CN1074641A - 节管式三向复合材料承力构件的“三基圆”缠绕成型工艺 - Google Patents

Abstract

节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成 型工艺，首先使用天然节管——竹管，或利用纤维通 过缠绕方法制成具有三向复合材料结构特征的节管， 节管可经任意补强制成节管梁，然后将三根节管或节 管梁经纤维或其织物的环向或其它方向缠绕，制成三 基圆梁。再用三基圆梁进行任意组合、联接和分支， 制成各种形状、结构的工程承力构件。该方法工艺简 单、成本低廉，在航空、航天、建筑等领域有广泛的应 用。

Description

本发明属于复合材料承力构件的成型工艺方法。

根据增强纤维的方向，复合材料可分单、双和三向复合材料。目前仅有双向复合材料得到应用。双向复合材料也叫层板，其生产工艺以层压为主。在工程中层板仅适用于做受力较小的覆盖材料，对于承载较大的承力件，由于层板的层与层之间得不到有效的增强，造成层间强度低，易于破坏。

八十年代以来，国内外发展了三向编织成型工艺，使用编织方法制成三向复合材料，把它作为主承力件用于大载荷条件下。但三维编织方法的工艺设备复杂，编织过程中纤维易受损伤，编织后浸胶质量不易控制。因此实际上三维编织的三向复合材料还未进入实用阶段。

复合材料还有一种成型方法，那就是缠绕。缠绕可以成型层管，层管类似于复合材料的层板。由于缠绕纤维的方向可以控制，所以可制成不同性能的层管。由于纤维张力的作用，层管的层间强度高于层板，但当层管作为承力梁使用承受弯曲载荷时，破坏模式以最大应力区域的破裂为主，这一区域正是层管外层的上下边缘部分，而这一区域的应力大而面积小，易于产生局部破坏，因此这种缠绕的层管作为承力构件的应用也十分有限。

为了解决三向复合材料在工程承力构件中的应用问题，本发明构思了一种全新的三向复合材料承力构件工艺方法，即节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型工艺。

首先使用分节式缠绕方法，制成具有三向复合材料结构特征的节管，在节管的基础上使用单向预浸料对节管进行任意的补强，制成节管梁;竹管是天然节管，可直接对其进行任意补强，制成节管梁。

然后采用“三基圆”缠绕成型方法，制成三基圆梁。三基圆梁是利用三角形具有结构稳定性的原理，以三根复合材料节管为一组，用环向缠绕纤维方式制成。三基圆梁有等边、等腰和不等边形三种截面形状。选择不同管径或等管径的节管，可制造出不同形状、不同直径、不同长短、不同性能的三基圆梁。并可将这些三基圆梁经过组合、联接和分支的方法，组成各种大小、各种形状和不同性能的承力构件。

具体成型工艺如下：

一、节管成型

1.配胶  将热固性的环氧树蟋，用溶剂（如丙酮、乙醇等）稀释，加入固化剂，调节成合适的胶液溶度，即可进行浸胶。

2.浸胶  将纤维（碳纤维，玻璃纤维等）浸入配好的胶液内，然后将浸上胶的纤维环向缠绕在一个轴筒上，注意每环纤维之间应有小的间隙，即两环不应粘在一起。同时层与层之间用防粘材料隔离，然后将这些缠在轴筒上的浸胶纤维放在真空干燥箱内，在温度80°～90℃、700mmHg真空度下将浸胶纤维中的溶剂排除。以备用。

3.节管缠绕  使用缠绕机，先在缠绕机上装上一个预先选定直径的筒状模具，然后根据需要将脱掉溶剂的浸胶纤维加热，以降低其上树脂的粘度，用缠绕机，将加热的浸胶纤维根据受力情况按层间正交方向，其纤维间距约为纤维丝束速宽度，分层缠绕在模具上，缠绕纤维丝束相互迭压，形成波浪形弯曲的三向复合材料节管。

4.节管局部铺强  对有些节管还需要用单向预浸料对其补强，铺强后的节管称之为节管梁。其方法是：将通过浸胶去溶后的单向预浸料铺在节管的指定位置上，然后将浸胶去溶后的纤维环向缠绕在此位置上，缠绕完成后，再用浸胶去溶后的单向预浸料铺在节管的指定位置上，再进行局部环向缠绕，视要求反复若干次，即制成波浪式弯曲的局部三向复合材料。

5.加压固化  对上述节管，节管梁，使用玻璃纤维编织带在缠绕机上加力缠绕，完后将加力缠绕玻璃纤维编织带的节管或节管梁放入烘箱内进行固化，从而使节管或节管梁内部密实，其温度依固化体系要求而定。

6.脱膜  固化完成后，将加力玻璃纤维编织带剥去，将筒状模具从节管内拔出。

二、三基圆梁的缠绕

首先将承力构件的剖面画出大小不同形状各异的三角形，或构件剖面需不同形状组成的多个三基圆形状，然后按各个三基圆形状或三角形形状，选取不同直径的或相同直径的三根节管或节管梁组成三基圆，最后将浸胶后又脱溶的纤维以环向方向或其它方向缠绕其上，其整个工艺过程同节管成型工艺，在缠绕时，随着三基圆的形状不同，其旋转中心不同，在缠绕机上要先进行调整旋转中心。

