CN103712049A - 纤维复合材料承载杆/管及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纤维复合材料承载杆件(包括中空的管或筒)及其成型方法。杆件主要功能是能够承载纵向的拉伸或压缩载荷。这种杆件包含纤维复合材料杆体和端部的金属接头。其特征在于，杆件本体是纤维积层复合材料，依靠端部纵向积层纤维层间的环向纤维填充物，实现纵向纤维在端部的离轴发散并形成锥体轮廓，依靠锥体轮廓和金属接头形成锥面约束的衔接配合。这种积层复合材料杆杆件可以采用A湿法缠绕、B预浸布绕包、C干法绕包真空导注树脂三种工艺来实现。这种杆件在复合材料桁架制造和众多需要轻质高强复合材料杆件连接的领域应用，例如风力发电机设备领域的叶片、塔筒等，汽车领域，以及航空航天领域。

Description

纤维复合材料承载杆/管及其成型方法

所属技术领域：

本发明涉及一种纤维复合材料承载杆件(或管件、筒体)。杆件主要功能是能够承载纵向的拉伸或压缩载荷，当然也包括比如筒形构件承载弯曲载荷时导致的筒体壁面一侧承受拉伸应力一侧承受压缩应力的受力状态。这种杆件包含纤维复合材料杆体和端部的金属接头两部分。这种杆件在复合材料桁架制造和众多需要轻质高强复合材料杆件连接的领域应用，例如风力发电机设备的叶片、塔架，汽车领域，油田塔架，以及航空航天领域。

本发明属于纤维复合材料应用技术领域。

背景技术：

在众多的杆件连接应用中，通常，钢结构通过焊接或螺栓连接可以很好的解决问题，于是各种型钢材获得普遍的应用。纤维复合材料天生轻质高强，耐腐蚀、抗疲劳、可设计性强等，还可以通过拉挤技术制成各种型材。但是由于在纤维复合材料杆体端部位置，要实现纤维断点的等强度变换并不简单，这需要相应的结构形式和补强技术来实现，这需要有个可靠的过渡接头结构方案，把杆体纤维的承载力能够很好地传递过渡到接头上，再由接头传递给连接结合部位。各向同性的金属材料是最合适的接头材料，但是仍然需要一种可行的结构来实现力的传递。

复合材料杆体通常是柱面的轮廓，它和金属接头之间如果依靠柱面胶接，界面的结合力非常有限，因为结构胶的剪切强度相对于金属来说非常低。对于截面实体较大的杆件，而粘接面有限的情况就更加不能使用胶接方案连接了，所以，简单的胶接结构只能适用于有限的应用场合。

如何避免或转换杆体端部受力时发生的沿树脂层面(或结构胶粘接层面)的剪切破坏，就成为本发明的主题。

这还需要从材料的细观结构分析入手，假设杆体受到轴向拉伸作用力，假设杆体的纵向纤维在杆端是离轴发散开来，无论是截面轮廓膨胀还是收缩，都可以改变杆体和金属接头的结合面的柱面形状成为一种锥面形状，假设纤维复合材料杆体断面是不变形的刚体，金属接头也是不变形的刚体，那么，杆体要突破锥面几何约束就不可能。这就是锥面约束化解杆体胶接面剪切破坏、或纤维层间树脂剪切破坏的原理。

以上从材料力学和材料结构出发，我们获知了这种结构的有效性。然而，要实现杆体纵向纤维在杆体端部的离轴发散，就会涉及到各种各样的方法。这就是本发明要实现的用不同的工艺方法来实现这种锥体连接结构。

复合材料杆体成型，和杆端锥体的实现，以及接头的锥体配合连接，三者是浑然一体的一次性过程，本发明的创造性就体现在这里。

发明内容：

本发明的目的是实现一种纤维复合材料杆体的端部锥面连接结构，能够等强度地承受和传递杆体的载荷。并指出完成这种杆件的工艺方法。

既然杆体的主要功能是承载纵向的拉伸或压缩载荷，那么，对于纤维复合材料杆体，肯定纤维的主体分布形式是纤维方向沿杆体的纵向施加的方式。也就意味着纤维无纬带或无纬布将是成型杆体的主要材料。

纤维是几何中的线，由线(单股纱)集合变成面(无纬布带)，由面(无纬布带)积层变成体(杆、或管、或筒)，这就是本发明中涉及的杆体制造思想。

要把这种无纬带铺敷在杆体上，形成纤维的积层，最终形成需要尺寸的杆体，所以，杆体成型必需要有一个初始的载体或芯模。载体可以是塑料、泡沫材料、木材、钢材、甚至气囊等形成的假体。

