CN103085363B - 杆件与面板新型连接的复合材料点阵结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杆件与面板新型连接的复合材料点阵结构及其制备方法。本发明的复合材料点阵结构包括：上面板、下面板、压杆及拉丝；其中，上面板和下面板为内表面相对的两面板；在上和下面板的内表面的相对应的位置设置有压杆槽，压杆的两端分别插入上和下面板的相对应的压杆槽中支撑上和下面板；上和下面板还设置有打通面板的拉丝孔，拉丝从拉丝孔编织穿过面板，将相对的上和下两面板牵拉固定。本发明基于传统的复合材料点阵结构的杆件与面板的连接方式，提出了一种新型的连接方式，拉丝与压杆竖向分力在面板结点上实现了自平衡，增强了结点的承载力，提高了整个点阵结构的力学性能，可应用在具有复合材料点阵结构的航空航天和航海舰艇中。

Description

杆件与面板新型连接的复合材料点阵结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术，尤其涉及一种杆件与面板新型连接的复合材料点阵结构及其制备方法。

背景技术

复合材料点阵结构因其轻质、高强、耐腐蚀且抗震优良而被广泛应用在航空航天和航海舰艇领域。由于单层面板结构承力不够，因此发展出上面板和下面板的双层面板结构，这就需要解决双层面板之间的结点连接方式问题。目前，人们对复合材料点阵结构进行了很多研究，提出了一些新型结点连接方式。清华大学范华林等人采用纤维穿插编制工艺制备了碳纤维复合材料点阵夹芯结构，结点连接方式是机械连接，该制备工艺制成的杆件易发生弯曲，版面有初始损伤，不能进行大尺寸结构的制备。弗吉尼亚大学Wadley课题组采用杆件组装工艺制备出金字塔复合材料点阵结构，结点连接方式是嵌锁连接，该制备工艺制成的结点易发生脱胶破坏，面板易发生分层破坏。哈尔滨工业大学吴林志课题组采用一次、二次和树脂传递模塑成型（Resin Transfer Molding）RTM技术制备出金字塔符合材料点阵结构，结点连接方式是胶接和整体成型连接，一次、二次成型工艺制备成的芯子与上和下面板的连接相对薄弱，RTM工艺制成的结点因面芯接触面积小而易发生断裂，杆件易发生屈曲开裂。因此，现有的复合材料点阵结构因结点强度不足而发生破坏，且制备工艺复杂，限制了复合材料点阵结构的广泛应用和发展。

发明内容

为了解决现有的结点连接方式的承载力不足且制备工艺复杂的缺点，本发明提供一种采用新的杆件与面板的连接方式的复合材料点阵结构。

本发明的一个目的在于提供一种杆件与面板新型连接的复合材料点阵结构。

本发明的复合材料点阵结构包括：上面板、下面板、压杆及拉丝；其中，上面板和下面板为内表面相对的两面板；在上和下面板的内表面的相对应的位置设置有压杆槽，压杆的两端分别插入上和下面板的相对应的压杆槽中支撑上和下面板；上和下面板还设置有打通面板的拉丝孔，拉丝从拉丝孔编织穿过面板，将相对的上和下两面板牵拉固定。

本发明的上面板和下面板分别包括依次紧密粘结的蒙皮板、加厚板和模具板，两面板的模具板相对。模具板作为图画纸，用以标记压杆槽的位置；加厚板增加面板的强度；蒙皮板用以顶住压杆。面板为三层粘结而成的层合板，结构更加稳定，承载力高。

本发明的接头包括压杆和拉丝。打通面板的模具板和加厚板至蒙皮板的内表面，形成压杆槽，压杆插入压杆槽支撑上和下面板，上和下面板的蒙皮板分别顶住压杆的两端，从而支撑上和下面板，抵抗复合材料点阵结构所受到的压力的作用。压杆通过压杆槽嵌入面板中，灌胶固定，所以压杆的强度很大。压杆与蒙皮板接触的端面按照角度切割到相应角度，以使压杆与蒙皮板正好贴合。为了防止压杆在受力情况下顶坏蒙皮板，可以在蒙皮板与加厚板之间铺设一层玻璃纤维，以提高局部抗剪能力。

