CN107152603B - 一种双稳态壳结构及其制造方法 - Google Patents

一种双稳态壳结构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双稳态壳结构及其制造方法。本发明的所述双稳态壳结构包括壳本体和筋结构；所述筋结构埋覆于所述壳本体内部或凸出于所述壳本体至少一个表面上。本发明的所述方法包括筋结构成型和壳本体成型；其中，所述筋结构成型的方法包括预埋材料成型或通过模具预成型；本发明的所述双稳态壳结构能有效提高双稳态壳结构的刚度、强度和形态转变效率，而且因为是局部设置的筋结构，也不会大幅度增加双稳态壳结构的重量。

Description

一种双稳态壳结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种双稳态壳结构及其制造方法。
背景技术
双稳态结构主要基于壳结构，是指沿壳结构表面的两个方向上，在不同时间沿两个方向可分别保持稳定弯曲形变的状态。两个状态的示意见图1，双稳态结构可以沿状态1方向(即伸展方向)伸展并不断弯曲、沿状态2方向(即收卷方向)卷曲，且两个状态均可稳定存在。双稳态结构壳可以卷曲成管，当处于状态2时，结构所占空间很小，因此非常便于携带。当双稳态壳结构处于状态1时，结构可以充分发挥轴向的强度，提供高强度的支撑和优良的抗弯折性能，因此在状态1下结构可以作为支撑结构使用。故整体壳结构可以应用在便于携带的支撑结构。
目前，大多数的双稳态壳结构使用复合材料制造而成。因为复合材料的密度较小，不到密度2kg/m3，便于携带。对于使用复合材料的双稳态壳结构，储能主要是依靠材料发生变形后的材料形变，储能大小主要依靠形变的大小，形变包括空间的三个方向。从状态1收卷变为状态2时，状态1方向的开口边缘部位形变最大，只有当结构的储能大于一定值，才能保证从状态2转自发转换到状态1。材料的厚度越大，同样变形量时，材料的储能越大，但是如果双稳态壳体的壁厚过大，在从伸展状态向卷曲状态转变时，局部形变会大于材料的最大破坏形变，并导致壳体的破坏。同时壁厚增加会明显提高结构的重量。
因此无法通过加厚壳结构的壁厚而提高边双稳态结构的刚度，而增加壳结构局部的厚度会更高效的提高结构整体储存能量和整体刚度。例如沿轴向方向1形成较厚的筋结构可以提高整体的刚度，同时还可以控制整体重量。
因此，针对以上不足，需要提供一种既能提高结构的整体刚度又不会使结构重量明显增加的双稳态壳结构。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提高双稳态壳结构的整体刚度又不会使壳结构的重量明显增加的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双稳态壳结构，所述双稳态壳结构包括壳本体和筋结构；
所述筋结构埋覆于所述壳本体内部或附着在所述壳本体至少一个表面上。
筋结构能有效提高双稳态壳结构的刚度、强度和形态转变效率，而且因为是局部设置的筋结构，也不会大幅度增加双稳态壳结构的重量。
对于筋结构与壳本体的结合方式，在本发明中，筋结构可以埋覆于壳本体的内部，也可以附着在壳本体至少一个表面上，例如附着在壳本体的内壁和/或外壁。
筋结构的布置在设计时可以按照壳结构的使用需要进行，例如平行于双稳态结构的伸展方向布置的筋结构会提高壳结构伸展的刚度和强度，与双稳态结构的伸展方向垂直地布置的筋结构会提高横向的刚度和强度，与双稳态结构的伸展方向斜向交叉地布置的筋结构会提高整体的扭转刚度。
优选地，所述筋结构沿所述壳本体的中心线对称分布；
所述壳本体的中心线为：
所述壳本体的中心线为：当所述双稳态壳结构沿伸展方向展开，所述双稳态壳本体在长度方向的对称轴即壳本体的中心线。
进一步优选地，所述筋结构的厚度等于所述中心线处壳本体的厚度。
进一步优选地，所述筋结构的厚度大于所述中心线处壳本体的厚度。其中筋结构与中心线处壳本体厚度的比值不大于5。
优选地，所述壳本体两侧边的厚度与所述中心线处的厚度相同；或，所述壳本体两侧边的厚度大于所述中心线处的厚度。且壳本体两侧边的厚度与中心线处的厚度比值不大于5。