三、组合梁的间隙缠绕

用多个三基圆梁组合成稳定构件或不稳定构件。对于稳定构件，其缠绕同节管相同，即将多个三基圆梁在一起环向缠绕纤维。对于不稳定构件，应先将承力构件的剖面形状画出多个各种不同的三角形，按此承力构件的剖面形状及构件的长短做出其模架，然后将按这些三角形制成的三基圆梁固定在对应的模架位置上，再把浸胶后脱溶的纤维在三基圆梁的间隙内，依一定方向规律穿插缠绕，如图六机翼承力构件其间隙缠绕按照图中标注的a.b.……方向缠绕，这样反复缠绕直至将该纤维充满于该构件三基圆梁的间隙中，从而把多个三基圆梁缠绕在一起，最后将此放在烘箱内加温80～90°固化即成组合构件。

四、三基圆梁的联接与分支

对于短的或需要分支的构件，即涉及到三基圆梁的联接与分支，对于联接，只须在三支节管或节管梁的联接点分散开即可，就是不在同一截面上，将另一三基圆中某根或三根节管与其对应联接起来，然后对其进行局部补强，补强方式有两种，其一种是节管内补强，即按联接的节管内径，制成管式棒，将其棒插入两联接管的内孔之中，然后用粘接方法补强;其二是节管外补强，即利用单向预浸料或织物在联接管外侧进行缠绕铺强，对于分支，是将两支弯管的一端同两支直管联接并用单向预浸料或其织物缠绕在一起，再将两支弯管的另一端用单向预浸料或其织物缠绕在一起，如需要补强，可利用上述补强方式在联接点处进行补强。

本发明工艺简单;有良好的组合特性，可以方便地组合成任意形状的管、梁等构件;有很好的联接特性，可以方便地联接成不同长度的工程构件;有良好的分支特性，通过分支可制成种结构的承力构件;同时按本发明制成的构件可用成本低、原材料来源广泛、力学性能优良的天然竹管。因此本发明具有很强的经济和社会效益，具有广泛的实用价值。

附图说明

图1.节管的缠绕

图2.节管梁

图3.三基圆梁

图4.六边承力构件

图5.工字承力构件

图6.翼型承力构件

图7.三基圆梁的联接

图8.三基圆梁的分支

图中标号

1.等边三基圆梁

2.等腰三基圆梁

3.不等边三基圆梁

4.模架

5.间隙

Claims (11)

1、节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型工艺，其特征是：首先使用天然节管-竹管，或利用纤维通过缠绕方法制成具有三向复合材料结构特征的节管，节管可经任意补强制成节管梁，然后将三根节管或节管梁经纤维或其织物的环向或其它方向缠绕，制成三基圆梁。再用三基圆梁进行任意的组合、联接和分支，制成各种形状、结构的工程承力构件。

2、根据权力要求1所述的节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型工艺，其特征在于节管的分节式缠绕成型，方法如下：纤维浸入配制好的胶液中，根据需要可进行脱溶剂步骤，使用缠绕机将其纤维按层间正交方向，其间距约为纤维丝束的宽度，分层缠绕在模具上，缠绕纤维束相互迭压，使纤维束形成波浪式弯曲，具有三向复合材料结构的特征。缠绕后的节管经固化、脱模则制成节管。

3、根据权力要求1所述的节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型工艺，其特征在于节管可进行任意的局部补强，制成节管梁。其步骤如下：

在节管固化前进行局部补强;首先使用浸胶去溶后的单向预浸料在节管的任意部位铺层，然后通过不同位置的环向缠绕，既通过铺层、缠绕、再铺层、再缠绕方法对节管进行任意的局部补强。

4、根据权力要示1所述的节管三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型工艺，其特征在于使用三根节管或节管梁，进行环向或其它方向缠绕制成“三基圆”梁。

5、根据权力要求1所述的节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型工艺，其特征在于“三基圆”梁可进行任意的补强，其方法与节管补强方法相同。

6、根据权力要求1所述的节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型工艺，其特征在于可使用不同直径的节管或节管梁制成不同形状、不同大小和不同角度的“三基圆”梁。

7、根据权力要求1所述的节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型工艺，其特征在于，可使用三基圆任意组合成不同形状的组合梁。

8、根据权力要求1所述的节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型工艺，其特征在于三基圆组合构件的间隙穿插缠绕。其过程如下：将三基圆梁固定在对应的模架位置上，三基圆梁之间存在一定的间隙，然后使用浸胶后脱溶剂纤维在其三基圆的间隙内反复穿插缠绕，直至将纤维充满全部间隙中，从而把多个三基圆梁缠绕在一起，最后将此放在烘箱内加温80°～90℃固化，即成组合构件。

9、根据权力要求1所述的节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型工艺，其特征在于可在同不部位进行三基圆梁的联接，并在联接处进行补强，使三基圆梁搭接成任意长度的梁。

10、根据权力要求1所述的节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型工艺，其特征在于三基圆分支只需将两支弯管的一端同两根直管联接并用单向预浸料或其织物缠绕成三基圆梁，将两根弯管的另一端缠绕在一起，则组成了有分支结构的三基圆梁。

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