本发明涉及树脂基复合材料制造技术领域，具体涉及一种整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法。
背景技术：
加筋壁板是飞机复合材料壁板常用的结构形式，在满足结构强度和刚度的前提下，通过减少复材壁板的蒙皮厚度、增加长桁或隔框等方式，可以更好的发挥复合材料的可设计性，进一步提高复合材料结构的减重效率。伴随先进复合材料在飞机结构上越来越多的应用，提高制造效率、降低制造成本成为复合材料领域向纵深发展的一大重要趋势。复合材料整体成型技术可以将多根长桁、隔框等与复材蒙皮一起固化，成型效率高。尤其是可以结合缝合、编织等三维增强技术的rfi、rtm等液体成型技术，在成型过程中同时实现蒙皮、加筋的界面增强，节省装配工作量，制造成本低，减重效率高，所成型的复合材料结构整体性好，由于整体成型技术在制造成本、制造效率、结构减重等方面存在诸多优势，因而受到越来越多的青睐，面临更多的需求。
在复合材料长桁、隔框等各种加筋形式的结构设计中，为避免型面过度区的应力集中，通常在型面过度区采用圆角进行过度，对于加筋和蒙皮整体成型的结构件，在“t”、“j”、
因此，发明人提供了一种整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法。
技术实现要素：
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法，通过计算填充区材料用量时考虑制件纤维含量要求，控制填充芯材纤维含量，采用拉挤工艺对填充芯材进行预定型，有效控制所定型填充芯材的截面形状、尺寸，解决了如何控制填充芯材纤维含量以及在填充芯材成型过程中填充芯材与制件填充区的匹配度低的技术问题。
(2)技术方案
本发明的实施例提供了一种整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法，该方法包括以下步骤：
确定制件纤维含量及填充区的形状尺寸参数；
依据所述填充区的形状尺寸参数，设计拉挤模；
确定填充芯材的材质并计算其用量；
利用所述拉挤模对所述填充芯材进行预定型；
控制预定型填充芯材的质量。
进一步地，所述确定制件纤维含量及填充区的形状尺寸参数，具体包括如下步骤：
分析所述填充区的形状、尺寸，对所述填充区按截面形状、尺寸分类，计算每种填充芯材的截面面积；
依据第一公式，计算与所述制件纤维含量相匹配的所述填充芯材的密度；
依据第二公式，确定对应的填充芯材的线密度；
其中，所述第一公式为ρo＝vf*ρf (1-vf)*ρr；
所述第二公式为ρyi＝si×ρo；
式中，ρo为填充芯材密度，单位为g/cm3；ρf为预定型单向带纤维密度，单位为g/cm3；ρr为预定型单向带树脂密度，单位为g/cm3；vf为制件的纤维体积含量，单位为％；ρyi为填充芯材线密度，指填充芯材单位长度的质量，单位为g/m；si为填充芯材的截面面积，单位为mm2。
进一步地，所述依据所述填充区的形状尺寸参数，设计拉挤模，具体为：
对每种截面的所述填充芯材按拉挤设备的装夹方式设计配套的所述拉挤模；其中，所述拉挤模的模口形状与对应的填充芯材相适配，所述模口的截面尺寸以比所述填充芯材的尺寸大0～0.4mm进行调整，所述模口的截面面积与所述填充芯材的截面面积的比值为1～1.15。
进一步地，所述确定填充芯材的材质并计算其用量，具体包括如下步骤：
所述填充芯材的材质包括纤维、树脂和预定型单向带；
依据第三公式，计算单向带的预期单层厚度；
依据第四公式，计算制备填充芯材所需的单向条带的宽度；
依据所述单向条带的宽度，将所述预定型单向带裁切成单向条带；
其中，所述第三公式为to＝wf/(103*vf*ρf)；
所述第四公式为di＝ki*si/to；
式中，to为预定型单向带的预期单层厚度，单位为mm；wf为所述预定型单向带的纤维面密度，单位为g/m2；ki为调整系数，取值为1～1.15；di为制备填充芯材所需的单向带宽度，单位为mm；si为所述填充芯材的截面面积，单位为mm2。
