阅读说明：本技术 一种芯层增强织物为连续无切口的多曲面壳体用超薄预成型体结构设计方法 (Method for designing ultrathin preformed body structure for multi-curved-surface shell with continuous non-notch core layer reinforced fabric ) 是由 张国利 张策 陈光伟 史晓平 于 2019-10-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种芯层增强织物为连续无切口的多曲面壳体用超薄预成型体结构设计方法,所述预成型体芯层增强织物由碳纤维/芳纶纬编混杂双轴向织物或芳纶纬编双轴向织物中的一种或两种经多组合铺层而成,所述预成型体的外侧刚性增强层及内侧加固层由八枚缎纹碳纤维缎纹织物铺层而成；所述纬编双轴向织物具有极好的成型性和保型性,在铺层过程中无须裁成小片,整块织物即可形成一个完整的多曲面预成型体或高变形、类球体结构,可实现无切口铺层技术。所述预成型体通过树脂模塑传递技术制备成高刚度、小变形的超薄壳体,在降低整体重量的同时具有良好的抗冲击和耐穿刺性能,可用于高强度、高刚度、超轻飞行员头盔及多曲面复杂结构制件。(The invention relates to a method for designing an ultrathin preformed body structure for a multi-curved-surface shell with a continuous non-notch core layer reinforced fabric, wherein the core layer reinforced fabric of the preformed body is formed by multi-combination layering of one or two of carbon fiber/aramid fiber weft-knitted hybrid biaxial fabrics or aramid fiber weft-knitted biaxial fabrics, and an outer rigid reinforced layer and an inner reinforced layer of the preformed body are formed by layering eight satin carbon fiber satin fabrics; the weft-knitted biaxial fabric has excellent formability and shape retention, and a whole fabric can form a complete multi-curved-surface preform or a high-deformation sphere-like structure without being cut into small pieces in the layering process, so that a non-incision layering technology can be realized. The preformed body is prepared into an ultrathin shell with high rigidity and small deformation by a resin molding transfer technology, has good impact resistance and puncture resistance while reducing the overall weight, and can be used for high-strength, high-rigidity and ultralight pilot helmets and parts with multi-curved-surface complex structures.)

一种芯层增强织物为连续无切口的多曲面壳体用超薄预成型 体结构设计方法

技术领域

本发明涉及多曲面壳体用预成型体的结构，具体涉及一种芯层增强织物为连续无切口的多曲面壳体用超薄预成型体结构设计方法。

背景技术

传统的多曲面壳体主要有：塑胶壳体、铝型材壳体、钣金壳体、不锈钢壳体等。因为这些材料呈现各向同性，所以在壳体的制造过程较为简单。而随着壳体使用功能和应用环境的改变，这些传统的壳体因质量重和强度低等原因，已经不能满足正常需求。

碳纤维复合材料以其轻质、高强、高模等性能著称，是发展国防军工、航天航空、新能源及高科技产业的重要基础材料，因此在近年来得到了迅速发展。并且在多曲率曲面壳体方面的应用也呈现出逐年增长的趋势。而由于多曲率曲面呈现出不平整的表面状态，导致织物很难完全贴合，因此需要将织物裁成小片，进行拼接铺覆。织物的裁剪会产生大量边角废料，不但降低材料利用率，增加成本，还会增加时间成本。另，而拼接铺覆会导致织物的力学强度损伤，不利于材料整体强度的提高。且在壳体成型过程中可能由于成型工艺操作不当，使拼接部位不能完全贴合，造成复合材料壳体的“弱区”，在受力过程中容易产生应力集中现象，一旦此处受到撞击或碰到尖锐的物体，会使材料强度的急剧下降，导致壳体的变形较大，不利于对身体或重要物品的保护。

