CN101418627B - 超轻质全复合材料桁架及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种超轻质全复合材料桁架及其制备方法，它包括三根以上轴向复合材料杆以及若干组环向肋条和螺旋向交叉形肋条，所述三根以上轴向复合材料杆平行布置，所述环形肋条呈正多边形并绕设于轴向复合材料杆的外侧；若干组环形肋条呈等间距平行布置，所述螺旋向交叉形肋条布置于相邻两组环形肋条之间，与环向肋条一起形成网状结构单元，其制备方法依次通过固定芯模、缠绕芯模、绑束、加热、固化、脱模后形成超轻质全复合材料桁架。本发明是一种结构简单紧凑、重量轻、力学性能优异、成本低廉，且加工简单、效率高的超轻质全复合材料桁架及其制备方法。

Description

超轻质全复合材料桁架及其制备方法

技术领域

本发明主要涉及到工程结构中的桁架领域，特指一种超轻质全复合材料桁架及其制备方法。

背景技术

现代工程结构设计提出了大结构尺度和结构超轻型化问题。超轻质结构件的低成本制造技术是实现各种大规模复杂工程任务的基础，尤其是在对重量要求十分苛刻的航空航天领域。轻质高强的纤维增强聚合物基复合材料桁架结构已经越来越多的应用于建筑及航空航天领域。利用复合材料管或杆制造出的桁架结构与传统的金属桁架结构相比，在满足强度及刚度的前提下，至少能实现减重20％的目标，同时还具有良好的抗疲劳、抗腐蚀性的特点。目前国外的卫星以及国际空间站广泛采用这种结构。与传统结构形式的复合材料相比，利用复合材料制成桁架结构不仅能大幅度减重，更能充分发挥复合材料优异的单向力学性能，大大提高材料的利用率。

通常桁架式结构的主体由桁架杆件和桁架接头连接而成，主要依靠将作用力协调分布在各杆件上来减轻构件的重量，杆件主要承受轴向力的作用，通过接头节点可实现对力的合理分配。通过优化设计，这类结构可设计成具有拉伸主导型细观应力状态的结构：即当结构承受弯曲或剪切载荷时，桁架杆处于拉/压状态而不产生弯曲变形；可获得相同载荷下的最小重量指数；化塑性绞式破坏为扩散式的整体破坏。但这种结构的复合材料桁架接头多，加工制造困难，达不到理想的设计要求，并且接头相对薄弱，限制了桁架中杆件承载能力的发挥。从结构强度、重量、可靠性和使用维护角度看，理想的桁架结构设计要求尽量减少连接接头，甚至不用接头，即实现全复合材料的一体化桁架结构。

一种全复合材料桁架结构具有在一维长度方向上周期性出现相同胞元结构的特征，属于轻质高强的管柱状梁式一维点阵结构，如国外的等代桁架(iso-truss)。这类结构尺寸较大，且构型复杂，目前主要采用手工加机械辅助的方法制造。从已发表的相关工作来看，这类复合材料结构及其制备工艺存在诸多不足，如桁架肋条所包围形成的内部空间不规则，不能通过套接等连接方式实现可伸缩的机构；对构成桁架肋条的纤维束进行致密化处理时，采用加热后能收缩的胶带进行绑束，但这种胶带由高分子材料制备，加热后的收缩力有限，纤维束固化后致密化程度不高，因此桁架肋条的承载能力有限，难以实现超轻质化；纤维束固化后需花费大量时间和人力将绑束胶带从固化后的纤维束(肋条)上去除，增加制备成本；成型工装复杂，成型工序繁琐，且一套成型工装只适用于制备一种结构尺寸的桁架结构，造成制造成本偏高。

发明内容

本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种结构简单紧凑、重量轻、力学性能优异、成本低廉，且加工简单、效率高的超轻质全复合材料桁架及其制备方法。

为解决上述问题，本发明提出的解决方案为：一种超轻质全复合材料桁架，其特征在于：它包括三根以上轴向复合材料杆以及若干组环向肋条和螺旋向交叉形肋条，所述三根以上轴向复合材料杆平行布置，所述环形肋条呈正多边形并绕设于轴向复合材料杆的外侧，若干组环形肋条呈等间距平行布置，所述螺旋向交叉形肋条布置于相邻两组环形肋条之间。为便于说明，本发明将沿桁架长度方向的复合材料支撑杆称为轴向复合材料杆，将垂直于桁架长度方向的肋条称为环向肋条，将相邻环向肋条之间相互交叉的肋条称为螺旋向交叉形肋条。