进一步地，所述预定型单向带的纤维和定型剂与制件一致或满足制件性能要求和制造工艺性要求，所述定型剂的体积含量≥37％。
进一步地，所述利用所述拉挤模对所述填充芯材进行预定型，具体包括如下步骤：
确定填充芯材的预定型工艺参数；其中，所述预定型工艺参数包括设定控制温度和设定拉挤速度；
以所述设定控制温度、所述设定拉挤速度对所述填充芯材进行预定型。
进一步地，所述以所述设定控制温度、所述设定拉挤速度对所述填充芯材进行预定型，具体包括如下步骤：
在所述拉挤设备上安装所述拉挤模并装夹单向条带；
以设定控制温度进行预热并以设定拉挤速度牵引所述单向条带经过所述拉挤模后预定型为所需的填充芯材；
其中，所述设定控制温度的范围内粘度≥10000mpa·s，所述设定拉挤速度≤2000mm/min。
进一步地，所述控制预定型填充芯材的质量，具体为：
对所述预定型填充芯材从截面形状尺寸、纤维含量以及填充芯材预定型后的凝胶状态三方面进行质量控制。
进一步地，所述对所述预定型填充芯材从截面形状尺寸、纤维含量以及填充芯材预定型后的凝胶状态三方面进行质量控制，具体包括如下步骤：
依据第五公式计算所述预定型填充芯材的线密度；
依据第六公式计算所述预定型填充芯材的截面面积；
利用滑板拉丝法测定所述预定型填充芯材的凝胶时间；
其中，所述第五公式为ρxi＝wxi/lxi；
所述第六公式为si＝ρxi/ρo；
式中，ρxi为实测预定型填充芯材线密度，单位为g/m；lxi为预定型填充芯材试样长度，单位为m；wxi为预定型填充芯材试样重量，单位为g；si为预定型填充芯材的实测截面面积，单位为mm2；
所述线密度的偏差△ρi＝(ρxi-ρyi)/ρyi≤15％；
所述截面面积的偏差△si＝(si-si)/si≤15％。
进一步地，在所述控制预定型填充芯材的质量后，还包括：
以隔离膜单独包裹并标识的方式贮存所述预定型填充芯材。
(3)有益效果
综上，本发明通过计算填充区材料用量时考虑制件纤维含量要求，控制填充芯材纤维含量，采用拉挤工艺对填充芯材进行预定型，有效控制所定型填充芯材的截面形状、尺寸。该方法预定型的填充芯材按拉挤模的模口形状和尺寸控制截面形状、尺寸，形状尺寸可控，一致性好，填充芯材与制件填充区的匹配度高，便于模具与加筋组装到位，有利于成型过程中r区压力传递，所成型制件r区质量可靠、稳定，填充芯材预定型效率高，可以节省操作人员时间，缩短成型周期的，满足越来越多的加筋壁板整体成型工程化生产的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法的流程示意图；
图2是实施例1整体成型“j”型加筋壁板的填充芯材的结构示意图；
图3是实施例1中三种填充芯材的截面形状和尺寸示意图；
图4是实施例2整体成型帽型筋壁板填充芯材示意图；
图5是实施例2中填充芯材的截面形状和尺寸示意图。
图中：
1-z型叠层组；2-c型叠层组；3-一字型叠层组；4-蒙皮；5-填充芯材；501-第一填充芯材；502-第二填充芯材；503-第三填充芯材；6-帽型筋。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1是本发明实施例提供的一种整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
s1、确定制件纤维含量及填充区的形状尺寸参数。
本步骤中，制件纤维含量要求及填充区形状尺寸参数确定，计算填充芯材截面面积和线密度。
分析制件填充区形状、尺寸，对填充区按截面形状、尺寸分类，计算每种填充芯材截面面积。
明确制件纤维含量要求，按式(1)根据制件纤维含量要求计算与制件纤维含量要求相匹配的填充芯材的密度，精确到小数点后2位。
ρo＝vf*ρf (1-vf)*ρr(1)
其中：
ρo为填充芯材密度，单位为g/cm3；
ρf为预定型单向带纤维密度，单位为g/cm3；
ρr为预定型单向带树脂密度，单位为g/cm3；
vf为制件的纤维体积含量，单位为％。
按式(2)填充芯材密度及每种填充芯材截面面积确定对应的每种填充芯材的线密度，精确到小数点后2位。
