[發明專利]一種防熱-隔熱-承載組合式一體化預制體結構及數字化成形工藝

在審

• 申請號: 201910816383.2
• 申請日: 2019-08-30
• 公開（公告）號: CN110614778A
• 公開（公告）日: 2019-12-27
• 發明（設計）人: 單忠德;孫正;吳曉川;張群;劉云志;戰麗
• 申請（專利權）人: 北京機科國創輕量化科學研究院有限公司;機械科學研究總院集團有限公司
• 主分類號: B29C70/22
• 分類號: B29C70/22;B29C70/40;B29C70/56;B32B9/00;B32B9/04;B32B27/02;B32B27/12;B32B27/34;B32B5/06;B32B33/00
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本發明公開了一種防熱?隔熱?承載組合式一體化預制體結構及數字化成形工藝。該結構包括防熱層、隔熱層以及承載層，層間通過組合式導向套連接。該數字化成形工藝將預制體三維模型采用切片軟件沿垂直方向進行分層，提取分層后每一層截面輪廓信息，并對復合材料構件進行有限元分析，確定熱量傳遞與纖維體積分數的關系，計算每一層的層密度，根據每一層層密度規劃單層纖維束走向，并確定纖維束鋪放路徑參數，根據提取的截面輪廓信息以及優化后的纖維束鋪放路徑、定位板孔徑參數以及導向套尺寸參數，加工出符合使用要求的定位板，在定位底板上依次布置組合式導向套，依次進行織造，最后經致密化成型制備防熱?隔熱?承載組合式一體化復合材料。

技術領域

本發明涉及復合材料領域，具體涉及一種防熱-隔熱-承載組合式一體化預制體結構及數字化成形工藝，用于復合材料防熱-隔熱-承載一體化熱防護領域。

背景技術

連續纖維增強復合材料具有高比強度、高比剛度、優異的熱穩定性以及可設計性強等特點，廣泛應用于航空航天、交通運輸等領域。其中纖維增強碳基和陶瓷基復合材料由于具有耐高溫、抗沖擊等優點，成為航空領域高溫結構件的首選材料，比如各種類型飛行器的熱防護系統。

隨著航空航天、交通運輸等領域對輕量化要求的不斷提升，以及正朝著多功能一體化的方向發展，未來飛行器熱防護系統正朝著防熱-隔熱-承載多功能一體化的方向發展，那么就對預制體成形工藝提出了更高的要求。目前，受限于制備工藝以及預制體自身的結構特征，導致具有多層結構的預制體難以整體成形，同時浸漬后的復合材料構件抗分層能力差，成為熱防護系統復合材料構件一體化成形的瓶頸。

針對具有多層結構預制體一體化成形難的問題，因此一種防熱-隔熱-承載多層預制體一體化整體成形成為亟需解決的問題。

發明內容

本發明為解決上述問題，實現熱防護領域典型構件防熱-隔熱-承載一體化，進一步提升熱防護系統的性能，降低復合材料構件的重量，提出一種防熱-隔熱-承載組合式一體化預制體結構及數字化成形工藝。

本發明采用如下的技術方案：

一種防熱-隔熱-承載組合式一體化預制體結構及數字化成形工藝，一體化預制體結構包括防熱層（1）、隔熱層（2）、承載層（3）以及連接防熱層（1）、隔熱層（2）、承載層（3）的組合式導向套（4），一體化預制體的數字化成形工藝步驟包括：

S1：根據預制體三維模型采用通用切片軟件沿垂直方向進行分層，提取防熱層（1）、隔熱層（2）以及承載層（3）分層后每一層截面輪廓信息，同時對復合材料構件進行有限元分析，確定不同方向熱量傳遞與該方向纖維體積分數的關系，再根據熱量傳遞與各方向纖維體積分數關系模型確定每一層的層密度，根據計算出的層密度規劃每一層纖維束的走向，并定義纖維束鋪放路徑、定義定位板孔徑參數以及定義導向套尺寸參數；

S2：根據步驟S1提取的截面輪廓信息以及優化后的纖維束鋪放路徑、定位板孔徑參數以及導向套尺寸參數，加工出符合使用要求的定位板；

S3：依據預制體的三維模型和S1提取的截面輪廓信息，在定位底板上布置防熱層（1）的組合式導向套（4），形成防熱層（1）的導向陣列，防熱層（1）的導向套（4）表層沿軸向布置坎合槽，組合導向套上坎合槽的數量相同或不同，坎合槽寬度相同或不同，坎合槽形狀相同或不同；

S4：以所述組合式導向套（4）組成的導向陣列為支撐，根據步驟S1優化后的纖維束路徑將纖維束沿導向套（4）編織，并固定在導向套（4）表面的坎合槽中，通過張緊力傳感器（9）和張力調控裝置（5）對不同路徑上的纖維束進行張緊力實時調控，使每一段纖維束都處于不同張緊狀態，完成防熱層（1）預制體的織造；