CN101273174B - 复合材料结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合材料结构，包括一具有一上侧面(2a)、一下侧面(2b)的板(2)，和至少第一和第二梁(3、4)，各梁具有若干表面，包括至少一上表面(3c、4c)和一下表面(3b、4b)和一对隔开的侧表面(3a、4a)，其位于上表面(3c、4c)和下表面(3b、4b)之间并与之联接，各梁(3、4)在上表面(3c、4c)处与板(2)的下侧面连接，其中，第一梁(3)具有一在侧表面(3a)之间延伸的端部开口的通道(5)，而第二梁(4)则穿过端部开口的通道(5)。

Description

复合材料结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料结构，尤其涉及一种由复合材料结构制成的检修盖，但不限于此。

背景技术

人孔盖一类的检修盖是在使用过程中承受较高荷载的结构，这种结构历来是由钢或铸铁制成的。众所周知，金属制人孔盖较重并且不易操纵。承重结构往往是用各种铸造方法制造而成的。用其中的一种方法制造的成品的金属为各向同性，除非该金属已用例如物理处理等形式的工艺铸造，才能产生各向异性。然而，在绝大多数情况下是不对金属结构进行处理的。因此，所用金属各向同性的特性通常要作为承重结构设计中的考虑因素。

图1示出了现有技术的金属制人孔盖下侧面的典型加强结构。其包括焊于顶板7下侧面的单个梁6。顶板7上还焊有四个小型梁8，各小型梁8的一端焊在单个梁6的两纵向侧面之一上。单个梁6承担由作用在人孔盖上的任何荷载产生的大部分弯曲应力。四个小型梁8起横梁的作用，并将荷载从梁6的一个纵向侧面处的第一小型梁8传给相对纵向侧面处的第二小型梁8。这是通过连接两个对置小型梁8的单个梁6完成的。

在这种结构中，如果是由例如结构用低碳钢制成，如4级热轧钢(HR4)，则材料的屈服抗拉强度将会达到175MN/m²。由作用在顶板7上的任意荷载产生的弯曲应力将沿单个梁6长度方向在单个梁6的外侧面上产生拉应力。同样，四个小型梁8也受到纵向上的张应力作用。小型梁8也会沿梁6的横向而在单个梁6中产生拉应力。由于材料为各向同性，单个梁6外侧面6a上的材料在梁横向上的抗拉强度与其纵向相同，即为175MN/m²。一般而言，检修盖材料能够承受考虑了材料的各向同性后的结构设计所确定的应力。

与金属相比，纤维复合材料本质上具有三个优点，即重量轻、热导值低且电阻值高。在检修盖制造业中，对于这些特征中的一个或多个有非常明确的要求。

近二十年来，纤维复合材料已经成功应用在人孔盖的制造中。在EP0147050B1的说明书中描述了复合人孔盖。该发明提供了一种结构，包括由腹板隔开的内外表面。外表面和腹板由纤维增强塑料材料制成。该结构在边缘处封闭，腹板间的间隙填有泡沫塑料材料。腹板中的纤维结构业已采用GB 2066308(剑桥咨询有限公司(CambridgeConsultants Limited))公开的三维编织技术作了进一步的改进。在EP0365579B1的说明书中描述了这种人孔盖的制造过程。

这种由长纤维连续丝，通常是指玻璃纤维或碳纤维，制成的这种复合材料，置于基质树脂内的特定结构中，可被布置成在特定的方向上具有特定的性能。例如，由复合玻璃纤维制成的梁的纵向拉力性能为500MN/m²，横向为150MN/m²。这些值受任一特定方向(纤维结构)放置的纤维量以及纤维的纤维容积分率(FVF)和特定结构影响。FVF表示特定体积中的纤维量，纤维数量越多，所获得的材料性能越高。高性能纤维复合材料的FVF一般为50％至60％。纤维通过摇晃或缝编而放入可用的结构中。该结构影响着复合材料的最终性能，虽然其影响力比纤维结构或FVF的影响力小。由于抗拉强度值较高，复合材料具有在制造承重结构时用料较少的优点。