另，随着复合材料工业的发展以及其应用环境的复杂多变，对预成形体织物的重量、保型性和抗冲击性也有了很高的要求。例如航空飞行员头盔；头盔作为战备执勤、军事训练以及现代战争不可或缺的个体防护装备之一，需要执行人员长时间的携带和佩戴；目前市场上头盔普遍自身较重，其中头盔外壳重约400～520g，增加了头盔佩戴人员的头部负荷，易产生头部疲劳，不能满足其快速响应和完成高机动性等复杂动作的要求；且随着电子科技的进步，还需要赋予头盔更多的电子功能，例如通讯设备、定位以及聚焦等；如果壳体产生变形或受损，会使头盔的功能受到破坏，导致佩戴人员陷入被动的局面，甚至因此付出生命的代价；因此，在降低头盔的重量的同时保证壳体的保型性和抗冲击性尤为重要。但由于头盔壳体很多部位都是多曲率曲面，往往很难一次性成型，需对织物进行裁剪与拼接形成织物预成型体，以克服起拱现象。

因此，为了解决上述现有技术的不足和缺陷，有必要研究一种芯层增强织物为连续无切口的多曲面壳体用超薄预成型体，减少预成型体的内部损伤。在增加织物铺覆性的同时，减轻成型壳体的重量，并提高其保型性和抗冲击性。

发明内容

在制备多曲面壳体复合材料过程中，由于多曲率曲面呈现出不平整的表面状态，使织物很难完全贴合，在铺层过程中要将织物裁成小片，进行拼接铺覆。织物的裁剪产生大量边角废料，造成材料利用率降低，成本增加。另，拼接铺覆不能完全贴合，造成复合材料壳体的“弱区”，会导致壳体力学强度损伤及保型性降低。针对织物铺层过程中，现有技术的不足和缺陷，本发明提供了一种芯层增强织物为连续无切口的多曲面壳体用超薄预成型体结构，利用纬编双轴向织物的高变形性，使芯层织物在铺层过程中完全贴合多曲面表面且不会产生褶皱现象。另，外层刚性增强层和内侧加固层选用碳纤维缎纹织物可减少对织物的裁剪。本发明通过对多曲面壳体进行铺层设计，使壳体结构芯层为连续无切口的铺层，内、外层为高刚度、高模量的碳纤维层，实现多曲面壳体超薄铺层的同时，提高壳体的力学性能及保型性。

具体方案为：一种芯层增强织物为连续无切口的多曲面壳体用超薄预成型体结构设计方法，预成型体由碳纤维/芳纶纬编混杂双轴向织物或芳纶纬编双轴向织物中的一种或两种与八枚缎纹碳纤维织物经多组合铺层而成。

碳纤维/芳纶纬编混杂双轴向织物和芳纶纬编双轴向织物的衬经纱和衬纬纱在织物中呈分层铺覆状态，而非交织状态，因此可以“自由”滑动和转动，成型过程中经纬纱之间的夹角可以在很大范围内变化，具有高变形性，铺覆性能良好，在铺层过程中无须裁成小片，整块织物即可形成一个连续的无切口多曲面预成型体或高变形、类球体织物，可实现无切口铺层技术。

八枚缎纹碳纤维织物，浮线较长，交织点较少，相互间隔距离有规律而均匀，解决纤维滑移问题的同时使织物分布均匀。

一种芯层增强织物为连续无切口的多曲面壳体用超薄预成型体结构设计方法，其特征包括以下步骤：

(1)一种芯层增强织物为连续无切口多曲面壳体用超薄预成型体外层刚性增强层和内侧加固层选用八枚五飞缎纹碳纤维织物，利用碳纤维的高强、高模特性，使内外两侧高刚度的碳纤维起到增强保护和支撑作用。