ρyi＝si*ρo(2)
其中：
ρyi为填充芯材线密度，指填充芯材单位长度的质量，单位为g/m；
si为填充芯材的截面面积，单位为mm2。
s2、依据填充区的形状尺寸参数，设计拉挤模。
本步骤中，对每种截面的填充芯材按拉挤设备的装夹方式设计配套的拉挤模，材料采用聚四氟乙烯。模口形状与对应填充芯材一致，模口截面尺寸允许按填充芯材的尺寸增大0～0.4mm进行调整，将模口的截面面积与填充芯材的截面面积之比即调整系数ki控制在1～1.15。
s3、确定填充芯材的材质并计算其用量。
本步骤中，材料准备：制备填充芯材的材料采用纤维及树脂与制件一致或满足制件性能要求和制造工艺性要求的纤维和定型剂制备的预定型单向带，定型剂与制件基体材料一致或相容，体积含量不低于37％。
用量计算：按式(3)，输入预定型单向带的纤维面密度wf和制件纤维含量要求vf及纤维密度ρf，计算单向带的预期单层厚度to，精确到小数点后3位。
to＝wf/(103*vf*ρf)(3)
其中：
to为预定型单向带预期单层厚度，单位为mm；
wf为预定型单向带纤维面密度，单位为g/m2。
按式(4)，输入填充芯材截面面积si、预定型单向带的预期单层厚度to、调整系数ki，计算制备填充芯材所需的单向条带的宽度，计算结果取整数。
di＝ki*si/to(4)
其中：
ki为调整系数，取1～1.15；
di为制备填充芯材所需的单向带宽度，单位为mm。
按计算的宽度将预定型单向带裁切成单向条带。
s4、利用拉挤模对填充芯材进行预定型。
本步骤中，包括预定型工艺参数确定：填充芯材预定型工艺参数包括控制温度和拉挤速度，控制温度和拉挤速度与预定型单向带的材料特性有关，需要针对材料特性并结合试验验证后确定。控制温度主要与预定型单向带中的定型剂有关，依据定型剂的粘温曲线，在粘温曲线的前段即粘度下降阶段由低向高选取控制温度范围，所选取的控制温度范围内粘度最低不低于10000mpa·s。该温度范围即作为填充芯材预定型时的温度控制区间，控制温度在该区间中选取。拉挤速度关系到填充芯材预定型的效率，但速度过快拉挤过程中会出现起毛现象，拉挤速度与具体预定型单向带有关，一般控制在2000mm/分钟之内，需要针对每种预定型单向带，按选取的控制温度、在2000mm/分钟之内由高向低进行拉挤试验，确定该材料允许的拉挤速度极限值，填充芯材预定型时将拉挤速度控制在拉挤速度极限值之内。所确定的控制温度和拉挤速度作为该材料体系的预定型单向带的填充芯材预定型的工艺参数。
填充芯材预定型：在拉挤设备上安装拉挤模，装夹单向条带，按控制温度进行预热，按选定的拉挤速度牵引单向条带经过拉挤模，单向条带通过拉挤模后预定型为所需的填充芯材。
s5、控制预定型填充芯材的质量。
本步骤中，填充芯材用于整体成型复合材料结构的填充区，与整体结构一起固化成型，因此，要求所制备的填充芯材形状和尺寸与所填充区域匹配，作为整体结构的一部分其纤维含量满足零件纤维含量要求，同时预定型后的填充芯材在整体结构成型过程中有足够的时间在界面与整体结构发生交联反应满足制件整体成型的固化反应要求。为此，对预定型填充芯材从截面形状和尺寸、纤维含量，以及填充芯材预定型后的凝胶状态三方面进行质量控制，通过预定型后的填充芯材的截面面积、线密度、凝胶时间进行表征。
作为一种优选的实施方式，步骤s1中，确定制件纤维含量及填充区的形状尺寸参数，具体包括如下步骤：
分析填充区的形状、尺寸，对填充区按截面形状、尺寸分类，计算每种填充芯材的截面面积；
依据第一公式，计算与制件纤维含量相匹配的填充芯材的密度；
依据第二公式，确定对应的填充芯材的线密度；
其中，第一公式为ρo＝vf*ρf (1-vf)*ρr；
第二公式为ρyi＝si×ρo；
式中，ρo为填充芯材密度，单位为g/cm3；ρf为预定型单向带纤维密度，单位为g/cm3；ρr为预定型单向带树脂密度，单位为g/cm3；vf为制件的纤维体积含量，单位为％；ρyi为填充芯材线密度，指填充芯材单位长度的质量，单位为g/m；si为填充芯材的截面面积，单位为mm2。
