CN108891041B - 一种一体成型复合材料三角刚架及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体成型复合材料三角刚架及其制备方法，属于复合材料结构与制备领域。本发明由受压杆1和受拉杆2组成。受压杆1包含泡沫内芯3，受压杆纤维4和加劲肋纤维5。受压杆纤维4从泡沫内芯3的一侧延伸到泡沫内芯3的另一侧，采用C型环抱的对称铺层方式包裹泡沫内芯3，在受压杆上下表面处相互重叠。本发明中包括十五个步骤，步骤一：裁剪纤维预浸料，加工泡沫内芯；步骤二：插入加劲肋纤维；步骤三至步骤六：铺设受压杆纤维4；步骤七至步骤十三：铺设受拉杆纤维4和受拉杆支座补强纤维7并合模加压；步骤十四至步骤十五：加热固化和切割修边。本发明具有结构承载力高、工艺简单、加工周期短等优点。

Description

一种一体成型复合材料三角刚架及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料结构与制备领域，具体涉及一种一体成型复合材料三角刚架及其制备方法。

背景技术

刚架是建筑结构的其中一种形式，如采用轻质高强材料，可以应用于跨度更大的结构中。随着复合材料在土木工程领域的推广，大型复合材料刚架结构也将是未来的工程应用趋势。由于复合材料中纤维和基体的特有属性，无法像钢结构那样可以焊接，因此,连接设计一直是工程难点,也是一直以来限制复合材料结构发展的主要原因。

在实际工程中,目前常用的技术手段有两种：1.将复合材料杆件固定到位，然后在连接节点外缠绕纤维预浸料，并使用模压的方式压制成型；2.使用钢制的或者复合材料的节点接头，在杆件端部胶接。

上述的两种制备方法可以应用在复合材料刚架结构中，但是存在以下问题：制备方法1每一个节点都需要单独使用模压的方法进行制备，加工效率低，整体性差；方法2胶接强度低，耐久性差，节点重量大。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种一体成型技术制备的复合材料三角刚架。本发明可以高效率生产复合材料三角刚架，有效提高复合材料三角刚架的节点力学性能，减轻结构整体重量。

本发明的目的是这样实现的：

一种一体成型复合材料三角刚架，包括：受压杆1和受拉杆2，其特征在于，所述的受压杆1由受压杆纤维4和加劲肋纤维5以及泡沫内芯3组成；所述的受拉杆2由受拉杆纤维6和受拉杆支座补强纤维7组成。

所述泡沫内芯3为倒V型，中间有加劲肋泡沫开槽20，用以放置加劲肋纤维5，所述的加劲肋纤维5堆叠后形成加劲肋17；泡沫内芯3底端有支座补强泡沫开槽21，用以放置平行四边形连接纤维16；泡沫内芯3的表面铺设有加劲肋与前后侧连接纤维18和加劲肋与顶面连接纤维19；泡沫内芯3的上表面和前侧分别铺设有受压杆顶部纤维9和受压杆前后侧纤维10；泡沫内芯3上包裹有受压杆外侧纤维11和受压杆内侧纤维12。

所述的受压杆1还包括受压杆外侧与顶面的三角形连接纤维13、受压杆内侧矩形连接纤维14、受压杆底部矩形纤维15和受压杆底部与前后侧平行四边形连接纤维16。

所述的受拉杆2端部设有受拉杆端部回钩8。

所述的受拉杆纤维6和受拉杆支座补强纤维7铺设在底模22上，底模22端部开设有底模补强槽23；受拉杆纤维6上设有侧模28；受拉纤维6的上部设有三角形内模24，三角形内模顶部设有三角形内模顶部开槽25；受压杆1放置在三角形内模24上部；受压杆1的上部设有顶模26，顶模26设有顶模回钩槽27。

所述的顶模26、底模22和侧模28外侧设有弹簧阵列加压板，弹簧阵列加压板由弹簧29和钢板30组成。

一种一体成型复合材料三角刚架制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：裁剪纤维预浸料，加工泡沫内芯3；

