维，包括m40j、m55j等。复合材料的树脂体系优选用双马树脂、氰基树脂、聚酰亚胺等。泡沫芯材优选用耐高温泡沫，包括耐高温聚甲基丙烯酰亚胺泡沫、聚酰亚胺泡沫等。结构胶模优选用耐高温胶膜，如j-188、j-242、j-271、j-385、j-415等。
44.本实施例还公开一种仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构的设计方法，其流程图如图3所示，包含以下步骤：
45.步骤s101：建立中间芯层构件模型，对所述模型进行计算，检验模型设置是否正确；建立中间芯层构件模型，所述中间芯层构件包括复合材料区域和金属预埋块区域及其几何信息；所述中间芯层构件模型采用实际构件的四分之一模型。具体过程包括以下：在abaqus有限元软件中，对中间芯层构件模型进行网格划分，所述网格采用壳单元s4r线性缩减积分单元。建立复合材料卡片，所述复合材料卡片包含复合材料力学性能参数(弹性模型、泊松比)，并将所述复合材料卡片赋予复合材料；所述复合材料为碳纤维增强树脂基复合材料。建立金属材料卡片，所述金属材料卡片包含复合材料力学性能参数(弹性模型、泊松比)，并将所述金属材料卡片赋予金属预埋块；所述金属材料为钛合金。建立连接，所述连接为复合材料区域与金属预埋块区域的绑定连接。建立中间芯层构件模型的约束边界条件和力学载荷条件，所述约束边界条件包含约束位置、约束方向，所述力学载荷条件包含加载位置、加载力；所述力学载荷条件为中间芯层构件所需满足的设计承载要求。建立计算方法，所述计算方法为求解器设定；对中间芯层构件模型进行计算，检验模型设置是否正确。
46.步骤s102：建立拓扑优化任务，设定拓扑优化算法；所述拓扑优化算法为一般优化算法(基于灵敏度)。建立拓扑优化响应参数，所述拓扑优化响应参数包括目标参数和约束函数。建立拓扑优化目标，选择所述目标参数为优化目标；所述优化目标为体积最小。建立拓扑优化约束条件，选择所述约束函数为优化约束条件；所述约束条件为应力小于复合材料强度。建立拓扑优化几何限制条件，所述几何限制条件包括冻结区域、脱模方向等所述几何限制条件为复合材料周边位置。验证拓扑优化模型，检验所述拓扑优化模型是否建立正
确；进行中间芯层构件模型的拓扑优化计算；通过拓扑优化计算，得到优化后的复合材料格栅结构，所述复合材料格栅结构体积最小，且在所述载荷条件下能满足承载要求；并同时得到泡沫填充物和金属预埋块的结构和材料信息。优化过程如图4所示，由初始几何形状经过拓扑优化，得到最终的几何形状。
47.步骤s103：建立中间芯层，所述中间芯层包括步骤s102获得的复合材料格栅结构、泡沫填充物、金属预埋块，所述泡沫填充物几何形状为复合材料格栅结构中空位置几何形状。
48.本实施例还公开一种新型的仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构的制造方法，其流程图如图5所示，包括以下步骤：
49.1)制作步骤s102所述优化后的复合材料格栅结构，铺覆复合材料格栅结构预浸料，每铺覆8层进行一次预压实，预浸料铺覆完成后，放入压机中加压固化，得到复合材料格栅结构。所述复合材料选用t800碳纤维增强双马树脂基复合材料。
50.2)复合材料下面板成型，在模具上按照一定的铺层比例铺覆复合材料下面板预浸料，每铺覆4层进行一次预压实，直至所有预浸料铺覆完成。所述复合材料选用t800碳纤维增强双马树脂基复合材料。
51.3)将铺覆完成的下面板预浸料放入热压罐中固化，得到下面板预制体；
52.4)将所得到的下面板预制体进行脱模、打磨毛刺；
53.5)铺放步骤1所述复合材料格栅结构。
54.6)制作步骤s103所述泡沫填充物，采用机加操作机加出所述泡沫填充物的几何外形；将金属预埋块与复合材料格栅结构、复合材料面板粘接的面包覆一层胶膜和一层碳布预浸料，并将其放置在复合材料格栅结构对应位置；将泡沫填充物与复合材料格栅结构、复合材料面板粘接的面包覆一层胶膜和一层碳布预浸料，并将其放置在复合材料格栅结构对应位置。所述泡沫填充物选用耐高温聚甲基丙烯酰亚胺泡沫；所述金属预埋块选用钛合金。
55.7)在未放置中间芯材的其他下面板预制体表面，铺放一层胶膜；所述胶膜选用耐高温结构胶膜j-188。
56.8)在步骤7所述胶膜表面铺覆上面板预浸料，每铺覆4层进行一次预压实，直至预浸料铺覆完成；
57.9)将铺覆完成的下面板预制体、中间芯材、上面板预浸料放入热压罐中固化，得到仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构。
58.经测试，本实施例设计和制备的仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构，其弯曲刚度为1.17
×
104n
·
m2；在保证刚度的前提下，整个结构的重量由4.98kg降低为2.07kg，重量下降了58.4％。
59.虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的适当修改或者等同替换，均应涵盖于本发明的保护范围内，本发明的保护范围以权利要求所限定者为准。