作为一种优选的实施方式，步骤s2中，依据填充区的形状尺寸参数，设计拉挤模，具体为：
对每种截面的填充芯材按拉挤设备的装夹方式设计配套的拉挤模；其中，拉挤模的模口形状与对应的填充芯材相适配，模口的截面尺寸以比填充芯材的尺寸大0～0.4mm进行调整，将模口的截面面积与填充芯材的截面面积的比值为1～1.15。
作为一种优选的实施方式，步骤s3中，确定填充芯材的材质并计算其用量，具体包括如下步骤：
s301、填充芯材的材质包括纤维、树脂和预定型单向带；
s302、依据第三公式，计算单向带的预期单层厚度；
s303、依据第四公式，计算制备填充芯材所需的单向条带的宽度；
s304、依据单向条带的宽度，将预定型单向带裁切成单向条带；
其中，第三公式为to＝wf/(103*vf*ρf)；
第四公式为di＝ki*si/to；
式中，to为预定型单向带的预期单层厚度，单位为mm；wf为预定型单向带的纤维面密度，单位为g/m2；ki为调整系数，取值为1～1.15；di为制备填充芯材所需的单向带宽度，单位为mm；si为填充芯材的截面面积，单位为mm2。
作为一种优选的实施方式，预定型单向带的纤维和定型剂与制件一致或满足制件性能要求和制造工艺性要求，定型剂的体积含量≥37％。
作为一种优选的实施方式，步骤s4中，利用拉挤模对填充芯材进行预定型，具体包括如下步骤：
s401、确定填充芯材的预定型工艺参数；其中，预定型工艺参数包括设定控制温度和设定拉挤速度；
s402、以设定控制温度、设定拉挤速度对填充芯材进行预定型。
作为一种优选的实施方式，步骤s402中，以设定控制温度、设定拉挤速度对填充芯材进行预定型，具体包括如下步骤：
s4021、在拉挤设备上安装拉挤模并装夹单向条带；
s4022、以设定控制温度进行预热并以设定拉挤速度牵引单向条带经过拉挤模后预定型为所需的填充芯材；
其中，设定控制温度的范围内粘度≥10000mpa·s，设定拉挤速度≤2000mm/min。
作为一种优选的实施方式，步骤s5中，控制预定型填充芯材的质量，具体为：
对预定型填充芯材从截面形状尺寸、纤维含量以及填充芯材预定型后的凝胶状态三方面进行质量控制。
作为一种优选的实施方式，对预定型填充芯材从截面形状尺寸、纤维含量以及填充芯材预定型后的凝胶状态三方面进行质量控制，具体包括如下步骤：
依据第五公式计算预定型填充芯材的线密度；
依据第六公式计算预定型填充芯材的截面面积；
利用滑板拉丝法测定预定型填充芯材的凝胶时间；
其中，第五公式为ρxi＝wxi/lxi；
第六公式为si＝ρxi/ρo；
式中，ρxi为实测预定型填充芯材线密度，单位为g/m；lxi为预定型填充芯材试样长度，单位为m；wxi为预定型填充芯材试样重量，单位为g；si为预定型填充芯材的实测截面面积，单位为mm2；
线密度的偏差△ρi＝(ρxi-ρyi)/ρyi≤15％；
截面面积的偏差△si＝(si-si)/si≤15％。
具体地，测定预定型填充芯材凝胶时间，采用通用的复合材料凝胶时间的测定方法——滑板拉丝法，对预定型填充芯材取样，进行预定型填充芯材凝胶时间的测定。实测凝胶时间应满足制件材料体系凝胶时间的要求。
作为一种优选的实施方式，在控制预定型填充芯材的质量后，还包括：
以隔离膜单独包裹并标识的方式贮存预定型填充芯材。
具体地，外包装采用硬壳包装桶，每根预定型填充芯材单独用隔离膜包裹后，标识，将同批填充芯材分组密封在包装桶中，在-18℃下运输和贮存。
下面以具体实施例对本发明做进一步详细说明
实施例1
带有四根“j”型加筋的壁板，材料采用x1型纤维及y型树脂，纤维密度1.76g/cm3，树脂密度1.24g/cm3，制件纤维体积含量要求60％。如图2所示，“j”型加筋的“z”型叠层组1、“c”型叠层组2及“一”字型叠层组3形成的空腔及两侧“j”型加筋的“z”型叠层组1的侧型面与上型面过渡区采用纤维面密度133g/m2的预定型单向带制备填充芯材5进行填充，预定型单向带中定型剂体积含量43％，“j”型加筋的“z”型叠层组1、“c”型叠层组2及“一”字型叠层组3、蒙皮4及填充芯材5通过共固化整体成型为“j”型加筋壁板结构，该整体成型复合材料结构的填充芯材5采用了本方案提出的预定型方法。具体操作方法如下：