步骤二：将加劲肋纤维5对折后插入加劲肋泡沫开槽20；

步骤三：将受压杆前后侧纤维10与泡沫内芯3的一侧相贴；

步骤四：将受压杆外侧纤维11和受压杆内侧纤维12包裹到泡沫内芯3上；

步骤五：将受压杆外侧与顶面的三角形连接纤维13、受压杆内侧矩形连接纤维14、受压杆底部矩形纤维15和受压杆底部与前后侧平行四边形连接纤维16翻折；

步骤六：重复步骤三至步骤五，对称铺设剩余受压杆纤维4，得到受压杆1；

步骤七：在底模22上铺设受拉杆纤维6和受拉杆支座补强纤维7；

步骤八：将三角形内模24放置在受拉纤维6上；

步骤九：将受压杆1放置在三角形内模24上；

步骤十：将受拉杆端部回钩8翻折；

步骤十一：将顶模26放置在受压杆1的上部；

步骤十二：侧模28放置在装配体两侧；

步骤十三：使用弹簧阵列加压板进行加压；

步骤十四：加热固化得到半成品；

步骤十五：对受拉杆2切割修边，得到最终成品。

本发明相对于现有技术具有实质性特点和进步。主要表现在以下方面：

1、本发明通过巧妙的铺层设计保证节点处的纤维连续不断开，克服了复合材料刚架节点强度低的问题；

2、采用全复合材料节点，节点重量轻；

3、采用整体一次成型技术，缩短了加工周期，结构尺寸稳定，加工精度高；

4、内置的泡沫芯有效提高了受压杆的稳定性，提高了结构的承载力；

5、材料利用率高，整体重量轻，因而在同样受力条件下可以跨越更大的跨度。

附图说明

图1为最终成品示意图；

图2为受压杆纤维裁布图；

图3为加劲肋纤维裁布图；

图4为受拉杆纤维裁布图；

图5为受拉杆支座补强纤维裁布图；

图6为泡沫内芯轴测图；

图7为加劲肋纤维铺设示意图；

图8为受压杆纤维铺设示意图1；

图9为受压杆纤维铺设示意图2；

图10为受压杆纤维铺设示意图3；

图11为受压杆纤维铺设示意图4；

图12为受压杆截面铺层示意图；

图13为合模装配爆炸图；

图14为受拉杆纤维和受拉杆支座补强纤维铺设示意图；

图15为三角形内模放置示意图；

图16为受压杆放置示意图；

图17为端部回钩铺设示意图；

图18为顶模放置示意图；

图19为侧模放置示意图；

图20为加压弹簧阵列示意图；

图21为半成品示意图；

图22为刚架尺寸图；

图23为杆件截面图；

图24为有限元模拟应力图；

图25为有限元计算荷载-位移曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细说明：

本发明由受压杆1和受拉杆2组成。受压杆1包含泡沫内芯3，受压杆纤维4和加劲肋纤维5。受压杆纤维4从泡沫内芯3的一侧延伸到泡沫内芯3的另一侧，采用C型环抱的对称铺层方式包裹泡沫内芯3，在受压杆上下表面处相互重叠。本发明中包括十五个步骤，步骤一：裁剪纤维预浸料，加工泡沫内芯；步骤二：插入加劲肋纤维；步骤三至步骤六：铺设受压杆纤维4；步骤七至步骤十三：铺设受拉杆纤维4和受拉杆支座补强纤维7并合模加压；步骤十四至步骤十五：加热固化和切割修边。本发明具有结构承载力高、工艺简单、加工周期短等优点。

