复合材料井字梁及其成型工装、成型方法
技术领域
本发明涉及运载火箭承力结构件的技术领域，具体的涉及一种复合材料井字梁及其成型工装、成型方法。
背景技术
在航天领域，井字梁结构作为一种承力结构件，通常作为运载火箭舱段的内部承力平台，用于安装运载火箭的有效载荷、发动机、控制平台等零部件。使用时，井字梁结构将圆柱形的舱段划分为九个部分，并且井字梁结构的八只支撑腿分别与舱体相连，可以最大尺寸包络舱段直径。
目前，大部分的运载火箭使用的井字梁是采用金属的材质焊接而成的，例如：钢、铝或钛合金等，优点是成型过程快速，其缺点是整体的重量比较重，并且制造时，焊接质量的控制难度大。
井字梁在制造的过程中，对于这种形状复杂的异形结构，通常采用对接或者插接工艺，交叉接头的位置均需要再次做结构连接及补强，成型工艺复杂，导致井字梁的零件较多，并且可靠性低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合材料井字梁，以解决现有技术中存在的，井字梁采用金属的材质焊接而成，导致整体的重量比较重，质量差的技术问题。
本发明还提供一种复合材料井字梁的成型工装，以解决现有技术中存在的，井字梁采用对接或者插接方式固定，导致产品的可靠性低的技术问题。
本发明还提供一种复合材料井字梁的成型方法，以解决现有技术中存在的，井字梁采用对接或者插接工艺，产品成型工艺复杂的技术问题。
本发明提供的一种复合材料井字梁，复合材料井字梁是采用碳纤维复合材料制作的，复合材料井字梁为一体成型的结构。
本发明还提供一种复合材料井字梁的成型工装，包括芯模组件、底板和盖板；
芯模组件用于限定待成型复合材料井字梁内腔的型模；底板连接芯模组件的底部，盖板连接芯模组件的顶部；
芯模组件包括第一插接套件、第二插接套件、第三插接套件和第四插接套件，第一插接套件的内侧端与第二插接套件的内侧端垂直连接，第二插接套件的内侧端与第三插接套件的内侧端垂直连接，第三插接套件的内侧端与第四插接套件的内侧端垂直连接，第四插接套件的内侧端与第一插接套件的内侧端垂直连接，第一插接套件、第二插接套件、第三插接套件、第四插接套件连接成复合材料井字梁的型模；
第一插接套件、第二插接套件、第三插接套件、第四插接套件的结构相同。
进一步的，第一插接套件包括第一插接块和第二插接块；
第一插接块的长度小于第二插接块的长度；
第一插接块沿其长度方向连接第一芯轴杆；
第二插接块沿其长度方向的一端连接第二芯轴杆，另一端设有第一连接孔，第一连接孔用于与第三插接套件连接；
第二插接块沿其宽度方向设有第二连接孔，第二连接孔用于与第二插接套件连接。
进一步的，第一插接块和第二插接块之间设有隔离挡块；
第一插接块的外侧端连接第一芯轴固定块，第二插接块的外侧端连接第二芯轴固定块；
井字梁型模的中心位置连接芯块。
进一步的，相邻插接套件之间连接角块。
进一步的，第一插接块的截面形状为矩形、方形、梯形中的任意一种；
第二插接块的截面形状为矩形、方形、梯形中的任意一种。
进一步的，底板包括板体，板体的内端面设限位槽，芯模组件的底端容纳在限位槽内。
进一步的，板体的侧面连接第一吊环，第一吊环的数量为多个。
进一步的，盖板包括盖体，盖体的顶面连接第二吊环，第二吊环的数量为多个。
本发明还提供一种复合材料井字梁的成型方法，包括如下步骤：
a.芯模组装
将第一插接套件、第二插接套件、第三插接套件和第四插接套件依次连接固定，形成复合材料井字梁的型模；复合材料井字梁的型模成型后，通过定位件连接固定；
b.预浸料铺层
先在上述的复合材料井字梁型模的表面刷涂脱模剂，根据铺层的结构设计，依次按照(0°/90°/+45°/-45°)n的顺序在复合材料井字梁型模的表面铺放碳纤维预浸料，其中0°方向为复合材料井字梁的每一条边的长度轴向方向，铺层过程中，预浸料对接时，保证拐角位置的连续纤维的连续性，错开上下层的对接缝位置；
c.产品装模
预浸料铺层完毕后，将上述芯模组件固定在板体上，并在限位槽处进行定位；每个插接套件的第一插接块和第二插接块之间的空隙处均装入隔离挡块，在四个插接套件的中心位置装入芯块，相邻插接套件之间装入角块；将盖体盖设在芯模组件的顶部，每个第一插接块的外侧端均连接第一芯轴固定块，每个第二插接块的外侧端均连接第二芯轴固定块，板体、芯模组件、盖体之间采用固定件固定；
d.产品固化
将上述固定后的产品放入烘箱内，进行升温固化；