(a)制件纤维含量要求及填充区形状尺寸参数确定，计算每个填充区的填充芯材的理论截面面积和理论线密度；
a1.该加筋壁板有四根“j”型加筋，“j”型加筋按截面形状和尺寸分为两种，填充区有三种截面形状和尺寸，中间两根“j”型加筋的填充区截面尺寸和形状相同，采用第一填充芯材501，两侧的两根“j”型加筋的下填充区截面尺寸和形状相同，采用第二填充芯材502，两侧的两根“j”型加筋的上部填充区截面尺寸和形状相同，采用第三填充芯材503，如图3所示，第一填充芯材501、第二填充芯材502和第三填充芯材503的理论截面面积si分别为15.45mm2、17.99mm2和4.06mm2。
a2.制件纤维体积含量要求vf为60％，按式(1)输入纤维体积含量vf、纤维密度ρf和树脂密度ρr，计算与制件纤维含量匹配的填充芯材5的密度ρo，精确到小数点后2位。
ρo＝vf*ρf (1-vf)*ρr＝60％*1.76 (1-60％)*1.24＝1.55g/cm3(1)
a3.按式(2)，输入填充芯材5的密度ρo及第一填充芯材501、第二填充芯材502和第三填充芯材503的截面面积si确定第一填充芯材501、第二填充芯材502和第三填充芯材503的理论线密度ρyi，精确到小数点后2位。
第一填充芯材501的理论线密度ρy1：
ρy1＝s1*ρo＝15.45*1.55＝23.95g/m；(2)
第二填充芯材502的理论线密度ρy2：
ρy2＝s2*ρo＝17.99*1.55＝27.88g/m；(2)
第三填充芯材503的理论线密度ρy2：
ρy3＝s3*ρo＝4.06*1.55＝6.29g/m。(2)
(b)设计填充芯材拉挤模
按拉挤设备的装夹方式设计三套拉挤模，材料采用聚四氟乙烯。三套拉挤模的模口分别按第一填充芯材501、第二填充芯材502和第三填充芯材503的截面形状，第一填充芯材501、第二填充芯材502的拉挤模的模口圆弧半径分别增大0.2mm，则第一填充芯材501的截面积调整系数k1为1.08，第二填充芯材502的截面积调整系数k2为1.07，第三填充芯材503的拉挤模的模口圆弧半径增大0.4mm，则第三填充芯材503的截面积调整系数k3为1.14。
(c)填充芯材材料准备及用量计算
c1.材料准备：制备填充芯材的预定型单向带的纤维及定向剂也是x型纤维及y型树脂，与制件一致，定型剂体积含量43％，不低于37％，满足填充芯材预定型对预定型单向带的定型剂含量的要求。
c2.用量计算：按式(3)，输入预定型单向带的纤维面密度wf和制件纤维含量要求vf及纤维密度ρf，计算单向带的预期单层厚度to，精确到小数点后3位。
to＝wf/(103*vf*ρf)＝133/(1000*60％*1.76)＝0.126mm(3)
按式(4)，分别输入第一填充芯材501、第二填充芯材502和第三填充芯材503的截面面积si、预定型单向带的预期单层厚度to、调整系数ki，计算制备第一填充芯材501、第二填充芯材502和第三填充芯材503所需的单向条带的宽度d1、d2和d3，计算结果取整数。
d1＝k1*s1/to＝1.08*15.45/0.126＝133mm
d2＝k2*s2/to＝1.07*17.99/0.126＝152mm
d3＝k3*s3/to＝1.14*4.06/0.126＝37mm
按计算的宽度裁切制备第一填充芯材501、第二填充芯材502和第三填充芯材503的单向条带。
(d)填充芯材预定型
填充芯材预定型工艺参数包括控制温度和拉挤速度。控制温度与预定型单向带中的定型剂有关，依据y型树脂的粘温曲线，在粘温曲线的前段即粘度下降阶段，选取粘度在11000mpa·s～48000mpa·s范围内时60℃～80℃温度范围作为填充芯材预定型时的控制温度控制区间，采用70℃作为控制温度。采用该预定型单向带按控制温度70℃进行拉挤，初始拉挤速度按2000mm/min控制，因出现纤维起毛现象降低拉挤速度至1600mm/min时所定型的填充芯材外观良好，因此填充芯材预定型时将拉挤速度控制在1600mm/min之内，选取拉挤速度1500mm/min、控制温度选取70℃作为该材料的填充芯材预定型工艺参数。