所述三根以上轴向复合材料杆与若干组环向肋条绕设的空间为中空状。

所述环向肋条和螺旋向交叉形肋条由缠绕于轴向复合材料杆上的预浸纤维束通过加热固化一体成型，所述预浸纤维束外周侧、预浸纤维束之间的交叉点处以及预浸纤维束与轴向复合材料杆之间的交汇点处均缠绕有纤维束。所述预浸纤维束和纤维束为玻璃纤维束、或碳纤维束、或凯夫拉纤维束、或碳化硅纤维束、或硼纤维束。

一种超轻质全复合材料桁架的制备方法，其特征在于步骤为：

①、固定芯模：将芯模旋转轴固定于支撑板的中部，将三根以上轴向复合材料杆固定于支撑板的周边；

②、缠绕芯模；通过缠绕机使芯模旋转轴转动，同时使缠绕用纤维束通过盛有聚合物基质的胶槽形成预浸纤维束，然后通过人工引导将预浸纤维束缠绕在轴向复合材料杆上；

③、绑束：用纤维束对缠绕在芯模上的预浸纤维束、预浸纤维束之间的交叉点以及纤维束与轴向复合材料杆之间的交汇点进行绑束；

④、加热、固化：对完成绑束后的缠绕芯模通过加热装置进行加热固化；

⑤、脱模：固化后脱去芯模，形成超轻质桁架。

所述步骤②中，在轴向复合材料杆上的缠绕节点处设有可拆卸的卡槽，预浸纤维束依次缠绕在卡槽内，固化后拆除卡槽。

所述卡槽由粘接于轴向复合材料杆上的两个木块组成。

所述步骤①中所使用的支撑板包括板状本体和用来支撑轴向复合材料杆的三个以上的支撑脚，所述板状本体的中部开设轴孔，芯模旋转轴穿设于轴孔中并通过定位螺栓定位；所述支撑脚固定于板状本体上，支撑脚上开设有滑动槽，支撑脚通过穿设于滑动槽内的锁紧螺栓固定于板状本体上。

所述预浸纤维束和纤维束为玻璃纤维束、或碳纤维束、或凯夫拉纤维束、或碳化硅纤维束、或硼纤维束。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的超轻质复合材料桁架为全复合材料整体构件，肋条的致密化程度高、纤维体积分数大、且有环向纤维增强，承载能力高；

2、本发明的超轻质复合材料桁架具有更大的中空空间，不同截面尺寸的复合材料桁架可以通过套装的方式收纳于一体，便于运输，并可以通过卷扬机构实现桁架轴向伸展与收缩，应用更广，通用性更强；

3、本发明的超轻质复合材料桁架的环向肋条和螺旋向交叉形肋条由预浸纤维束组成，预浸纤维束环向缠绕绑束纤维束，绑束纤维束在桁架固化过程中与肋条固结在一起，对桁架肋条起到环向增强作用，使得肋条的承载能力提高，由此可实现桁架结构的超轻质化；同时，在桁架固化后无需将绑束纤维束从桁架上去除，减少了制备工序，节省了人力，从而降低制备成本；