如果用复合材料来制造图1中的人孔盖，沿单个梁6长度方向的抗拉强度可达500MN/m²。四个小梁8的纵向可获得相同的抗拉强度。由于单个梁6通常被设计成具有较高的纵向抗拉强度，单个梁6横向的，即与纵向垂直的方向的抗拉强度将会减小。该值最大通常可达150MN/m²。使用时，与单个梁6的各纵向面相邻的两个小梁8的荷载通过单个梁6相互传送。在同一方向上，单个梁6的抗拉强度明显小于小梁8。因此，与这种结构相关的问题在于位于与单个梁6的相对纵向面连接的各对小梁8的端部之间的单个梁6的区域为加强结构中强度较低的区域。所以需要其它的结构/梁来克服强度较低的问题。

一些人孔盖是用来盖住蒸汽管、热风管或热水管的检修口的。这种人孔盖和类似的承重结构需要在这些结构中设置孔形式的通气孔。目前广泛应用的上述外壳/腹板复合结构并不实用。现有技术中使用的另一种方法是设置板状的常规金属人孔盖，其下设置一承重结构，其中，在不包含承重结构的板的区域内可设置通气孔。

发明内容

本发明意在缓和并减轻上述问题，提供一种复合材料结构，其具有一种构造，该构造具有效加强结构，同时满足重量、导热和电阻要求并选择性地提供了检修盖上的通气孔。

因此，本发明提供了一种复合材料结构，包括一具有一上侧面和一下侧面的板，以及至少第一和第二梁，各梁具有若干表面，包括至少一上表面、一下表面和一对隔开的侧表面，其位于上表面和下表面之间并与之联接，各梁在上表面处与板的下侧面连接，其中，第一梁具有在侧面之间延伸的端部开口的通道，而第二梁则穿过端部开口的通道。承受载荷时，这种结构使得各梁彼此独立地起作用。

方便起见，复合材料结构不限于两个梁，而是可根据本领域技术人员所确定的方案而采用许多个梁。

在优选的配置中，通道和第二梁二者之间彼此相关地确定大小和形状使得第二梁的上表面和下表面抵靠限定通道的相应表面。此配置防止第一梁的侧表面因需在其中形成通道清除材料而损失强度。

在一优选实施方式中，包括板和梁的复合材料结构由诸如玻璃或碳纤维等之类的复合材料制成。在一优选配置中，各梁包括由复合材料制成的管状外护套。护套内可充填例如泡沫塑料的芯部构件。各外护套包括至少一个远离板的下侧面的底壁和一靠近板的下侧面的顶壁以及一对隔开设置的侧壁。优选地，通道形成于第一梁中，从而第二梁的护套的顶壁和底壁抵靠第一梁的护套的底壁和顶壁的内表面。

在一优选配置中，梁的外护套及板中的每一个都包括纤维，所述纤维被编织成一种结构，基质树脂注入该结构内，以填充纤维间的空隙，之后树脂被固化以得到成品。各外护套的编织结构中的纤维被布置成使得在护套的底壁上获得纵向高达500MN/m²、横向高达或大于150MN/m²的抗拉强度。最优选的是，形成底壁的全部纤维的约72.5％沿纵向延伸，约22.5％沿横向延伸，约5％沿底壁所在平面的垂直方向延伸。应当理解，上述数值在有些情况下会在合适的范围内波动。理想的情况是，外护套的各侧壁中的纤维在该壁所在平面内相对于该壁的纵轴以±45°延伸。梁可用本领域技术人员显而易见的各种方式固定在板的下侧。在优选配置中，梁中的至少一个的纤维中的一些能合并到板的下侧的编织纤维结构中并成为其一部分，从而增加梁和板之间的连接强度。