在拉挤设备上安装拉挤模，装夹单向条带。在控制温度70℃、按1500mm/min拉挤速度牵引单向条带经过拉挤模，单向条带通过拉挤模后预定型为所需的填充芯材。
(e)填充芯材的质量控制方法
预定型后的第一填充芯材501、第二填充芯材502和第三填充芯材503均通过截面面积、线密度、凝胶时间进行表征。
ⅰ.线密度
在所制备的第一填充芯材501、第二填充芯材502和第三填充芯材503上分别取四个试样并称重，试样长度200mm。
第一填充芯材501上的四个试样重量分别为：4.98g、4.97g、4.99g、4.99g，平均4.98g，按式(5)计算第一填充芯材501的线密度：
ρx1＝wx1/lx1＝4.99/0.2＝24.90g/m
第一填充芯材501的线密度偏差△ρ1＝(ρx1-ρy1)/ρy1＝(24.90-23.95)/23.95＝3.97％。
第二填充芯材502上的四个试样重量分别为：5.80g、5.79g、5.81g、5.82g，平均5.81g，按式(5)计算第二填充芯材502的线密度，g/m：
ρxi＝wi/lxi＝5.81/0.2＝29.05g/m(5)
第二填充芯材502的线密度偏差△ρ2＝(ρx2-ρy2)/ρy2＝(29.05-27.88)/27.88＝4.20％。
第三填充芯材503上的四个试样重量分别为：1.42g、1.43g、1.41g、1.44g，平均1.43g，按式(5)计算第三填充芯材503的线密度，g/m：
ρx3＝wx3/lx3＝1.43/0.2＝7.15g/m(5)
第三填充芯材503的线密度偏差△ρ3＝(ρx1-ρy1)/ρy1＝(7.15-6.29)/6.29＝13.67％。
ⅱ.截面面积
按式(6)，通过计算所得的线密度ρyi、对应材料体系的填充芯材密度ρo计算第一填充芯材501、第二填充芯材502和第三填充芯材503的实测截面积si和截面积偏差△si：
第一填充芯材501的截面积s1＝ρx1/ρo＝24.91/1.55＝16.06mm2(6)
第一填充芯材501的截面积偏差△s1＝(s1-s1)/s1＝(16.06-15.45)/15.45＝3.95％。
第二填充芯材502的截面积s2＝ρx2/ρo＝29.05/1.55＝18.74mm2
第二填充芯材502的截面积偏差△s2＝(s2-s2)/s2＝(18.74-17.99)/17.99＝4.18％。
第三填充芯材503的截面积s3＝ρx3/ρo＝7.15/1.55＝4.61mm2
第三填充芯材503的截面积偏差△s3＝(s3-s3)/s3＝(4.61-4.06)/4.06＝13.62％。
ⅲ.凝胶时间
测定预定型填充芯材凝胶时间，采用通用的复合材料凝胶时间的测定方法——滑板拉丝法，对第一填充芯材501、第二填充芯材502和第三填充芯材503取样，x1型纤维与y型树脂制备的预定型单向带要求175℃凝胶时间≥5min，对预定型填充芯材测试175℃凝胶时间，测试结果均大于10min，实测凝胶时间满足制件材料体系凝胶时间的要求。
(f)预定型填充芯材的贮存方法
将每根预定型填充芯材单独用隔离膜包裹并标识后，放入硬壳包装桶，密封在包装桶中，在-18℃下运输和贮存待用。
实施例2
带有四个帽型筋6的整体壁板，每个帽型筋6内腔的两侧与蒙皮4的过渡区采用填充芯材5进行填充，四个帽型筋6、蒙皮4、八根填充芯材5通过共固化成型。整体壁板材料采用x2型纤维及y型树脂，纤维密度1.81g/cm3，树脂密度1.24g/cm3，制件纤维体积含量要求58％。填充芯材5材料采用与制件纤维和树脂一致的预定型单向带进行预定型，预定型单向带的纤维面密度132g/m2，定型剂体积含量43％，填充芯材5采用了本方案提出的预定型方法。具体操作方法如下：
(a)制件纤维含量要求及填充区形状尺寸参数确定，计算每个填充区的填充芯材的理论截面面积和理论线密度.