技术特征：
1.一种仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构，其特征在于，包括复合材料面板和中间芯层，该复合材料面板包括上面板和下面板；该中间芯层包括复合材料格栅结构、泡沫填充物和金属预埋块；该泡沫填充物填充于该复合材料格栅结构的格栅之间，该金属预埋块填充于该复合材料格栅结构的中心位置，该复合材料格栅结构、泡沫填充物和金属预埋块之间采用胶膜胶接和预浸料局部补强的方式进行粘接；该中间芯层位于该复合材料面板的上面板和下面板之间，并与上面板和下面板之间采用胶膜胶接的方式进行连接。2.如权利要求1所述的仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构，其特征在于，所述复合材料面板和复合材料格栅结构均选用碳纤维增强树脂基复合材料，其中碳纤维选用高强中模级碳纤维或者高强高模级碳纤维，树脂体系选用双马树脂、氰基树脂或聚酰亚胺。3.如权利要求1所述的仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构，其特征在于，所述泡沫填充物选用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或聚酰亚胺泡沫；所述金属预埋块选用钛合金；所述胶模选用j-188、j-242、j-271、j-385、j-415中的一种。4.一种权利要求1～3任一项所述的仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立中间芯层构件模型，该模型包括复合材料区域和金属预埋块区域及其几何信息；2)在有限元软件中，对所述中间芯层构件模型进行网格划分；3)针对所述中间芯层构件模型，建立复合材料卡片，该复合材料卡片包含复合材料力学性能参数，并将该复合材料卡片赋予复合材料；以及建立金属材料卡片，该金属材料卡片包含复合材料力学性能参数，并将该金属材料卡片赋予金属预埋块；并建立所述复合材料区域与所述金属预埋块区域的绑定连接；4)建立所述中间芯层构件模型的约束边界条件和力学载荷条件，该约束边界条件包含约束位置和约束方向，该力学载荷条件包含加载位置和加载力；5)建立计算方法，对所述中间芯层构件模型进行计算，检验该中间芯层构件模型设置是否正确；6)建立拓扑优化任务模型，设定拓扑优化算法；建立拓扑优化响应参数，该参数包括目标参数和约束函数；建立拓扑优化目标，选择所述目标参数为优化目标；建立拓扑优化约束条件，选择所述约束函数为优化约束条件；建立拓扑优化几何限制条件，该几何限制条件包括冻结区域和脱模方向；检验所述拓扑优化任务模型是否建立正确；7)基于所述拓扑优化任务模型，进行所述中间芯层构件模型的拓扑优化计算；通过该拓扑优化计算，得到优化后的复合材料格栅结构，优化后的复合材料格栅结构体积最小，且在所述力学载荷条件下能满足承载要求；并得到泡沫填充物和金属预埋块的结构和材料信息；8)根据步骤7)得到的复合材料格栅结构、泡沫填充物和金属预埋块建立中间芯层，该泡沫填充物的几何形状为该复合材料格栅结构中空位置几何形状。5.如权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述中间芯层构件模型采用实际中间芯层构件的四分之一模型。6.如权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述有限元软件为abaqus软件；所述网格采用壳单元网格，所述壳单元为s4r线性缩减积分单元。
7.如权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述力学性能参数包括弹性模型和泊松比。8.如权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述计算方法为求解器设定。9.如权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述拓扑优化算法为基于灵敏度的一般优化算法；所述优化目标为体积最小；所述优化约束条件为应力小于复合材料强度；所述几何限制条件为复合材料周边位置。10.一种权利要求1～3任一项所述的仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)铺覆复合材料面板的下面板预浸料，每铺覆四层进行一次预压实，预浸料铺覆完成后，放入热压罐中固化，得到下面板预制体；将该下面板预制体进行打磨毛刺的操作；2)根据所述权利要求4～9任一项所述的设计方法得到的数据制作中间芯层，包括：首先，铺覆复合材料格栅结构预浸料，每铺覆八层进行一次预压实，预浸料铺覆完成后，放入压机中加压固化，得到复合材料格栅结构；其次，采用机加操作机加出所述泡沫填充物的几何外形；再次，将金属预埋块与复合材料格栅结构、复合材料面板粘接的面包覆一层胶膜和一层碳布预浸料，并将其放置在复合材料格栅结构对应位置；最后，将泡沫填充物与复合材料格栅结构、复合材料面板粘接的面包覆一层胶膜和一层碳布预浸料，并将其放置在复合材料格栅结构对应位置；3)将所述中心芯层表面包覆一层胶膜，放置在所述下面板预制体上；在所述中间芯层表面铺覆上面板预浸料，每铺覆四层进行一次预压实；4)经过步骤3)预浸料铺覆完成后，放入热压罐中固化，得到仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构。

技术总结
本发明公开一种仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构及其设计、制造方法，涉及复合材料应用与制造技术领域。该仿生格栅增强泡沫夹芯复合材料结构，包括复合材料面板和中间芯层，该复合材料面板包括上面板和下面板；该中间芯层包括复合材料格栅结构、泡沫填充物和金属预埋块。本发明通过几何拓扑优化计算方法，获得满足指定承载要求的体积最小的复合材料格栅结构，该复合材料格栅结构同时满足重量最轻和优质承载性能。优质承载性能。优质承载性能。


技术研发人员：罗玲 张涛 田智立 刘雷波 李卓达
受保护的技术使用者：航天特种材料及工艺技术研究所
技术研发日：2023.01.04
技术公布日：2023/7/13