温度采用如下方式控制：将模具在室温状态下逐渐升温至120℃，保温1h，再继续升温，使模具的温度升至180℃，保温1h，然后继续升温，使模具的温度升至200℃，保温2h，最后使模具的温度降温至60℃，在此过程中，产品的升温速率在1℃/min～2℃/min之间，降温速率≤2℃/min；
e.产品脱模
上述产品固化结束后，将成型工装从烘箱内取出，依次拆卸盖体、角块、隔离挡块、芯块、插接套件，形成复合材料井字梁的成品。
相对于现有技术，本发明的复合材料井字梁具有以下优势：
复合材料井字梁采用碳纤维复合材料制作，并且为一体成型的结构，替代现有技术中的金属焊接井字梁，本发明的井字梁具有强度高、刚度高、可设计性好、耐疲劳、耐腐蚀和阻尼抗震性好等特点，整体重量轻，成型质量好。
相对于现有技术，本发明的复合材料井字梁的成型工装具有以下优势：
芯模组件用于限定待成型复合材料井字梁内腔的型模，并且采用四个插接套件的连接结构，四个插接套件的内侧端依次垂直连接固定，形成复合材料井字梁的型模，便于井字梁直接在型模上一体成型；四个插接套件的结构相同，以确保井字梁能够呈对称结构，产品成型后，确保产品的可靠性。
相对于现有技术，本发明的复合材料井字梁的成型方法具有以下优势：
依次采用芯模组装、预浸料铺层、产品装模、产品固化、产品脱模工艺步骤，井字梁的成型工艺简单，产品成型质量好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的复合材料井字梁的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的复合材料井字梁的成型工装的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的复合材料井字梁的成型工装的爆炸图；
图4为本发明实施例提供的复合材料井字梁的成型工装去掉盖板的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的四个插接套件连接时的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的四个插接套件的分解状态示意图；
图7为本发明实施例提供的第一插接块的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的第二插接块外侧面的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的第二插接块内侧面的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的底板的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的盖板顶部的结构示意图；
图12为本发明实施例提供的盖板底部的结构示意图；
图13为本发明实施例提供的复合材料井字梁的成型方法流程图。
附图标记说明：
100-芯模组件；200-底板；
300-盖板；400-井字梁；
101-第一插接套件；102-第二插接套件；
103-第三插接套件；104-第四插接套件；
105-第一插接块；106-第二插接块；
107-第一芯轴杆；108-第二芯轴杆；
109-第一连接孔；110-第二连接孔；
111-隔离挡块；112-第一芯轴固定块；
113-第二芯轴固定块；114-芯块；
115-角块；201-板体；
202-限位槽；203-第一吊环；
301-盖体；302-第二吊环。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供的一种复合材料井字梁，复合材料井字梁400是采用碳纤维复合材料制作的，复合材料井字梁400为一体成型的结构。
参见图1，本发明的复合材料井字梁400采用碳纤维复合材料制作，重量降低至原钢制件的四分之一，完全满足轻量化设计的要求，减少了运载火箭的能源消耗，提高了运载有效载荷。
采用一体成型的结构，整体结构稳定，成型质量好。
如图2～12所示，本发明还提供一种复合材料井字梁的成型工装，包括芯模组件100、底板200和盖板300；
芯模组件100用于限定待成型复合材料井字梁400内腔的型模；底板200连接芯模组件100的底部，盖板300连接芯模组件100的顶部；