a1.该加筋壁板四个帽型筋，如图4所示，两种截面尺寸的帽型筋，但四个帽型筋6与蒙皮4形成的填充区截面形状和尺寸相同，仅有一种截面形状和尺寸的填充芯材5，尺寸如图5所示，其理论截面面积s为10.20mm2。
a2.制件纤维体积含量要求vf为58％，按式(1)，输入纤维体积含量vf、纤维密度ρf、树脂密度ρr，计算与制件纤维含量匹配的填充芯材5的密度ρo，精确到小数点后2位。
ρo＝vf*ρf (1-vf)*ρr＝58％*1.81 (1-58％)*1.24＝1.57g/cm3(1)
a3.按式(2)，输入填充芯材5的密度ρo及截面面积s确定填充芯材5的理论线密度ρy，精确到小数点后2位。
ρy＝s1*ρo＝10.20*1.57＝16.01g/m
(b)设计填充芯材拉挤模
按拉挤设备的装夹方式设计填充芯材5配套的拉挤模，材料采用聚四氟乙烯。拉挤模的模口按填充芯材5的截面形状，模口圆弧半径分别增大0.2mm，填充芯材5拉挤模模口截面面积为11.20mm2，则填充芯材5的截面积调整系数k为1.09。
(c)填充芯材材料准备及用量计算
c1.材料准备：制备填充芯材的预定型单向带的纤维及定向剂也是x2型纤维及y型树脂，与制件一致，定型剂体积含量43％，不低于37％，满足填充芯材预定型对预定型单向带的定型剂含量的要求。
c2.用量计算：按式(3)，输入预定型单向带的纤维面密度wf和制件纤维含量要求vf及纤维密度ρf，计算单向带的预期单层厚度to，精确到小数点后3位。
to＝wf/(103*vf*ρf)＝132/(1000*58％*1.81)＝0.126mm
按式(4)，输入填充芯材5截面面积s、预定型单向带的预期单层厚度to、调整系数k，计算制备填充芯材5所需的单向条带的宽度d，计算结果取整数。
d＝k*s/to＝1.09*10.20/0.126＝88mm
按计算的宽度裁切制备填充芯材5的单向条带。
(d)填充芯材预定型
填充芯材预定型工艺参数包括控制温度和拉挤速度。控制温度与预定型单向带中的定型剂有关，依据y型树脂的粘温曲线，在粘温曲线的前段即粘度下降阶段，选取粘度在11000mpa·s～48000mpa·s范围内时60℃～80℃温度范围作为填充芯材预定型时的控制温度控制区间，采用70℃作为控制温度。采用该预定型单向带按控制温度70℃进行拉挤，初始拉挤速度按2000mm/min控制，因出现纤维起毛现象降低拉挤速度至1400mm/min时所定型的填充芯材外观良好，因此填充芯材预定型时将拉挤速度控制在1400mm/min之内，选取拉挤速度1200mm/min、控制温度选取70℃作为该材料的填充芯材预定型工艺参数。
在拉挤设备上安装拉挤模，装夹单向条带。在控制温度70℃、按1200mm/min拉挤速度牵引单向条带经过拉挤模，单向条带通过拉挤模后预定型为所需的填充芯材。
(e)填充芯材的质量控制方法
预定型后的填充芯材5通过截面面积、线密度、凝胶时间进行表征。
ⅰ.线密度
在所制备预定型填充芯材5上取三个试样并称重，试样长度ly为150mm。三个试样重量分别为：2.60g、2.62g、2.60g、4.99g，wy平均为2.61g，按式(5)计算预定型填充芯材5的线密度：
ρx＝wx/lx＝2.60/0.15＝17.40g/m
填充芯材5的线密度偏差△ρ＝(ρx-ρy)/ρy＝(17.40-16.01)/16.01＝8.68％。
ⅱ.截面面积
按式(6)，通过计算所得的线密度ρy、对应材料体系的填充芯材密度ρo计算填充芯材5的实测截面积s和截面积偏差△s：
s＝ρx/ρo＝17.40/1.57＝11.08mm2
填充芯材5的截面积偏差△s＝(s-s)/s＝(11.08-10.20)/10.20＝8.65％。
ⅲ.凝胶时间
测定预定型填充芯材凝胶时间，采用通用的复合材料凝胶时间的测定方法——滑板拉丝法，对填充芯材5取样，x2型纤维与y型树脂制备的预定型单向带要求175℃凝胶时间≥5min，对预定型填充芯材测试175℃凝胶时间，测试结果均大于10min，实测凝胶时间满足制件材料体系凝胶时间的要求。
(f)预定型填充芯材的贮存方法
将每根预定型填充芯材单独用隔离膜包裹并标识后，放入硬壳包装桶，密封在包装桶中，在-18℃下运输和贮存待用。
相比于现有技术，本发明实施例提供的整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法具有如下优点：
(1)计算填充芯材的材料用量时，考虑了制件纤维含量要求、单向带纤维面密度等参数，所成型的填充芯材材料用量、纤维含量可控。单向带在张力作用下经过拉挤模模口，经过拉挤后的填充芯材密实度高，纤维准直度也更好；
(2)该方法预定型的填充芯材按拉挤模模口形状和尺寸控制截面形状、尺寸，形状尺寸可控，一致性好，填充芯材与制件填充区的匹配度高，便于模具与加筋组装到位，有利于成型过程中r区压力传递，所成型制件r区质量可靠、稳定；
(3)填充芯材预定型效率高，可以节省操作人员时间，缩短成型周期的，满足越来越多的加筋壁板整体成型工程化生产的需求。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。
1.一种整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
确定制件纤维含量及填充区的形状尺寸参数；
