一种锥柱一体化复合材料壳体的分区控压成型工装及方法

本发明涉及复合材料壳体成型，特别是涉及一种锥柱一体化复合材料壳体的分区控压成型工装及方法。

背景技术：

1、复合材料壳体的制备通常涉及预浸料铺贴、湿法缠绕、干法缠绕、热压罐固化、烘箱固化及模压等工艺。针对圆柱形壳体，现有技术多采用金属芯模或可拆卸芯模控制内型面，并通过整铺、局部铺贴、预固化及机械加工来调控壳体厚度与端部结构；对于内型面复杂的壳体，则可选用金属组合芯模、橡胶柔性芯模、硅橡胶辅助衬模或气囊芯模进行铺层与固化，以适应狭小内腔空间的操作需求，并改善复杂型面的脱模便利性。

2、在锥柱一体化复合材料壳体中，结构通常包含锥段、柱段及二者间的锥柱过渡段。锥段与柱段在曲率、半径及纤维缠绕角度上差异显著，过渡段不仅是几何突变区域，更是载荷传递与损伤萌生的关键部位。实际成型时，常需增设环向补强层、螺旋补强层或局部铺层，以提升爆破承载能力、抗冲击性能及尺寸稳定性。

3、目前，锥柱壳体的常规做法多采用整体芯模进行连续缠绕或分区铺层，随后通过真空袋、热压罐或烘箱完成整体固化。该方法虽可满足一般要求，但在过渡段半径变化剧烈、铺层角度调整较大或局部补强层数较多时，仍存在以下突出问题：

4、1.局部加压受限：刚性整体芯模仅能提供整体支撑，普通单腔气囊亦只能均匀膨胀，无法对曲率变化剧烈的过渡段实施分区独立可控加压，导致预浸料易产生架桥、褶皱、富胶及孔隙等缺陷。

5、2.工装配合缺失：现有分区铺层方法多侧重于铺层角度与厚度分布的设计，缺乏与局部预压实及外型面限形相配套的专用工装，致使过渡段尺寸精度与层间质量稳定性难以保证。

6、3.型面控制失衡：仅靠外部真空袋施压时，受架桥效应影响，内型面难以与芯模完全贴合；仅靠内部气囊内压成型，则因固化过程缺乏外型面刚性约束校形，易产生壳体外鼓、轮廓超差等尺寸偏差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种锥柱一体化复合材料壳体的分区控压成型工装及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够提高锥柱过渡段铺层贴合质量，减少架桥、褶皱、富胶和孔隙，能够有效降低固化升温过程中过渡段铺层滑移、回弹再起褶皱的风险，并能够提高壳体尺寸精度。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种锥柱一体化复合材料壳体的分区控压成型工装，包括组合芯模、外部分瓣式刚性校形模和局部真空预压组件；

4、所述组合芯模包括依次连接的锥段刚性芯模、过渡段柔性可胀芯模和柱段刚性芯模，所述过渡段柔性可胀芯模包括刚性骨架和包覆于所述刚性骨架外侧的柔性弹性体，所述柔性弹性体内侧沿轴向方向依次设有多个独立的环形气囊，各所述环形气囊分别外接有压力控制装置；

5、所述外部分瓣式刚性校形模包括依次连接的锥段校形外模、过渡段环形校形外模和柱段校形外模，所述锥段校形外模与所述锥段刚性芯模相配合用于对壳体的锥段进行内外型面控制，所述过渡段环形校形外模与所述过渡段柔性可胀芯模相配合用于对壳体的锥柱过渡段进行内外型面控制，所述柱段校形外模与所述柱段刚性芯模相配合用于对壳体的柱段进行内外型面控制；

6、所述局部真空预压组件包括局部真空袋、导气毡和有孔隔离膜，所述有孔隔离膜、所述导气毡和所述局部真空袋用于在锥柱过渡段铺设补强层时，由内至外依次设置在锥柱过渡段外侧对铺设的补强层进行预压实并排气锁形，所述局部真空袋上设有抽真空接口，所述局部真空袋四周设置用来密封的密封胶条。