(2)中间功能层选用碳纤维/芳纶纬编混杂双轴向织物或芳纶纬编双轴向织物中的一种或两种经多组合铺层而成，利用芳纶的高强力，耐冲击特性，起到增强、缓冲作用。

(3)根据步骤(2)所述的碳纤维/芳纶纬编混杂双轴向织物由碳纤维和芳纶编织而成，可实现织物强度的定向增强。

(4)多曲面壳体用超薄预成型体的外层、中间功能层和内侧加固层均由1～3层织物铺层而成。

上述步骤(2)中所述的碳纤维/芳纶纬编混杂双轴向织物和芳纶纬编双轴向织物面密度在100g/m2～1000g/m2之间。

芯层增强织物为连续无切口的多曲面壳体用超薄预成型体固化后的壳体厚度为0.6～ 1.2mm。

预成型体固化后的多曲面壳体纤维部分占复合材料的体积分数在50％～60％之间。

预成型体固化后的壳体内外两侧由高比刚度的碳纤维织物支撑，壳体的变形型小、刚度高，同时使壳体具有良好的抗冲击和耐穿刺性能。

预成型体的固化树脂基体为高强高韧环氧树脂、聚氨酯树脂、聚乙烯树脂中的一种或 EPIKOTETM Resin TRAC06150树脂，所述EPIKOTETM Resin TRAC06150树脂可满足快速成型和固化的需求。

一种芯层增强织物为连续无切口多曲面壳体用超薄预成型体可用于高强度、高刚度、超轻飞行员头盔及多曲面复杂结构制件。

本发明相较现有的多曲面壳体的优势表现在：通过在铺层结构中引入碳纤维/芳纶纬编混杂双轴向织物或芳纶纬编双轴向织物中的一种或两种，在铺层过程中无须裁成小片，可实现少切口，甚至无切口铺层技术，整块织物即可形成一个完整的多曲率曲面预成型体，或高变形、类球体预成型体，可减少织物的损伤；同时，预成型体固化后的壳体尺寸精度高，变形量比小，耐穿刺性与抗冲击性能高。

本发明相较现有的多曲面壳体的优势还表现在：通过在外层刚性增强层和内侧加固层选用八枚缎纹碳纤维织物，利用其浮线较长，交织点较少，解决纤维滑移问题的同时使织物分布均匀，利用碳纤维的高强、高模特性，生产高刚度、小变形曲面壳体。

附图说明

为了说明本发明多曲面壳体用超薄预成型体及设计方法的实用性，下面以头盔壳体用预成型体结构为例进行简要说明。其中：

图1是头盔壳体用预成型体的整体结构示意图；

图2是头盔壳体用预成型体的局部结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和优选实施例的方式来描述本发明的最实施方式。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

附图1为头盔壳体用预成型体的整体结构示意图，从表到里依次外层刚性加固层1、中间功能层2、内侧加固层3。附图2为头盔壳体用预成型体的局部结构示意图，从附图可以看出，中间功能层由碳纤维/芳纶纬编混杂双轴向织物或芳纶纬编双轴向织物的一种或两种混杂铺层而成，而内层和外层只有一种织物铺层而成，且织物铺层方式与织物面密度可多组合变化。

实施例1：

头盔壳体用预成型体的外层刚性加固层选用一层碳纤维缎纹织物，中间层选用面密度为 630g/m2的碳纤维/芳纶纬编混杂双轴向织物，内侧刚性层两层碳纤维缎纹织物；选用 JL-155型环氧树脂作为固化树脂，RTM在注胶压力1～3MPa，工艺固化温度和时间为90℃×2h-120℃×1h-150℃×4h-170℃×1h；壳体厚度1.0mm。

实施例2：

头盔壳体用预成型体的外层刚性加固层选用两层碳纤维缎纹织物，中间层选用面密度为 630g/m2芳纶纬编混杂双轴向织物，内侧刚性层选用一层碳纤维缎纹织物；选用JL-155型环氧树脂作为固化树脂，RTM在注胶压力1～3MPa，工艺固化温度和时间为90℃×2h-120℃×1h-150℃×4h-170℃×1h；壳体厚度1.0mm。

实施例3：

头盔壳体用预成型体的外层刚性加固层选用一层碳纤维缎纹织物，中间层选用面密度为 630g/m2的碳纤维/芳纶纬编混杂双轴向织物及面密度为630g/m2芳纶纬编混杂双轴向织物，内侧刚性层选用一层碳纤维缎纹织物；选用JL-155型环氧树脂作为固化树脂，RTM在注胶压力1～3MPa，工艺固化温度和时间为90℃×2h-120℃×1h-150℃×4h-170℃×1h；壳体厚度 1.0mm。