芯模组件100包括第一插接套件101、第二插接套件102、第三插接套件103和第四插接套件104，第一插接套件101的内侧端与第二插接套件102的内侧端垂直连接，第二插接套件102的内侧端与第三插接套件103的内侧端垂直连接，第三插接套件103的内侧端与第四插接套件104的内侧端垂直连接，第四插接套件104的内侧端与第一插接套件101的内侧端垂直连接，第一插接套件101、第二插接套件102、第三插接套件103、第四插接套件104连接成复合材料井字梁400内腔的型模；
第一插接套件101、第二插接套件102、第三插接套件103、第四插接套件104的结构相同。
在本发明的实施例中，如图5所示，芯模组件100采用四个插接套件垂直固定连接，形成复合材料井字梁400的型模结构，确保井字梁能够在型模上一体成型。如图2、图3所示，芯模组件100的上端连接盖板300，下端连接底板200，盖板300、芯模组件100、底板200之间采用多个螺栓、螺母、垫片固定，使用时，能够确保井字梁一体成型，产品成型质量好，产品无需再增加连接接头，实现了“井”字异形、中空特殊结构复合材料产品的一体成型制造。
进一步的，第一插接套件101包括第一插接块105和第二插接块106；
第一插接块105的长度小于第二插接块106的长度；
第一插接块105沿其长度方向连接第一芯轴杆107；
第二插接块106沿其长度方向的一端连接第二芯轴杆108，另一端设有第一连接孔109，第一连接孔109用于与第三插接套件103连接；
第二插接块106沿其宽度方向设有第二连接孔110，第二连接孔110用于与第二插接套件102连接。
在本发明的实施例中，如图5、图6所示，两个插接块均为长方体状，并且采用铝或者硅橡胶等热膨胀系数较大的材料制作。
第一插接块105设置在第二插接块106的左侧，并且第一插接块105的长度小于第二插接块106的长度，以使第一插接块105的长度加上第二插接块106的厚度，与第二插接块106的长度相同，使四个插接套件组装后，八个支撑腿的长度相同，从而确保井字梁的八个支撑腿的长度相同。
如图6、图7所示，第一插接块105沿其长度方向的中心位置连接第一芯轴杆107，以利用第一芯轴杆107对第一插接块105的连接位置进行固定。
如图6、图8、图9所示，第二插接块106沿其长度方向的中心位置左端连接第二芯轴杆108，以利用第二芯轴杆108对第二插接块106的外侧端位置进行固定。第二插接块106沿其长度方向的中心位置右端设置第一连接孔109，第一连接孔109为盲孔，以使与其对应的第三插接套件103的第一插接块105的第一芯轴杆107的内侧端能够连接在第一连接孔109内。
如图6、图8、图9所示，第二插接块106沿其宽度方向设置第二连接孔110，第二连接孔110为通孔，以使与其相邻的第二插接套件102的第一插接块105的第一芯轴杆107的内侧端能够穿过第二连接孔110，然后锁定在与其相邻的第四插接套件104的第二插接块106的第一连接孔109内锁定。
如图5所示，整个芯模组件100采用四个第一插接块105、四个第二插接块106拼接固定，形成井字梁400的型模结构。
进一步的，第一插接块105和第二插接块106之间设有隔离挡块111；
第一插接块105的外侧端连接第一芯轴固定块112，第二插接块106的外侧端连接第二芯轴固定块113；
井字梁型模的中心位置连接芯块114。
如图4所示，第一插接块105与第二插接块106之间形成方形槽，隔离挡块111为方形块，隔离挡块111卡接在方形槽内，并采用螺栓固定在底板200上，以对井字梁的型模侧面位置进行限定。
如图4所示，两个芯轴固定块均采用竖直设置的方形块，在每个芯轴固定块的中间位置均设置通孔，以使第一插接块105上的第一芯轴杆107外侧端能够插接固定第一芯轴固定块112，第二插接块106上的第二芯轴杆108外侧端能够插接固定在第二芯轴固定块113上，利用两个芯轴固定块对两个插接块的外侧端位置进行锁定。
如图4所示，井字梁型模的中心位置形成方形空腔，在方形空腔内采用四个螺栓连接方形的芯块114，以对井字梁的型模中间位置进行限定。
进一步的，相邻插接套件之间连接角块115。
如图4所示，相邻插接套件之间为垂直直角的结构，在此直角的位置采用螺栓连接角块115，利用角块115对相邻插接套件的连接位置进行限定。