本发明的面板上设置有打通面板的拉丝孔，拉丝从一个面板的拉丝孔穿出面板，经蒙皮板的外表面穿绕至相邻的拉丝孔穿入面板，并牵拉至相对的面板，再从此面板的拉丝孔穿出面板，如此往复编织，将相对的上和下面板牵拉固定，抵抗复合材料点阵结构所受到的拉力的作用。拉丝孔内填满胶体，高温固化。拉丝是机械接头，拉丝承力的强度很大。根据受力的大小和性质选取合适的压杆和拉丝，发挥了压杆与拉丝的力学性能，并且在结点处实现自平衡，结构受力更加合理。

进一步，本发明的面板设置有铆钉，铆钉贯穿面板，从而加强层间强度，抗剥离能力更强。

进一步，在每个压杆槽的两端分别设置有拉丝孔，压杆槽的中心位于拉丝孔的中心连线上。拉丝从一个面板的压杆槽一端的拉丝孔穿出面板，经蒙皮板的外表面穿绕至压杆槽另一端的拉丝孔穿入面板，从而拉丝将压杆兜住，进一步加强复合材料点阵结构抵抗外力的作用。

复合材料点阵结构一般作为横向承弯结构使用，结构在受弯作用下，点阵结构类似空间桁架结构，上和下面板分别承受压力和拉力作用，共同形成抵抗弯矩，以平衡外荷载形成的截面弯矩，本发明的点阵结构以压杆和拉丝的形式分别承受外荷载引起的剪力。在结点处，拉力和压力分别作用在面板的内和外表面，面板受到的垂直于纤维走向的径向压力作用，这将提高面板平行于纤维走向的抗压强度，面板不容易发生分层破坏，而结点处基本没有形成附加弯矩，压杆与面板交界处不会形成附加剥离力，在结点处实现了自平衡，结点稳定。

本发明的另一个目的在于提供一种复合材料点阵结构的制备方法。

本发明的一种复合材料点阵结构的制备方法包括以下步骤：

1）制备面板：分别在上和下面板的内表面打压杆槽，并在外表面钻拉丝孔但不穿透；

2）制备压杆并安装及固化：根据设计要求确定每根压杆的受力大小，根据压杆受力大小选取符合要求的压杆，按照设计将压杆分别插入上和下面板的压杆槽中，然后灌胶固化；

3）制备拉丝孔：待上和下面板完全固化结束后，将之前在外表面上钻好的拉丝孔用手电转重新打穿，并进行打磨；

4）制作拉丝：按照拉丝的受力大小制备不同材料比配及直径的拉丝；

5）穿绕拉丝：将拉丝从一个面板的拉丝孔穿出面板，经外表面穿绕至相邻的拉丝孔穿入面板，并牵拉至相对的面板，再从此面板的拉丝孔穿出面板，如此往复编织，穿拉完毕后，将拉丝孔灌胶固定。

本发明基于传统的复合材料点阵结构的杆件与面板的连接方式，提出了一种新型的连接方式，拉丝与压杆竖向分力在面板结点上实现了自平衡，改变了传统连接方式均通过面板层间的抗剥离能力承受杆件竖向分力的传力方式，增强了结点的承载力，提高了整个点阵结构的力学性能。本发明可以应用在具有复合材料点阵结构的航空航天和航海舰艇中。

本发明的优点：

1）接头由压杆和拉丝两部分组成，压杆是插入到模具板和加强板中，由蒙皮板抵住，并在压杆槽中灌胶整体固化，所以压杆的接头强度很大；另外拉丝由纤维编织成型通过拉丝孔穿过面板，整个压杆成一个整体，整体性好，并且在拉丝孔中灌胶整体固化；由于拉丝接头是机械接头，拉丝的接头强度很大；综合压杆拉丝的接头连接方式，复合材料点阵新型接头整体承载力很高；