优选地，所述筋结构的制作材料的熔点或软化点温度要高于所述壳本体的制作材料的成型温度。
进一步优选地，所述壳本体的制作材料主要由增强纤维和基体材料复合而成；
所述增强纤维为有机纤维或无机纤维；
所述基体材料为热固性树脂、热塑性树脂或橡胶中的任一种。
进一步优选地，所述有机纤维包括棉、麻、芳纶、氨纶、腈纶、黏胶、聚苯醚或聚对苯撑苯并二噁唑中的任一种；
所述无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、蓝宝石纤维、硼纤维或玄武岩纤维中的任一种。
进一步优选地，所述热固性树脂包括环氧、不饱和聚酯、乙烯基树脂、聚氨酯、聚氰酸脂、苯并噁嗪、双马来酰亚胺或热固性聚酰亚胺中的任一种；
所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚芳咪酮或热塑性聚酰亚胺中的任一种；
所述橡胶包括天然橡胶、乙烯基橡胶、聚异戊二烯、氟橡胶或硅橡胶中的任一种。
本发明还提供了一种该双稳态壳结构的制造方法，包括筋结构成型和壳本体成型；
所述筋结构成型的方法包括预埋材料成型或通过模具预成型；
所述壳本体成型的方法包括模压、拉挤、缠绕、真空辅助、热压罐或树脂注射模塑中的任一种。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
通过筋结构设计可以有效提高双稳态壳结构的刚度和强度，提高作为支撑结构时的使用效率。
附图说明
图1是双稳态壳结构示意图；
图2是本发明提供的双稳态壳结构长度方向的截面示意图；
图3是本发明提供的双稳态壳结构的筋结构的形状示意图；
图4是本发明提供的双稳态壳结构的切向角示意图。
图中：1：双稳态壳机构的伸展方向；2：双稳态壳结构的卷曲方向；3：截面开口边缘；4-1：凸出于内壁的筋结构；4-2：凸出于外壁的筋结构；5：切向角。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图4所示，
本发明提供的双稳态壳结构可以沿状态1方向(即伸展方向)伸展并不断弯曲，形成了管状支撑结构，也可以沿状态2方向(即收卷方向)卷曲，卷曲成卷，且两个状态均可稳定存在。状态1和状态2在受到一个外部激励作用下可以相互转换。
具体来说：本发明提供的双稳态壳结构包括壳本体和筋结构；
所述筋结构埋覆于所述壳本体内部或凸出于在所述壳本体至少一个表面上。
设置筋结构既能提高双稳态壳结构的刚度和强度，又不会大幅度增加双稳态壳结构的重量。
如图2所示，当把双稳态壳结构沿状态1方向展开后，从A-A剖面的截面图中可以看出，本发明提供的双稳态壳结构的截面为非等厚度的截面。
对于筋结构与壳本体的结合方式，在本发明中，筋结构可以埋覆于壳本体的内部，也可以凸出于壳本体至少一个表面上，例如：如图2所示，4-1为设置在壳本体内壁并凸出于内壁的筋结构，4-2为设置在壳本体外壁并凸出于外壁的筋结构。
筋结构的布置在设计时可以按照壳结构的使用需要进行，例如平行于双稳态结构的伸展方向布置的筋结构会提高壳结构伸展的刚度和强度，与双稳态结构的伸展方向垂直地布置的筋结构会提高横向的刚度和强度，与双稳态结构的伸展方向斜向交叉地布置的筋结构会提高整体的扭转刚度。
进一步地，本发明提供的双稳态壳结构中，筋结构沿壳本体的中心线对称分布；
所述壳本体的中心线为：当所述双稳态壳结构沿伸展方向展开，所述双稳态壳本体在长度方向的对称轴即壳本体的中心线。
如图2中的虚线，即为壳本体的中心线。
5为切向角，是指壳结构在伸展方向展开时，在垂直截面方向，壳结构的弧形底部切线与截面开口边缘3切线的逆时针夹角，切向角的大小可以在0至180度之间，当切向角大于等于50度时可以视为双稳态管，在0度到50度之间视为曲面结构。
进一步地，筋结构的厚度等于中心线处壳本体的厚度。
进一步地，筋结构的厚度大于所述中心线处壳本体的厚度。其中筋结构与中心线处壳本体厚度的比值不大于5。
进一步地，壳本体两侧边的厚度与所述中心线处的厚度相同；或，壳本两侧边的厚度大于所述中心线处的厚度。且壳本体两侧边的厚度与中心线处的厚度比值不大于5。