隔离挡块111、芯块114、角块115、芯轴固定块、底板200、盖板300组合成井字梁型模，模具内腔即为井字梁产品外形，型模采用热膨胀系数较小的金属钢模，以保证产品的外形尺寸的精度。
进一步的，第一插接块105的截面形状为矩形、方形、梯形中的任意一种；
第二插接块106的截面形状为矩形、方形、梯形中的任意一种。
在本实施例中，第一插接块105的截面形状、第二插接块106的截面形状均采用方形，以适应井字梁的结构设计。在其他的实施例中，可以根据具体的要求将两个插接块的截面设置为矩形、梯形等。
进一步的，底板200包括板体201，板体201的内端面设限位槽202，芯模组件100的底端容纳在限位槽202内。
如图10所示，板体201为与井字梁的结构相适应的八边形，在板体201的上端面设置限位槽202，限位槽202的形状与井字梁的形状相适应，用于对芯模组件100的底端进行定位。在板体201上设置多个螺纹孔，以便利用多个螺栓将芯模组件100固定在板体201上。
进一步的，板体201的侧面连接第一吊环203，第一吊环203的数量为多个。
如图10所示，在板体201的侧面均布连接四个第一吊环203，四个第一吊环203用于模具转运时从底板200的侧面位置进行吊装及脱模。
进一步的，盖板300包括盖体301，盖体301的顶面连接第二吊环302，第二吊环302的数量为多个。
在本实施例中，在盖体301的下端面设置井字梁限位槽，以使芯模组件100的顶端容纳在井字梁限位槽内，对芯模组件100的顶端位置进行限定。在盖体301上设置多个螺纹孔，以便利用多个螺栓将芯模组件100固定在盖体301上。
如图11、图12所示，在盖体301的上端面均布连接四个第二吊环302，四个第二吊环302用于模具转运时从盖板300处进行吊装及脱模。
如图13所示，本发明还提供一种复合材料井字梁的成型方法，包括如下步骤：
a.芯模组装
将第一插接套件101、第二插接套件102、第三插接套件103和第四插接套件104依次连接固定，即：四个第一插接块105、四个第二插接块106拼接固定，使每条边为一长一短套件，形成复合材料井字梁400的型模；复合材料井字梁400的型模组装时，通过定位件，即：定位销连接固定；
b.预浸料铺层
先在上述的复合材料井字梁400型模的表面刷涂脱模剂，根据铺层的结构设计，依次按照(0°/90°/+45°/-45°)n的顺序在复合材料井字梁400型模的表面铺放碳纤维预浸料，其中0°方向为复合材料井字梁400的每一条边的长度轴向方向，铺层过程中，预浸料对接时，保证拐角位置的连续纤维的连续性，错开上下层的对接缝位置；
c.产品装模
预浸料铺层完毕后，将上述芯模组件100固定在板体201上，并在限位槽202处进行定位；每个插接套件的第一插接块105和第二插接块106之间的空隙处均装入隔离挡块111，在四个插接套件的中心位置装入芯块114，相邻插接套件之间装入角块115；将盖体301盖设在芯模组件100的顶部，每个第一插接块105的外侧端均连接第一芯轴固定块112，每个第二插接块106的外侧端均连接第二芯轴固定块113，板体201、芯模组件100、盖体301之间采用固定件，即：螺栓固定；
d.产品固化
将上述固定后的产品放入烘箱内，进行升温固化；
温度采用如下方式控制：将模具在室温状态下逐渐升温至120℃，保温1h，再继续升温，使模具的温度升至180℃，保温1h，然后继续升温，使模具的温度升至200℃，保温2h，最后使模具的温度降温至60℃，在此过程中，升温速率在1℃/min～2℃/min之间，降温速率≤2℃/min；
e.产品脱模
上述产品固化结束后，将成型工装从烘箱内取出，依次拆卸盖体301、角块115、隔离挡块111、芯块114、插接套件，形成复合材料井字梁400的成品。
在其他实施例中，井字梁产品还可以采用变厚度设计，具体为：在铺层时，对应调整铺层的数量，使局部增加或者减少层数，再对内腔芯模和外型腔尺寸对应调整即可。
本发明的上述方法，碳纤维复合材料井字梁的产品重量降低至原钢制件的四分之一，完全满足轻量化设计的要求，减少了运载火箭的能源消耗，提高了运载有效载荷。
解决了现有技术中，井字梁一体成型铺叠、加压固化和脱模的难题，本发明的产品在制造的过程中，无需再增加连接接头，实现了“井”字异形、中空特殊结构复合材料产品的一体成型制造。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