2）根据设计要求计算各个杆件的受力性质及受力大小，选取合理的杆件类型及、杆件材料比配及管径大小，这样可以充分发挥各类杆件的力学性性能，使结构受力更加合理；

3）结构稳定性好，因拉丝是整体编织成型，各个压杆连为一体整体固定复合材料结构，其整体稳定性较好，且不会出现压杆与蒙皮脱离的现象；

4）面板抗剥离能力较强，拉丝编织穿过面板，并且面板上用铆钉打穿，面板间抗剥离能力较强。

附图说明

图1为本发明的复合材料点阵的压杆和拉丝与面板连接的示意图；

图2为本发明的复合材料点阵的结点处的局部放大的正视图；

图3为本发明的复合材料点阵的结点处的局部放大的俯视图；

图4为图3中沿A-A’线的剖视图；

图5为压杆的顶端切掉尖角的示意图；

图6为本发明的复合材料点阵结构的整体结构的正视图；

图7为本发明的复合材料点阵结构的整体结构的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图，并通过实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明的复合材料点阵结构包括：上面板、下面板、压杆1、拉丝2及铆钉6；其中，上面板和下面板为内表面相对的两面板；在上和下面板的内表面的相对应的位置设置有压杆槽，压杆的两端分别插入上和下面板的相对应的压杆槽中支撑上和下面板；上和下面板还设置有打通面板的拉丝孔，拉丝从拉丝孔编织穿过面板，将相对的上和下两面板牵拉固定。上面板和下面板分别包括依次紧密粘结的蒙皮板4、加厚板5和模具板3，两面板的模具板相对。

图2为本发明的复合材料点阵的结点处的局部放大的正视图，图3为本发明的复合材料点阵的结点处的局部放大的俯视图，图4为图3中沿A-A’线的剖视图。如图3和图4所示，每个压杆槽8的两端分别设置有拉丝孔7，压杆槽8的中心位于拉丝孔7的中心连线上。拉丝2从一个面板的压杆槽8一端的拉丝孔7穿出面板，经蒙皮板4的外表面穿绕至压杆槽8另一端的拉丝孔7穿入面板，从而拉丝2将压杆1兜住。进一步，在每两根压杆1之间设置一个铆钉6。

图5为压杆的顶端切掉尖角的示意图。

图6为本发明的复合材料点阵结构的整体结构的正视图；图7为本发明的复合材料点阵结构的整体结构的侧视图。

实施例一

本实施例的制备方法包括以下步骤：

1）制备面板：面板由蒙皮板4、加厚板5、模具板3组成，先制备模具板，按照设计尺寸切割模具板，在模具板上根据压杆的间距划线，通过横向与纵向线的交叉点确定压杆位置，利用砂轮机打磨片手工将模具板及加厚板的表面打磨拉毛，用环氧树脂胶将模具板与加厚板粘结，施加一定的压力使模具板与加厚板完全贴合，再使用16mm的钻头在两个模具板的压杆位置打压杆槽；同时在蒙皮板上根据设计要求确定拉丝孔的位置，并用4mm的钻头在蒙皮板上打孔；再将下蒙皮板与安装好的模具板组装，并用夹子夹紧，夹紧后用铆钉枪在面板上打铆钉6，使面板成为整体；

2）制备压杆并安装及固化：

制备安装压杆：根据设计要求确定每根压杆的受力大小，根据压杆受力大小选取符合要求的压杆，

压力较大的压杆采用抗压强度较高的碳玻纤维混杂复合材料拉挤杆，碳纤维与玻璃纤维含量均为50%，管径10mm，其他受压力较大的压杆采用实心玻璃纤维拉挤杆管径10mm；受力较小的压杆采用重量更轻、内部填充泡沫材料的碳管，管径8mm、管壁厚1mm，

将每根压杆按照角度切割到相应角度以使压杆的端面与蒙皮板正好贴合，并利用砂轮机将压杆的顶端尖角磨平，以防止压杆的前端尖角顶住蒙皮板导致翘起，为了方便固化时加配重，杆件上端预留5mm，根据压杆的编号放好压杆；

固化：组装完毕后在压杆槽内填满环氧树脂胶，灌胶操作完毕后将压杆前端用沙袋压住，以防止压杆在胶体固化过程中上浮，放入烘箱固化，待固化结束后将上端预留的5mm长度切掉，切掉后用刻刀将上端压杆尖角磨平；用同样的方法固化另一面；

3）制备拉丝孔：待上和下面板完全固化结束后，将之前在蒙皮板上钻好的拉丝孔用手电转重新打穿，这次打穿根据拉丝直径大小打5mm和4mm的拉丝孔，5mm的拉丝孔拉丝采用10根碳丝+25根凯夫拉或者10根碳丝+20根凯夫拉，4mm拉丝孔拉丝采用5根碳丝+15根凯夫拉，用电动小砂转对拉丝孔进行打磨以防止拉丝孔四周尖锐部分剪切拉丝，电动小砂砖打磨完成后再使用砂纸进行手工打磨，打磨至用手触摸感觉不出明显锐角为止，拉丝孔制作完成；