4、本发明的超轻质复合材料桁架实现了的结构超轻质化，节约了材料用量，从而降低了使用成本；

5、本发明的超轻质复合材料桁架可采用纤维缠绕工艺制备、工装简单，制得的复合材料桁架质量稳定性高，因此其具有产品的合格率较高、制造效率高、适合于大批量生产等优点；

6、本发明的超轻质复合材料桁架制备方法，采用新颖的芯模工装，一套缠绕芯模工装可制备出不同截面尺寸的复合材料桁架，减少了模具工装，从而降低制备成本。

附图说明

图1是本发明具体实施例中正三角形截面桁架的立体结构示意图；

图2是本发明具体实施例中正三角形截面桁架的截面示意图；

图3是本发明具体实施例中正六边形截面绗架的立体结构示意图；

图4是本发明超轻质全复合材料桁架制备方法的流程示意图；

图5是本发明将芯模旋转轴固定于支撑板上的结构示意图；

图6是本发明中支撑板的主视结构示意图；

图7是本发明中支撑板的后视结构示意图；

图8是本发明将轴向复合材料杆固定于支撑板上的结构示意图；

图9是本发明中安装有卡槽的轴向复合材料杆的局部结构示意图；

图10是人工辅助引导纤维束缠绕工艺示意图；

图11-1是预浸纤维束缠绕路径的第一步示意图；

图11-2是预浸纤维束缠绕路径的第二步示意图；

图11-3是预浸纤维束缠绕路径的第三步示意图；

图11-4是预浸纤维束缠绕路径的第四步示意图；

图11-5是预浸纤维束缠绕路径的第五步示意图；

图12是用纤维束绑束预浸渍纤维束的示意图；

图13是用纤维束绑束预浸渍纤维束之间交点以及预浸纤维束与轴向复合材料杆之间的交汇点的示意图；

图14是完成缠绕和绑束后的芯模结构示意图；

图15-1是三个不同截面尺寸的复合材料桁架通过套接方式连接形成伸缩机构呈收拢状态时的示意图；

图15-2是三个不同截面尺寸的复合材料桁架通过套接方式连接形成伸缩机构呈展开状态时的示意图。

图例说明

1-轴向复合材料杆；2-环向肋条；3-螺旋向交叉形肋条；4-预浸纤维束；5-绑束纤维束；6-芯模旋转轴；7-支撑板；701-板状本体；702-轴孔；8-支撑脚；9-定位螺栓；10-滑动槽；11-锁紧螺栓；12-卡槽；13-木块；14-导丝辊；15-胶槽；16-导丝嘴；17-张力；18-外部桁架；19-中间桁架；20-内部桁架。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明的一种超轻质全复合材料桁架，它包括三根以上轴向复合材料杆1以及若干组环向肋条2和螺旋向交叉形肋条3，该三根以上轴向复合材料杆1平行布置，该环形肋条2呈等边多边形并绕设于轴向复合材料杆1的外侧，若干组环形肋条2呈平行布置，该螺旋向交叉形肋条3布置于相邻两组环形肋条2之间。超轻质全复合材料桁架的截面与环形肋条2的形状一致，也为等边多边形。轴向复合材料杆1也可为管状构件为通过拉挤工艺制得的连续纤维增强聚合物基质复合材料杆或管。由复合材料拉挤工艺制得的杆或管件具有优异的力学特性，用其作为桁架的轴向构件能大大提高桁架的整体力学性。三根以上轴向复合材料杆1与若干组环向肋条2绕设的空间为中空状，这样不同截面尺寸大小的桁架可以通过套接的方式实现桁架轴向伸缩，大大提高了其应用范围。本发明中，环向肋条2和螺旋向交叉形肋条3由缠绕于轴向复合材料杆1上的预浸纤维束4通过加热固化一体成型，预浸纤维束4外周侧、预浸纤维束4之间的交叉点处以及预浸纤维束4与轴向复合材料杆1之间的交汇点处均缠绕有绑束纤维束5。预浸纤维束4和绑束纤维束5为玻璃纤维束、或碳纤维束、或凯夫拉纤维束、或碳化硅纤维束、或硼纤维纤维束。

如图4所示，本发明超轻质全复合材料桁架的制备方法，其步骤为：

①、固定芯模：参见图5和图8所示，将芯模旋转轴6固定于支撑板7的中部，将三根以上轴向复合材料杆1固定于支撑板7的周边；其中，参见图6和图7所示，所使用的支撑板7包括板状本体701和用来支撑轴向复合材料杆1的三个以上的支撑脚8，所述板状本体701的中部开设轴孔702，芯模旋转轴6穿设于轴孔702中并通过定位螺栓9定位；所述支撑脚8固定于板状本体701上，支撑脚8上开设有滑动槽10，支撑脚8通过穿设于滑动槽10内的锁紧螺栓11固定于板状本体701上。在较佳实施例中，所使用的支撑板7包括板状本体701和用来支撑轴向复合材料杆1的三个以上的支撑脚8，所述板状本体701的中部开设轴孔702，芯模旋转轴6穿设于轴孔702中并通过定位螺栓9定位；所述支撑脚8固定于板状本体701上，支撑脚8上开设有滑动槽10，支撑脚8通过穿设于滑动槽10内的锁紧螺栓11固定于板状本体701上。