另一方面，本发明提供了一种用于制造复合材料结构的方法，包括如下步骤：

(a)提供一具有上侧面和下侧面的板；

(b)提供至少第一和第二梁，各梁具有若干表面，包括至少一上表面和一下表面以及一对隔开的侧表面，位于上表面与下表面之间并与之联接。

(c)形成第一梁中的端部开口的通道，其在第一梁的侧面之间延伸；以及

(d)将各梁的上表面固定在板的下侧，从而第二梁穿过第一梁的端部开口的通道。

优选地，该方法还包括确定通道和第二梁的大小及形状，从而一旦将第二梁放入通道中，第二梁的上面和底面就抵靠限定通道的相应表面的步骤。

理想情况下，该方法还包括由诸如玻璃或碳纤维等之类的复合材料制成板和梁的步骤。优选地，该方法还包括用例如泡沫塑料的芯部构件填充护套内部的步骤。

在优选的方法中，形成管状外护套的步骤包括布设复合纤维，以便在护套的底壁上获得纵向高达500MN/m²、横向高达或大于150MN/m²的抗拉强度。最优选的是，该方法包括将形成底壁的全部纤维的约72.5％布置成沿纵向延伸，约22.5％沿横向延伸，约5％沿底壁所在平面的垂直方向延伸。理想的情况是，该方法包括将各侧壁中的纤维布置成在该壁所在平面内相对于该壁的纵轴以±45°延伸。

最优选的是，该方法包括将梁中的至少一个的纤维中的一些合并到板的下侧的纤维结构中并成为其一部分，从而增加梁和板之间的连接强度。

理想的情况是，该方法包括如下的步骤：在该步骤中，通过在第一梁的外护套的各侧壁中形成开口，并通过在外护套内的芯部构件中形成一通路，从而提供端部开口的通道。选择性地，开口是通过在基质树脂注入编织的纤维结构中之前在外护套的各侧壁中形成I形切口而得到的。I形切口包括基本沿侧壁长度方向的横向延伸的竖向狭缝，优选地，该长度自底壁的内表面延伸至底壁的内表面。竖向狭缝在竖向狭缝的每一端与横向狭缝邻接，横向狭缝基本垂直于竖向狭缝延伸。竖向和横向狭缝在纵向壁的材料中形成一对折翼。折翼然后向内弯曲以限定开口。

本方法还包括将装配好板和梁置入模子内并将基质树脂注入模子内以充满纤维之间的空隙。有利地，在优选的方法中，注入基质树脂使得折翼与第二梁的外护套的侧壁的材料成为一体。随后，树脂固化以获得成品。

另一方面，本发明提供了一种用于在由编织纤维制成的复合材料中形成通气孔的方法。在单层编织纤维材料中，孔可用尖头工具刺入纤维、从而将纤维在穿刺的位置处分开并在工具周围形成孔而形成。在本发明的复合材料结构的板中，可使用的工具包括一基部和至少一个尖头工具以及优选一系列这种尖头工具。为了在板中形成通气孔，将若干单层编织纤维片一层接一层地堆放在基板上。通过将纤维移动到尖头工具的周围而形成贯穿叠层的孔。然后将基质树脂注入纤维间的空隙内，限定孔的分开的纤维则在模制过程中固定就位。

在优选实施方式中，复合材料结构包括一对第一梁和一对第二梁，各第一梁包括两个用于接收第二梁的通道，该通道沿各第一梁的长度方向彼此隔开，并且其中一个第一梁的通道与另一个第一梁的相应通道对齐。每对第二梁垂直地穿过第一梁上的通道。

优选地，复合材料结构包括一或多个根据上述方法形成的通气孔。

本发明的上述复合材料结构优选用于检修盖中，然而并非限于此。

附图简要说明

通过下面的详细描述以及附图将更加清楚本发明的优点，其中：

图1为现有技术的检修盖的下侧面的三梁结构的透视图；

图2为根据本发明的检修盖的下侧面的穿梁结构的透视图；

图3为图2的检修盖的梁的外护套的透视图；

图4和5为本发明的检修盖的较大梁的外护套的透视图，示出了通道横向穿过梁而形成的方式；

图6为示出了一片单层纤维增强复合材料和用于在材料中形成孔的尖头工具的透视图；

图7为图6的复合材料片的平面图，其中形成有通气孔；

图8为应用了本发明的复合材料结构的检修盖的透视图。

具体实施方式

图2的检修盖总体以附图标记1表示。检修盖1包括具有上侧面2a、下侧面2b以及设置于下侧面2b上的加强梁结构100的板2。加强梁结构100包括一对沿某一方向横跨下侧面2b延伸的较大的梁3以及一对基本上垂直于较大的梁3延伸的较小的梁。下面将论述梁3和4固定到板2下侧面上的方式。各较大的梁3具有一对侧表面3a、一远离下侧面2b的下表面3b和一上表面3c。各较小的梁4具有一对侧表面4a、一下表面4b和一上表面4c。通道在较大的梁3中形成，使得较小的梁4穿过较大的梁3，下文将会描述。