承载杆杆体当然可以是实心的，也可以是中空的，对于中空结构的杆件，细长的称管，短粗的称筒(甚至锥体的筒)。在本专利中，姑且我们都称作杆。承载杆可以具有各种形状的截面轮廓，比如实心或中空的多棱柱形，圆形，椭圆形，气动翼型等。对于可能承受压缩应力的承载杆杆体，其实，中部截面变大的纺锤体更具有稳定性。

在把这种无纬带铺敷在杆体上形成杆体纤维积层的同时，在杆体端部，在一定厚度的积层之间，可以引入层间间隔物，最简单最实用的材料莫过于本体无纬带了，通常，用这种无纬带环向绕包施工最简单易行，环向纤维还可以直接提供端截面径向的刚度，减小环向变形，提高约束的强度，一举两得。

当然，杆端纤维的离轴发散可以向内也可以向外发散，均可形成复合材料锥面轮廓。不同的锥面连接适合不同的应用场合，同时适用不同的工艺方法。自然，锥面连接的形式，相对于杆体外轮廓面来划分，可以是杆内锥面、杆外锥面、或者两者都有三种方式。

另外，单就金属接头而言，可能是预埋放置的，或者是在杆体成型后装配上去的，所以，金属接头可以是多变的结构形式，比如沿轴线分瓣，有端封盖，分块之间螺栓连接或者焊接。等等。

下面结合附图说明本发明阐述的承载杆的结构实施例和实施工艺。

图1是外锥面衔接结构的承载杆；

图2是内锥面衔接结构的承载杆

图3是内外双锥面衔接结构的承载杆

图1中，1-杆体，2-接头，3-锥面衔接，4-纵向纤维层，5-环向纤维层，6-端封板。

图2中，1-杆体，2-接头，3-锥面衔接，4-纵向纤维层，5-环向纤维层。

图3中，1-杆体，2-接头，3-锥面衔接，4-纵向纤维层，5-环向纤维层，6-端封板。

图中示意的都是中空圆杆端部的轴截面结构剖视图。图中仅示意画出对称中心的一半。

从图中可以看出，杆件本体是纵向纤维形成的积层结构，杆体1的增强纤维沿杆件纵向分布，并且沿杆件截面的径向呈环形的层状分布，从内向外逐层积层；于杆体中间段，层间可以没有间隔物，但是位于杆体端部的接头段，纵向纤维积层的层间必须有间隔物，使得纵向纤维层离轴发散成锥面轮廓，形成连接锥面；接头2必须有适配的锥形的结合面，杆体1和接头2之间形成锥面衔接3。

三个结构案例的差别在于，图1的衔接锥面在杆体复合材料的外侧，图2的在内侧，图3的为内外两侧双锥面连接。

这三种结构的杆件，都可以采用以下3种工艺方法来制造。

成型工艺1：纤维湿法缠绕法

成型工艺2：预浸布绕包法

成型工艺3：干法绕包真空导注树脂法

首先来讲述纤维湿法缠绕法成型有锥面接头的承载杆。

众所周知，纤维缠绕工艺，可以实现纤维带的积层排布，并且能够最大限度的发挥纤维的强度。缠绕工艺分纵向缠绕(也称螺旋缠绕)和环向缠绕不同方式。本发明涉及的杆体，对应杆件本体段，采用0°角的纵向缠绕可以完成杆体纤维的积层。在端部，如果要求杆件和接头内锥面连接，芯模封头就必须是金属接头本身；如果要求杆件外锥面连接，芯模封头可以是模具本身或其它方式，没有特别限制。对于外锥面衔接连接，自然是缠绕完成后，在树脂固化前，可以直接套装分瓣的金属接头，通过夹紧整形、形成密实的锥面配合连接。

顺便指出，由于纤维缠绕工艺本身的特征就是纵向纤维的连续性，即纤维不可以随机打断，纤维量不可以动态增减，所以实现0°角的纵向缠绕需要辅助挂钉措施，在端部的缠绕纤维拐点处限制纤维的滑落移位。至于端部积层的层间间隔物，在这里，就是施加几个环向缠绕层即可实现。这种环向层还可以轻易地实现沿轴线的锥度形态。当然，复合材料杆体固化后对杆体锥面后加工修饰，再辅助使用结构胶套装金属接头也是行之有效的方法，前提条件是不能破坏锥面几何，不损失纵向纤维。