芯模旋转轴6为金属等材质的管或杆，要求具有足够的刚度保证在两端固定时无明显下垂。通过定位螺栓9可以调整芯模旋转轴6与轴孔702之间的间距并进行定位，脱模时，通过松开定位螺栓9可以进行快速脱模。支撑脚8可以通过锁紧螺栓11和滑动槽10的配合在支撑板7上运动，调整好距离后通过锁紧螺栓11锁定，从而满足不同截面尺寸桁架的要求。轴向复合材料杆1通过支撑脚8支撑。

②、缠绕芯模：如图10以及图11-1至图11-6所示，通过缠绕机使芯模旋转轴转动，同时使缠绕用纤维束通过盛有聚合物基质的胶槽形成预浸纤维束4，然后通过人工引导将预浸纤维束4缠绕在轴向复合材料杆1上；步骤②中，在轴向复合材料杆1上的缠绕节点处设有可拆卸的卡槽12，保证缠绕过程中预浸渍纤维束4在轴向复合材料杆1上不会滑动，然后预浸纤维束依次缠绕在卡槽12内，固化后拆除卡槽12。本实例中采用粘接剂将磨有圆角的小木块13粘接在缠绕落点两侧以形成卡槽12，待固化后再将木块13去除(参见图9所示)。支撑板7的支撑脚8应在轴向复合材料杆1上的位置应与缠绕时预浸纤维束4的落点保持一定距离以保证固化后芯模能顺利脱下。预浸纤维束4为玻璃纤维束、或碳纤维束、或凯夫拉纤维束、或芳纶纤维束、或碳化硅纤维束、或硼纤维束。在具体实施例中，将芯模两端固定在缠绕机两夹持端，由缠绕机带动芯模旋转轴6转动，将缠绕用纤维束依次通过导丝辊14、胶槽15和导丝嘴16，最后固定在芯模旋转轴6上。随着芯模的转动，通过手工引导的方式使预浸聚合物基质的预浸纤维束4缠绕在芯模上的卡槽12内。该聚合物基质为环氧树脂、或乙烯基酯、或聚酯等热固性基质，与之配合使用的固化剂应保证聚合物基质在室温环境中能放置24小时以上而不发生凝胶等变化，以提供足够的时间对预浸纤维束及缠绕节点用绑束纤维束进行手工绑束。绑束过程中绑束纤维束将被从预浸纤维束中挤出的聚合物基质浸润，最终与桁架肋条固结形成整体。为制得高性能的复合材料桁架，缠绕过程中，应使预浸纤维束始终保持一定的张力。纤维束的缠绕路径如图11-1至11-6所示，其中图11-1至11-3为基本缠绕路径，图11-4、11-5、11-6为从不同的起点开始重复图11-1至11-3的过程。图11-1至11-6的缠绕过程称为一个缠绕周期，根据桁架肋条直径的不同，一般缠绕过程由若干个缠绕周期构成。如采用多根纤维束同时缠绕，则相应地减少缠绕周期。人工引导纤维束缠绕工艺为连续、一次性整体成型工艺，采用该工艺成型本发明超轻质全复合材料桁架，能有效提高桁架整体的力学性能及产品质量的稳定性。

③、绑束：用绑束纤维束5对缠绕在芯模上的预浸纤维束4、预浸纤维束4之间的交叉点以及预浸纤维束4与轴向复合材料杆1之间的交汇点进行绑束；绑束纤维束5为玻璃纤维束、或碳纤维束、或凯夫拉纤维束、或芳纶纤维束、或碳化硅纤维束、或硼纤维束。参见图12和图13，绑束时采用手工螺旋向绑束的方式，同时应保证绑束过程中对绑束纤维束5施加较大的张力17，以提高环向肋条和螺旋向交叉形肋条的致密化程度。绑束过程中，绑束纤维束5被挤出的聚合物基质浸润。加热固化后，绑束纤维束5与桁架螺旋向肋条、纤维束交汇点及缠绕节点固结形成整体，对桁架螺旋向肋条起到了环向增强的作用。采用高强度纤维束进行绑束，能有效提高桁架肋条纤维束的致密化程度及纤维体积含量，同时还能有效提高肋条及其桁架整体的承载能力。