在本实施方式中，检修盖1，包括梁3和4以及板2，是由玻璃纤维或碳纤维之类的复合材料制成。各梁3和4具有一由复合材料制成的外护套10(参见图3)以及由泡沫塑料材料制成的芯部(未示出)。外护套10包括一对侧壁10a、一底壁10b和一顶壁10c。外护套10是通过在芯部周围形成一层加强纤维结构，通常是编织纤维结构，将其放入模子内，然后将液态基质树脂注入模子内填充纤维间的空隙而形成的。之后，树脂固化，由此方法获得的梁具有优良的机械性能，且重量较轻。如图4所示，在本发明的此实施方式中，护套10的横截面为矩形，因此梁3和4也为矩形，但在本发明的范围内，各种截面均有可能。如果检修盖1是在高温环境中使用，例如在蒸汽管、热风管或热水管附近使用，优选选择具有高热变形的基质树脂。

较大的梁3基本上彼此平行地延伸。一对端部开口的通道5(参见图2和5)沿较大的梁3的横向形成，用于接收较小的梁4。各通道5从梁3和一侧面3a延伸至另一侧面，各较大的梁3的两个通道5沿梁3的长度方向隔开。其中一个较大的梁3的各通道5与另一个梁3的相应通道对齐，从而使得较小的梁4通过两个较大的梁3。通道5是通过在较大的梁3的外护套的纵相壁面10a中形成开口9(参见图5)，并在外护套10内的芯部中形成在开口9之间延伸的通路而形成的。开口9可用本领域技术人员显而易见的任一合适方法形成。图4和5示出了形成通道9的一种方式的例子。开口9是在将基质树脂模制到结构中之前，在外护套10的侧壁10a的编织纤维结构中形成T形切口而形成的。T形切口包括一竖向狭缝15，其从顶壁10c的内表面12基本穿过侧壁10a延伸至底壁10b的内表面11。竖向狭缝15在竖向狭缝15的各自由端与一水平狭缝16邻接，水平狭缝16基本上垂直于竖向狭缝15延伸。竖向狭缝15和水平狭缝16限定出一对折翼17。折翼17向内弯曲(图5)以使得较小的梁4能够插入通道5中。在模制过程中，折翼17的材料成为较小的梁4的侧面4a的一部分，从而梁3内较小的梁4穿过的区域内的较大的梁3得到加强。

这样，在本实施方式中，各通道5的第一对相对的壁分别由外护套10的底壁10b和顶壁10c的内表面11和12限定。通道5的第二对相对的壁由护套10内的芯部的表面(未示出)限定。在护套10内没有芯部的情况下，用于较小的梁4的通道5可通过仅仅向内弯曲折翼17而设置，或者实际上，通过从较大的梁3的外护套10的侧壁10a上切出适当的部分而形成。本实施方式在使用时，较小梁4的下表面4b和上表面4c分别与较大的梁3的外护套10的内表面11和12相接触。从而，尽管通过形成通道5而在较大的梁3中形成了空隙，较小的梁4和较大的梁3的接触面使得较大的梁3的纵壁3a能够保持住强度。

应当理解，本发明不限于严格使用四根梁，实际上，可以设置具有或多或少的梁的其它结构来支撑板。本发明也不限于较大和较小梁之间的特定角度，其可基本为直角之外的其它角度。梁的横断面形状也不限于矩形横断面，而是可以在某些情况下作适当的改变。