锥面约束的方向通常是单向的，是在杆件拉伸受力时限制杆体和接头相向位移而发生分离的，那么对于压缩受力时限制杆体和接头相向位移发生分离的约束就特别简单，就是简单地对金属接头封端而已，即，杆体的端面和金属接头的端封板6对接在一起即可。

总结归纳起来就是，单股的纤维纱通过树脂槽浸渍树脂后、并股集束形成纱带，纱带通过纤维缠绕机实现在杆体上的积层排布，这种缠绕方法通常是0°角的纵向缠绕(不追求纵向模量和强度最大化时也可用其它小角度螺旋缠绕)；每缠绕完成一定积层后，于杆体接头位置段，施加适当的环向缠绕，即纤维环向排布，形成杆体端部纵向积层的层间间隔，并实现纵向纤维层的几何锥面；锥面衔接3的结构形态，视金属接头的锥面结构的不同而最终呈现不同的锥面配合连接形式；纤维增强树脂杆体1和金属接头2固化在一起，获得完整的杆件。

接下来讲述预浸布绕包法成型有锥面接头的承载杆。

这种方法，和手糊成型本质上是一个工艺，故本专利没有单独提及手糊工艺。在复合材料生产行业，为适应批量规模的生产，改善手糊作业环境，发展了预浸布成型工艺，即先把纤维布(或无纬带)在预浸生产线上制成半固化的状态，方便手工铺层时使用。铺层时，把预浸的无纬带按照杆体长度定长剪裁，一条条的贴敷在杆体上，无纬带的经向和杆体轴向一致，逐层铺敷。间隔一定层数后，于杆体端部连接段，绕杆体环向铺敷无纬带，形成纵向积层的层间间隔，实现纵向纤维的离轴发散，也就形成了设计要求的锥体几何。

至于端部锥面配合的形成，和上述湿法缠绕工艺的相似，不再赘述。

完整铺层和装配接头后的杆体，通过进一步的固化程序，就获得最终的产品。

总结归纳起来就是，单股的纤维纱浸渍树脂后并股集束形成一定幅面宽度的纱带，也称作无纬带，纱带通过预浸设备的烘干预固化程序，形成半干状态的预浸布；预浸布绕包在杆件上，形成积层排布，预浸布的经向沿杆体轴向；每绕包完成一定积层后，于杆体接头位置段，施加适当的环向绕包，即用预浸布的经向沿杆体环向方式排布，形成杆体端部纵向积层的层间间隔，并实现纵向纤维层的几何锥面；锥面衔接3的结构形态，视金属接头的锥面结构的不同而最终呈现不同的锥面配合连接形式；纤维增强树脂杆体1和金属接头2通过固化程序固化在一起，获得完整的杆件。

最后，再来讲述干法绕包真空导注树脂法成型有锥面接头的承载杆

这种方法，纤维铺敷原理上和上述预浸布法一致，也是一种手工铺敷纤维方法。不同的是，使用的无纬带是没有浸渍树脂的，即所谓的干铺工艺。既然是干铺，无纬带必须是通过特殊处理才能形成一定幅宽的带子，也称无纬布，多见的是缝编工艺制成的无纬布(也称单向布)。

铺层时，把无纬布按照杆体长度定长剪裁，一层层的卷绕包覆在杆体上，无纬布的经向和杆体轴向一致，逐层铺敷。由此可见，无纬布最好有适度的宽度才好使用。间隔一定层数后，于杆体端部连接段，绕杆体环向铺敷无纬布，形成纵向积层的层间间隔，实现纵向纤维的离轴发散，也就形成了设计要求的锥体几何。干法铺层自然存在布层的固定问题，可使用气雾剂喷胶。

完成干法铺层后，可以装配金属接头，然后，一体化真空导流基体树脂，树脂通过固化程序固化，形成最终的杆件。也可以先对杆体真空导流树脂并固化杆体后，再加工外锥面，再装配金属接头，显然这种方法对内锥面和非圆柱面杆体不适用。

总结归纳起来就是，单股的纤维纱并股集束形成一定幅面宽度的无纬布，无纬布干态绕包在杆件上，形成积层排布，无纬布的经向沿杆体轴向；每绕包完成一定积层后，于杆体接头位置段，施加适当的环向绕包，即用无纬布的经向沿杆体环向方式排布，形成杆体端部纵向积层的层间间隔，并实现纵向纤维层的几何锥面；锥面衔接3的结构形态，视金属接头的锥面结构的不同而最终呈现不同的锥面配合连接形式；纤维增强材料和金属接头通过薄膜密封，对密封体抽真空，然后对处于真空状态的密封体注入树脂，树脂浸渍纤维增强体，通过固化程序，复合材料杆体1和金属接头2固化在一起，获得完整的杆件。