7、在一实施方式中，所述组合芯模还包括定位芯轴、第一定位部件、第二定位部件，所述第一定位部件设置于所述锥段刚性芯模远离所述过渡段柔性可胀芯模的一端，所述第二定位部件设置于所述柱段刚性芯模远离所述过渡段柔性可胀芯模的一端，所述定位芯轴依次穿过所述第一定位部件、所述锥段刚性芯模、所述过渡段柔性可胀芯模的所述刚性骨架、所述柱段刚性芯模和所述第二定位部件，所述定位芯轴的两端分别螺纹连接有第一锁紧螺母和第二锁紧螺母，所述第一锁紧螺母位于所述第一定位部件背向所述锥段刚性芯模的一侧，所述第二锁紧螺母位于所述第二定位部件背向所述柱段刚性芯模的一侧，通过拧紧所述第一锁紧螺母和所述第二锁紧螺母，能够将所述锥段刚性芯模、所述过渡段柔性可胀芯模和所述柱段刚性芯模压紧于所述第一定位部件与所述第二定位部件之间。

8、在一实施方式中，所述第一锁紧螺母与所述第一定位部件之间设有第一压板，所述第二锁紧螺母与所述第二定位部件之间设有第二压板，所述定位芯轴两端分别穿过所述第一压板和所述第二压板。

9、在一实施方式中，所述锥段刚性芯模与所述过渡段柔性可胀芯模的对接端面以及所述过渡段柔性可胀芯模与所述柱段刚性芯模的对接端面均通过相互匹配的凹凸止口定位结构定位连接，并在对接端面均设置密封垫层。

10、在一实施方式中，所述锥段刚性芯模与所述过渡段柔性可胀芯模的对接处以及所述过渡段柔性可胀芯模与所述柱段刚性芯模的对接处均通过周向限位销进行周向相对固定。

11、在一实施方式中，所述锥段刚性芯模和所述柱段刚性芯模的材质为铝合金、结构钢或碳纤维复合材料。

12、在一实施方式中，所述柔性弹性体的材质为硅橡胶或氟橡胶。

13、在一实施方式中，所述柔性弹性体为内嵌纤维增强层的弹性体。

14、本发明还提供一种锥柱一体化复合材料壳体的分区控压成型方法，基于以上所述的锥柱一体化复合材料壳体的分区控压成型工装，包括以下步骤：

15、在所述锥段刚性芯模、所述过渡段柔性可胀芯模和所述柱段刚性芯模外表面铺设连续内侧基准层，在所述连续内侧基准层的锥柱过渡段铺设补强层，每铺设若干层的所述补强层后，对所述补强层进行内胀外抽式局部预压实；

16、所述内胀外抽式局部预压实包括：在锥柱过渡段外侧依次铺设所述有孔隔离膜、所述导气毡和所述局部真空袋，并用所述密封胶条密封；将所述过渡段柔性可胀芯模内部的所述环形气囊充压，同时对所述局部真空袋抽真空，所述柔性弹性体在所述环形气囊气压作用下向外膨胀对锥柱过渡段内壁施加径向支撑压力，所述局部真空袋在大气压力作用下对所述补强层外侧施加压力，完成局部锁形预压实；

17、待所述补强层达到设计厚度后，在壳体外侧继续铺设或缠绕外层增强层，然后安装所述外部分瓣式刚性校形模，保持所述环形气囊内气压处于设定压力，整体进行固化，然后脱模。

18、在一实施方式中，所述连续内侧基准层由锥段连续延伸至锥柱过渡段和柱段；所述补强层为变刚度补强层，所述变刚度补强层由若干扇形、梯形或弧形补强片错缝搭接形成，其厚度由锥柱过渡段中心向锥段和柱段方向逐渐减小；所述外层增强层采用变角度缠绕或窄带铺放，使纤维角度由锥段角度逐渐过渡到柱段角度。

19、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

20、本发明通过组合芯模、外部分瓣式刚性校形模与局部真空预压组件的协同配合，在铺层阶段实现过渡段层间预压排气，在固化阶段，通过过渡段柔性可胀芯模提供分区可控内胀压力，并在外部分瓣式刚性校形模提供外型面刚性限形约束，使锥柱过渡段在内压支撑与外模限形共同作用下完成压实固化，达成纤维角度平滑过渡与过渡段结构局部抗冲击强化，能够提高锥柱过渡段铺层贴合质量，减少架桥、褶皱、富胶和孔隙，提高壳体尺寸精度，有效降低固化升温过程中铺层滑移、回弹再起褶皱的风险。

21、进一步的，本发明通过扇形、梯形或弧形补强片错缝搭接形成变刚度补强层，使过渡段厚度和刚度连续变化，降低层间剪切应力集中。外层增强层通过变角度连续铺层或变角度缠绕，使锥段和柱段之间的纤维角度逐渐过渡，提高载荷传递连续性，显著提升极限爆破承载能力与抗冲击韧性。