④、加热、固化：对完成绑束后的芯模通过加热装置进行加热固化；

⑤、脱模：脱去固化后的芯模，形成超轻质桁架。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。比如图15-1为本发明不同截面尺寸的桁架可套装收纳于一体，其由外部桁架18、中间桁架19和内部桁架20组成，便于堆码和运输；实际使用时，可通过伸缩机构实现收拢和展开，或采用机械连接的方法，将单个桁架两两相互连接，形成更长或跨度更大的桁架结构。图15-2所示为一组桁架的展开状态。这种可伸缩桁架和大跨度桁架在航空航天领域和民用工程领域具有更广泛的应用前景。

Claims (9)

1.一种超轻质全复合材料桁架，其特征在于：它包括三根以上轴向复合材料杆(1)以及若干组环向肋条(2)和螺旋向交叉形肋条(3)，所述三根以上轴向复合材料杆(1)平行布置，所述环形肋条(2)呈正多边形并绕设于轴向复合材料杆(1)的外侧，若干组环形肋条(2)呈等间距平行布置，所述螺旋向交叉形肋条(3)布置于相邻两组环形肋条(2)之间；所述环向肋条(2)和螺旋向交叉形肋条(3)由缠绕于轴向复合材料杆(1)上的预浸纤维束(4)通过加热固化一体成型，所述预浸纤维束(4)外周侧、预浸纤维束(4)之间的交叉点处以及预浸纤维束(4)与轴向复合材料杆(1)之间的交汇点处均缠绕有绑束纤维束(5)。

2.根据权利要求1所述的超轻质全复合材料桁架，其特征在于：所述三根以上轴向复合材料杆(1)与若干组环向肋条(2)绕设的空间为中空状。

3.根据权利要求1或2所述的超轻质全复合材料桁架，其特征在于：所述预浸纤维束(4)和绑束纤维束(5)为玻璃纤维束、或碳纤维束、或凯夫拉纤维束、或碳化硅纤维束、或硼纤维束。

4.一种超轻质全复合材料桁架的制备方法，其特征在于步骤为：

①、固定芯模：将芯模旋转轴(6)固定于支撑板(7)的中部，将三根以上轴向复合材料杆(1)固定于支撑板(7)的周边；

②、缠绕芯模；通过缠绕机使芯模旋转轴(6)转动，同时使缠绕用纤维束通过盛有聚合物基质的胶槽形成预浸纤维束(4)，然后通过人工引导将预浸纤维束(4)缠绕在轴向复合材料杆(1)上；

③、绑束：用绑束纤维束(5)对缠绕在芯模上的预浸纤维束(4)、预浸纤维束(4)之间的交叉点以及预浸纤维束(4)与轴向复合材料杆(1)之间的交汇点进行绑束；

④、加热、固化：对完成绑束后的缠绕芯模通过加热装置进行加热固化；

⑤、脱模：固化后脱去芯模，形成超轻质桁架。

5.根据权利要求4所述的超轻质全复合材料桁架的制备方法，其特征在于：所述步骤①中所使用的支撑板(7)包括板状本体(701)和用来支撑轴向复合材料杆(1)的三个以上的支撑脚(8)，所述板状本体(701)的中部开设轴孔(702)，芯模旋转轴(6)穿设于轴孔(702)中并通过定位螺栓(9)定位；所述支撑脚(8)固定于板状本体(701)上，支撑脚(8)上开设有滑动槽(10)，支撑脚(8)通过穿设于滑动槽(10)内的锁紧螺栓(11)固定于板状本体(701)上。

6.根据权利要求4所述的超轻质全复合材料桁架的制备方法，其特征在于：所述步骤②中，在轴向复合材料杆(1)上的缠绕节点处设有可拆卸的卡槽(12)，预浸纤维束(4)依次缠绕在卡槽(12)内，固化后拆除卡槽(12)。

7.根据权利要求6所述的超轻质全复合材料桁架的制备方法，其特征在于：所述卡槽(12)由粘接于轴向复合材料杆(1)上的两个木块(13)组成。

8.根据权利要求4或6所述的超轻质全复合材料桁架的制备方法，其特征在于：所述预浸纤维束(4)为玻璃纤维束、或碳纤维束、或凯夫拉纤维束、或碳化硅纤维束、或硼纤维束。

9.根据权利要求4所述的超轻质全复合材料桁架的制备方法，其特征在于：所述步骤③中，所述绑束纤维束(5)为玻璃纤维束、或碳纤维束、或凯夫拉纤维束、或碳化硅纤维束、或硼纤维束。

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