依据所述填充区的形状尺寸参数，设计拉挤模；
确定填充芯材的材质并计算其用量；
利用所述拉挤模对所述填充芯材进行预定型；
控制预定型填充芯材的质量。
2.根据权利要求1所述的整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法，其特征在于，所述确定制件纤维含量及填充区的形状尺寸参数，具体包括如下步骤：
分析所述填充区的形状、尺寸，对所述填充区按截面形状、尺寸分类，计算每种填充芯材的截面面积；
依据第一公式，计算与所述制件纤维含量相匹配的所述填充芯材的密度；
依据第四公式，确定对应的填充芯材的线密度；
其中，所述第一公式为ρo＝vf*ρf (1-vf)*ρr；
所述第二公式为ρyi＝si×ρo；
式中，ρo为填充芯材密度，单位为g/cm3；ρf为预定型单向带纤维密度，单位为g/cm3；ρr为预定型单向带树脂密度，单位为g/cm3；vf为制件的纤维体积含量，单位为％；ρyi为填充芯材线密度，指填充芯材单位长度的质量，单位为g/m；si为填充芯材的截面面积，单位为mm2。
3.根据权利要求2所述的整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法，其特征在于，所述依据所述填充区的形状尺寸参数，设计拉挤模，具体为：
对每种截面的所述填充芯材按拉挤设备的装夹方式设计配套的所述拉挤模；其中，所述拉挤模的模口形状与对应的填充芯材相适配，所述模口的截面尺寸以比所述填充芯材的尺寸大0～0.4mm进行调整，所述模口的截面面积与所述填充芯材的截面面积的比值为1～1.15。
4.根据权利要求3所述的整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法，其特征在于，所述确定填充芯材的材质并计算其用量，具体包括如下步骤：
所述填充芯材的材质包括纤维、树脂和预定型单向带；
依据第三公式，计算单向带的预期单层厚度；
依据第四公式，计算制备填充芯材所需的单向条带的宽度；
依据所述单向条带的宽度，将所述预定型单向带裁切成单向条带；
其中，所述第三公式为to＝wf/(103*vf*ρf)；
所述第四公式为di＝ki*si/to；
式中，to为预定型单向带的预期单层厚度，单位为mm；wf为所述预定型单向带的纤维面密度，单位为g/m2；ki为调整系数，取值为1～1.15；di为制备填充芯材所需的单向带宽度，单位为mm；si为所述填充芯材的截面面积，单位为mm2。
5.根据权利要求4所述的整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法，其特征在于，所述预定型单向带的纤维和定型剂与制件一致或满足制件性能要求和制造工艺性要求，所述定型剂的体积含量≥37％。
6.根据权利要求4所述的整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法，其特征在于，所述利用所述拉挤模对所述填充芯材进行预定型，具体包括如下步骤：
确定填充芯材的预定型工艺参数；其中，所述预定型工艺参数包括设定控制温度和设定拉挤速度；
以所述设定控制温度、所述设定拉挤速度对所述填充芯材进行预定型。
7.根据权利要求6所述的整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法，其特征在于，所述以所述设定控制温度、所述设定拉挤速度对所述填充芯材进行预定型，具体包括如下步骤：
在所述拉挤设备上安装所述拉挤模并装夹单向条带；
以设定控制温度进行预热并以设定拉挤速度牵引所述单向条带经过所述拉挤模后预定型为所需的填充芯材；
其中，所述设定控制温度的范围内粘度≥10000mpa·s，所述设定拉挤速度≤2000mm/min。
8.根据权利要求3所述的整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法，其特征在于，所述控制预定型填充芯材的质量，具体为：
对所述预定型填充芯材从截面形状尺寸、纤维含量以及填充芯材预定型后的凝胶状态三方面进行质量控制。
9.根据权利要求2所述的整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法，其特征在于，所述对所述预定型填充芯材从截面形状尺寸、纤维含量以及填充芯材预定型后的凝胶状态三方面进行质量控制，具体包括如下步骤：
依据第五公式计算所述预定型填充芯材的线密度；
依据第六公式计算所述预定型填充芯材的截面面积；
利用滑板拉丝法测定所述预定型填充芯材的凝胶时间；
其中，所述第五公式为ρxi＝wxi/lxi；
所述第六公式为si＝ρxi/ρo；
式中，ρxi为实测预定型填充芯材线密度，单位为g/m；lxi为预定型填充芯材试样长度，单位为m；wxi为预定型填充芯材试样重量，单位为g；si为预定型填充芯材的实测截面面积，单位为mm2；
所述线密度的偏差△ρi＝(ρxi-ρyi)/ρyi≤15％；
所述截面面积的偏差△si＝(si-si)/si≤15％。
10.根据权利要求1所述的整体成型复合材料结构的填充芯材的预定型方法，其特征在于，在所述控制预定型填充芯材的质量后，还包括：
以隔离膜单独包裹并标识的方式贮存所述预定型填充芯材。
技术总结