通过上述三种工艺看出，不同的工艺有不同的优缺点，也伴随着不同的商业成本。所以，选择时需要因地制宜。

Claims (8)

1.一种纤维增强树脂复合材料纵向承载杆，包括实心的和中空的结构形式，中空结构的杆件，细长的称管，短粗的称筒，承载杆由复合材料杆件主体(简称杆体)以及端部的金属接头(简称接头)构成，其特征在于：杆件本体是纵向纤维形成的积层结构，杆体(1)的增强纤维沿杆件纵向分布，并且沿杆件截面的径向，纤维呈现环形的层状分布，从内向外逐层积层；于杆体(1)中间位置段，层间可以没有间隔物，于杆件端部的接头位置段，杆体(1)层间有间隔物，纵向纤维积层逐层的离轴发散成锥面轮廓；接头(2)有适配的锥形结合面，杆体(1)和接头(2)之间呈锥面衔接(3)关系。

2.根据权利要求1所述的承载杆，其特征在于：杆体(1)段的中部截面大于端部截面，杆体为纺锤体形状。

3.根据权利要求1所述的承载杆，其特征在于：位于接头(2)段位置的复合材料杆体纵向纤维层间间隔物为纤维增强树脂材料，而且纤维环绕杆体分布。

4.根据权利要求1所述的承载杆，其特征在于：锥面衔接(3)是单锥面衔接，从端部剖截面看，锥面位于复合材料杆体的外侧、或者内侧。

5.根据权利要求1所述的承载杆，其特征在于：锥面衔接(3)是双锥面衔接，从端部剖截面看，两个锥面分别位于复合材料杆体的内外两侧。

6.一种纤维湿法缠绕工艺成型具有上述杆端锥面衔接结构特征的复合材料承载杆的方法，其特征在于：单股的纤维纱浸渍树脂后并股集束形成纱带，纱带通过纤维缠绕机实现在杆体上的积层排布，这种缠绕方法通常是0°角的纵向缠绕；每缠绕完成一定积层后，于杆体接头位置段，施加适当的环向缠绕，即纤维环向排布，形成杆体端部纵向积层的层间间隔，并实现纵向纤维层的几何锥面；锥面衔接(3)的结构形态，视金属接头的锥面结构的不同而最终呈现不同的锥面配合连接形式；纤维增强树脂杆体(1)和金属接头(2)固化在一起，获得完整的杆件。

7.一种使用预浸布铺层工艺成型具有上述杆端锥面衔接结构特征的复合材料承载杆的方法，其特征在于：单股的纤维纱浸渍树脂后并股集束形成一定幅面宽度的纱带，纱带通过预浸设备的烘干预固化程序，形成半干状态的预浸布；预浸布绕包在杆件上，形成积层排布，预浸布的经向沿杆体轴向；每绕包完成一定积层后，于杆体接头位置段，施加适当的环向绕包，即用预浸布的经向沿杆体环向方式排布，形成杆体端部纵向积层的层间间隔，并实现纵向纤维层的几何锥面；锥面衔接(3)的结构形态，视金属接头的锥面结构的不同而最终呈现不同的锥面配合连接形式；纤维增强树脂杆体(1)和金属接头(2)通过固化程序固化在一起，获得完整的杆件。

8.一种无纬布干法绕包真空导注树脂工艺成型具有上述杆端锥面衔接结构特征的复合材料承载杆的方法，其特征在于：单股的纤维纱并股集束形成一定幅面宽度的无纬布，无纬布干态绕包在杆件上，形成积层排布，无纬布的经向沿杆体轴向；每绕包完成一定积层后，于杆体接头位置段，施加适当的环向绕包，即用无纬布的经向沿杆体环向方式排布，形成杆体端部纵向积层的层间间隔，并实现纵向纤维层的几何锥面；锥面衔接(3)的结构形态，视金属接头的锥面结构的不同而最终呈现不同的锥面配合连接形式；纤维增强材料和金属接头通过薄膜密封，对密封体抽真空，然后对处于真空状态的密封体注入树脂，树脂浸渍纤维增强体，通过固化程序，复合材料杆体(1)和金属接头(2)固化在一起，获得完整的杆件。

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