进一步地，筋结构的制作材料的熔点或软化点温度要高于壳本体的制作材料的成型温度。
进一步地，壳本体的制作材料主要由增强纤维和基体材料复合而成；
所述增强纤维为有机纤维或无机纤维；
所述基体材料为热固性树脂、热塑性树脂或橡胶中的任一种。
进一步地，所述有机纤维包括棉、麻、芳纶、氨纶、腈纶、黏胶、聚苯醚或聚对苯撑苯并二噁唑中的任一种；
所述无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、蓝宝石纤维、硼纤维或玄武岩纤维中的任一种。
进一步地，所述热固性树脂包括环氧、不饱和聚酯、乙烯基树脂、聚氨酯、聚氰酸脂、苯并噁嗪、双马来酰亚胺或热固性聚酰亚胺中的任一种；
所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚芳咪酮或热塑性聚酰亚胺中的任一种；
所述橡胶包括天然橡胶、乙烯基橡胶、聚异戊二烯、氟橡胶或硅橡胶中的任一种。
本发明还提供了一种该双稳态壳结构的制造方法，包括筋结构成型和壳本体成型；
所述筋结构成型的方法包括预埋材料成型或通过模具预成型；
所述壳本体成型的方法包括模压、拉挤、缠绕、真空辅助、热压罐或树脂注射模塑中的任一种。
实施例1：所述筋结构的成型以模压为例，加工出具有筋结构的模具。采用纤维预浸料作为原料，首先将预浸料按照设计的尺寸裁剪，然后将外层铺层铺设到入模具中，沿筋结构铺设筋所用材料，再将其他材料逐层铺方在模具中，和模后按照材料的要求温度、和压力进行模压成型。
实施例2：所述筋结构的成型以拉挤为例，首先按照状态1方向的横截面为尺寸，加工挤出模头，主要采用拉挤设备制备。如果采用预浸料，在外牵引力的作用下将预浸料通过预热，送入模腔加热成型，然后再经过冷却定型后形成成品。若为干纱，在预热阶段需要经过浸胶，然后成型。此实施办法的特点在于，开口边缘3部位需要加厚，使得材料成型过程中能够固定形状，加厚部位可以视为筋结构。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种双稳态壳结构，其特征在于：所述双稳态壳结构包括壳本体和筋结构；
所述筋结构设置在所述壳本体的外壁并凸出于所述壳本体外壁；所述筋结构沿所述壳本体的中心线对称分布，并且与双稳态结构的伸展方向斜向交叉地布置所述筋结构；所述筋结构的厚度大于所述中心线处壳本体的厚度，但筋结构与中心线处壳本体厚度的比值不大于5；所述壳本体两侧边的厚度与所述中心线处的厚度相同；
所述壳本体的中心线为：当所述双稳态壳结构沿伸展方向展开，所述双稳态壳本体在长度方向的对称轴即壳本体的中心线；
所述筋结构的制作材料的熔点或软化点温度要高于所述壳本体的制作材料的成型温度；所述壳本体的制作材料主要由增强纤维和基体材料复合而成；所述增强纤维为有机纤维或无机纤维；所述基体材料为热固性树脂、热塑性树脂或橡胶中的任一种。
2.根据权利要求1所述的双稳态壳结构，其特征在于：所述有机纤维选自由棉、麻、芳纶、氨纶、腈纶、黏胶、聚苯醚或聚对苯撑苯并二噁唑组成的组中的任一种；
所述无机纤维选自由玻璃纤维、碳纤维、蓝宝石纤维、硼纤维或玄武岩纤维组成的组中的任一种。
3.根据权利要求1所述的双稳态壳结构，其特征在于：所述热固性树脂选自由环氧、不饱和聚酯、乙烯基树脂、聚氨酯、聚氰酸脂、苯并噁嗪、双马来酰亚胺和热固性聚酰亚胺组成的组中的任一种；
所述热塑性树脂选自由聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚芳咪酮或热塑性聚酰亚胺组成的组中的任一种；
所述橡胶选自由天然橡胶、乙烯基橡胶、聚异戊二烯、氟橡胶或硅橡胶组成的组中的任一种。
4.一种权利要求1~3任一项所述双稳态壳结构的制造方法，其特征在于：包括筋结构成型和壳本体成型；
所述筋结构成型采用预埋材料成型或通过模具预成型进行；
所述壳本体成型采用选自由模压、拉挤、缠绕、真空辅助、热压罐或树脂注射模塑组成的组中的任一种进行。
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