各较大梁3的外表面3b上的纤维结构设计成具有500MN/m²的纵向(图3中的X向)强度，和150MN/m²的横向(图3中的Y向)强度。所以，底壁10b的纤维中的大部分一般为存在于底壁10b中的全部纤维的约72.5％沿X方向延伸，约22.5％的纤维沿Y方向延伸，其余的纤维，一般为约5％沿图3的Z方向延伸。使用时，梁的侧表面3a受到与作用在下表面3b上的弯曲应力相反的剪切应力作用。因此，如图3所示，梁3的外护套10的各侧壁10a包含沿与X方向成±45°延伸的纤维，此方向的纤维为侧表面3a提供最佳的抗剪强度。两个较小的梁4中也存在相同的纤维结构。

梁3和4可通过本领域技术人员显而易见的各种方法连接在人孔盖1的下侧面2b上。例如，梁3和4可铺设在形成下侧面2b的纤维结构上，然后再模制成成品。在更为优选的配置中，一对梁，例如一对较大的梁3可与下侧面2b以上述相同的方法成为一体，即通过模制下侧面2b及梁3的邻接表面，而较小的那对梁4的某些纤维可直接合并到下侧面2b的纤维结构中形成为其一部分，然后模制成成品。后一配置增大了梁结构与检修盖1的板2之间的连接强度。

检修盖的上述结构-即在下侧具有加强梁结构的板2的设置-在板2上提供了可以形成通气孔的区域。在有些国家，对用于提供通气的孔的尺寸有规范限制，其中的一种规范将孔的尺寸限制为直径为12.7mm(1/2″)，以免鞋跟卡在通气孔中。制造通气孔的惯用方法包括现场钻孔或铸孔。然而，由于目前描述的检修盖1的编织纤维结构决定着其为各向异性，使用这种方法将导致纤维丧失其完整性，从而导致检修盖的板2强度损失，因此并不适合这种复合结构。

本发明提供了一种用于在由布置成特定结构，例如织物结构的纤维制成的复合材料中形成通气孔的方法。如图6和7所示，就由编织纤维制成的标准单层材料30而言，用尖头工具20刺穿该材料的纤维，从而将刺穿位置处的纤维绕尖头工具20分开，从而在材料30的结构中形成孔40。

通过将多层这种单层编织纤维材料置于基板(未示出)上，基板上设有一或多个这种尖头工具20，可形成包含多层的层叠板，有一或多个通气孔从其中穿过。仅为举例，图8中所示的多孔图案可通过本发明的检修盖100的这种方法获得。

然后将具有预制孔的层叠板放在模子内，并通过如上所述的注入基质树脂而模制成成品。这种孔周围的沿孔的轴向的材料厚度因纤维要随着孔形成工具而在此方向上移动将会增加。如此配置的纤维同样保持着恰当的纤维容积分率值(FVF)。为了从复合材料获得最佳性能，复合材料中的纤维必须在某些位置保持直线，并且移动纤维以使它们绕过孔减小成品的强度。

尽管如此，孔大小为12至13mm，更具体的为12.7mm的结构中产生的位移量相比因在结构中钻孔所引起的损害仍然较小，因此是一种更有效的成孔方法。

应当理解，下面描述的“通梁”结构并不仅限于仅使用复合材料，而是可应用于具有方向性能的其它合适材料上，或者实际上，任何不管是各向同性或各向异性的合适材料。

应当理解，本发明不仅限于上述以举例形式给出的具体描述，在不脱离如权利要求书确定的本发明的范围的基础上可作各种修改或变更。

Claims (20)

1.一种复合材料结构，包括一具有一上侧面(2a)、一下侧面(2b)和至少第一和第二梁(3、4)的板(2)，各梁具有若干表面，所述若干表面包括至少一上表面(3c、4c)和一下表面(3b、4b)和一对隔开的侧表面(3a、4a)，所述侧表面(3a、4a)位于上表面(3c、4c)和下表面(3b、4b)之间并与之邻接，各梁(3、4)在上表面(3c、4c)处固定到板(2)的下侧面上，其中，第一梁(3)具有在侧表面(3a)之间延伸的端部开口的通道(5)，第二梁(4)穿过所述端部开口的通道(5)。