4）制作拉丝：根据拉丝的受力大小制备不同材料比配及直径的拉丝，将拉丝拉直放置于一个长平台上，将拉丝摊开，采用亮面上胶的方式，用小刷子给拉丝涂刷环氧树脂胶，将拉丝完全浸胶，充分打捻；

5）穿绕拉丝：采用手工的方式进行穿拉丝，每根压杆槽的两端各设置有一个拉丝孔，将拉丝从一个面板的拉丝孔穿出面板，经外表面穿绕至相邻的拉丝孔，从此拉丝孔穿入面板，并牵拉至相对的面板，再从此面板的拉丝孔穿出面板，如此往复纵横编织，直至用拉丝将所有的压杆兜住为止，拉丝穿绕完毕，穿拉丝时要崩紧，同时要保证能兜住压杆，以免造成不良结果，穿拉完毕后在拉丝孔的空隙中填满碳粒+环氧树脂的混合物，放入烘箱中整体固化成型。

实施例二

本实施例在步骤1）中，在蒙皮板与加厚板贴合前，在蒙皮板与加厚板之间贴一块与蒙皮板的尺寸相同的玻璃纤维，以防止压杆压碎蒙皮板，其他步骤与实施例一相同。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种复合材料点阵结构，其特征在于，所述复合材料点阵结构包括：复合材料点阵结构包括：上面板、下面板、压杆（1）及拉丝（2）；其中，所述上面板和下面板为内表面相对的两面板；在上和下面板的内表面的相对应的位置设置有压杆槽（8），所述压杆（1）的两端分别插入上和下面板的相对应的压杆槽（8）中支撑上和下面板；所述上和下面板还设置有打通面板的拉丝孔（7），拉丝（2）从拉丝孔（7）编织穿过面板，将相对的上和下两面板牵拉固定。

2.如权利要求1所述的复合材料点阵结构，其特征在于，所述上面板和下面板分别包括依次紧密粘结的蒙皮板（4）、加厚板（5）和模具板（3），两面板的模具板（3）相对。

3.如权利要求2所述的复合材料点阵结构，其特征在于，打通面板的模具板（3）和加厚板（5）至蒙皮板（4）的内表面，形成压杆槽（8）；所述压杆（1）通过压杆槽（8）嵌入面板中，灌胶固定。

4.如权利要求1所述的复合材料点阵结构，其特征在于，所述拉丝孔（7）内填满胶体，高温固化。

5.如权利要求1所述的复合材料点阵结构，其特征在于，所述面板设置有铆钉（6），铆钉（6）贯穿面板。

6.如权利要求1所述的复合材料点阵结构，其特征在于，每个所述压杆槽（8）的两端分别设置有拉丝孔（7），压杆槽（8）的中心位于拉丝孔（7）的中心连线上。

7.如权利要求1所述的复合材料点阵结构，其特征在于，在所述蒙皮板（4）与加厚板之间铺设一层玻璃纤维。

8.如权利要求3所述的复合材料点阵结构，其特征在于，所述压杆（1）与蒙皮板（4）接触的端面按照角度切割到相应角度，以使压杆（1）与蒙皮板（4）正好贴合。

9.一种复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

1）制备面板：分别在上和下面板的内表面打压杆槽，并在外表面钻拉丝孔但不穿透；

2）制备压杆并安装及固化：根据设计要求确定每根压杆的受力大小，根据压杆受力大小选取符合要求的压杆，按照设计将压杆分别插入上和下面板的压杆槽中，然后灌胶固化；

3）制备拉丝孔：待上和下面板完全固化结束后，将之前在外表面上钻好的拉丝孔用手电转重新打穿，并进行打磨；

4）制作拉丝：按照拉丝的受力大小制备不同材料比配及直径的拉丝；

5）穿绕拉丝：将拉丝从一个面板的拉丝孔穿出面板，经外表面穿绕至相邻的拉丝孔穿入面板，并牵拉至相对的面板，再从此面板的拉丝孔穿出面板，如此往复编织，穿拉完毕后，将拉丝孔灌胶固定。