2.如权利要求1所述的复合材料结构，其特征在于，端部开口的通道(5)和第二梁(4)之间彼此相关地确定大小及形状使得第二梁的上表面(4c)和下表面(4b)抵靠着限定通道的相应表面。

3.如权利要求2所述的复合材料结构，其特征在于，各梁包括一由复合材料制成的管状外护套(10)。

4.如权利要求3所述的复合材料结构，其特征在于，各管状外护套(10)包括一远离板(2)的下侧面(2b)的底壁(10b)、一靠近板(2)的下侧面(2b)的顶壁(10c)以及一对隔开的侧壁(10a)。

5.如权利要求3或4所述的复合材料结构，其特征在于，管状外护套(10)的内部填充有一芯部构件。

6.如权利要求3或4所述的复合材料结构，其特征在于，端部开口的通道(5)形成于第一梁(3)中，从而第二梁(4)的护套(10)的顶壁(10c)抵靠第一梁(3)的护套(10)的顶壁(10c)的内表面(11)，第二梁(4)的护套(10)的底壁(10b)抵靠第一梁(3)的护套(10)的底壁(10b)的内表面(12)。

7.如权利要求3或4所述的复合材料结构，其特征在于，梁的外护套(10)和板(2)每个都包括纤维，所述纤维编织成一种结构，该结构内注有基质树脂。

8.如权利要求7所述的复合材料结构，其特征在于，各外护套(10)的编织结构中的纤维被布置成使得护套的底壁(10b)上的纵向抗拉强度高达500MN/m²，横向抗拉强度高达或大于150MN/m²。

9.如权利要求7所述的复合材料结构，其特征在于，梁(3、4)的至少一个中的纤维中的一些被合并到板(2)的下侧面(2b)的编织纤维结构中并成为其一部分。

10.如上述权利要求1-4中的任何一个所述所述的复合材料结构，其特征在于，该复合材料结构包括一个或更多个通气孔。

11.一种用于制造复合材料结构的方法，包括如下步骤：

(a)形成一具有上侧面(2a)和下侧面(2b)的板(2)；

(b)形成至少第一梁(3)和第二梁(4)，各梁具有若干表面，所述若干表面包括至少一上表面(3c、4c)、一下表面(3b、4b)和一对隔开的侧表面(3a、4a)，所述侧表面(3a、4a)位于上表面(3c、4c)和下表面(3b、4b)之间并与之连接；

(c)在第一梁(3)中形成端部开口的通道(5)，其在第一梁(3)的侧表面(3a)之间延伸；以及

(d)将各梁(3、4)在上表面(3c、4c)处固定到板(2)的下侧面(2b)，从而第二梁(4)穿过第一梁(3)中的端部开口的通道(5)。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法还包括确定通道(5)和第二梁(4)的大小及形状使得第二梁(4)的上表面(4c)和底表面(4b)抵靠限定通道(5)的相应表面的步骤。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，该方法还包括形成每一个梁(3、4)使得梁(3、4)包括一由复合材料制成的管状外护套(10)的步骤。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该方法还包括用一芯部构件填充护套(10)内部的步骤。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该方法还包括用泡沫塑料填充护套(10)内部的步骤。

16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该方法还包括如下步骤，在该步骤中形成管状外护套(10)，使得复合材料包括纤维，所述纤维被编织从而在护套的底壁上获得高达500MN/m²的纵向抗拉强度、高达或大于150MN/m²的横向抗拉强度。

17.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，该方法还包括将梁(3、4)中的至少一个的纤维中的一些被合并到板(2)的下侧面(2b)的纤维结构中并成为其一部分，以增加梁(3、4)与板(2)之间的连接强度。

18.如权利要求13所述的方法，其特征在于，包括如下的步骤，在该步骤中通过在第一梁(3)的外护套(10)的各侧壁(10a)中形成一开口，并在外护套(10)内的芯部构件中形成一通道从而提供端部开口的通道(5)。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，该方法还包括将装配好的板(2)和梁(3、4)放在一模子中，以及将基质树脂注入模子内以填充纤维间的空隙。

20.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，该方法还包括在由编织纤维制成的复合材料结构中形成通气孔(40)的步骤。

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