具体实施例一：

图中：1为受压杆；2为受拉杆；3为泡沫内芯；4受压杆纤维；5为加劲肋纤维；6为受拉杆纤维；7为受拉杆支座补强纤维；8为受拉杆端部回钩；9为受压杆顶部纤维；10为受压杆前后侧纤维；11为受压杆外侧纤维；12为受压杆内侧纤维；13为受压杆外侧与顶面的三角形连接纤维；14为受压杆内侧矩形连接纤维；15为受压杆底部矩形纤维；16为受压杆底部与前后侧平行四边形连接纤维；17为加劲肋；18为加劲肋与前后侧连接纤维；19为加劲肋与顶面连接纤维；20为加劲肋泡沫开槽；21为支座补强泡沫开槽；22为底模；23为底模补强槽；24为三角形内模；25为三角形内模顶部开槽；26为顶模；27为顶模回钩槽；28为侧模；29为弹簧；30为钢板。

步骤一，材料准备。按照图2至图5所示，按照图中所示的实线为切割路径，使用数控裁布机对纤维布进行裁剪；如果有多层纤维，需要考虑纤维层数增加导致的内外层纤维尺寸变化；纤维布可以是商品预浸料，也可以裁剪完成后再使用湿法制备预浸料。按照如图6所示加工泡沫内芯3，泡沫内芯3为倒V型，中间有两个加劲肋泡沫开槽20，用以放置加劲肋纤维5；底端有两个支座补强泡沫开槽21，用以放置受压杆底部与前后侧平行四边形连接纤维16；所有的开槽边缘处均设置了渐变，以防截面突变导致的应力集中。

步骤二，如图7所示，首先将若干层图3所示的加劲肋纤维5堆叠在一起，然后沿中轴线对折，使两个加劲肋17相贴合，最后将加劲肋纤维5的加劲肋17沿图示箭头方向插入加劲肋泡沫开槽20内，并将加劲肋与前后侧连接纤维18和加劲肋与顶面连接纤维19沿虚线弯折并铺设到泡沫内芯3的表面。

步骤三，如图8所示，将受压杆纤维4的受压杆前后侧纤维10的一侧与泡沫内芯3后侧相贴，然后沿如图所示箭头方向绕点画线翻折到如图9所示相应位置；最后将受压杆顶部纤维9和另一侧受压杆前后侧纤维10分别铺设到泡沫内芯3的上表面和前侧。

步骤四，将2个受压杆外侧纤维11和2个受压杆内侧纤维12沿图9所示箭头方向包裹到泡沫内芯3上，形成一个C型环抱；如图10所示，受压杆外侧纤维11和受压杆内侧纤维12分别贴在泡沫内芯3的内外侧。

步骤五，如图10所示，将受压杆外侧与顶面的三角形连接纤维13、受压杆内侧矩形连接纤维14、受压杆底部矩形纤维15、受压杆底部与前后侧平行四边形连接纤维16沿箭头方向翻折到如图11所示的相应位置。

步骤六，重复步骤三至步骤五，对称铺设剩余受压杆纤维4，得到受压杆1。如图12所示为受压杆纤维4铺层示意图，这里一共4层受压杆纤维4，为了保证左右铺层对称，受压杆的纤维4的总层数应为偶数；受压杆纤维4呈C型环抱，在上下面相互重叠；由于受压杆外侧纤维11为和受压杆内侧纤维12在上下表面会相互重叠，因此受压杆外侧纤维11和受压杆内侧纤维12的总厚度是受压杆前后侧纤维10的2倍。

步骤七，如图14所示，在底模22上铺设受拉杆纤维6和受拉杆支座补强纤维7；为了保证补强的均匀性，受拉杆支座补强纤维7分散插入受拉杆纤维6中；在底模22端部开设有底模补强槽23，底模补强槽23内将容纳受拉杆支座补强纤维7，同时底模补强槽23边缘处线性渐变，避免因截面突变造成的应力集中。

步骤八，如图15所示，将三角形内模24放置在受拉纤维6的上部。

步骤九，如图16所示，将受压杆1放置在三角形内模24上部，受压杆内侧矩形连接纤维14刚好放入三角形内模顶部开槽25。

步骤十，如图16所示，将受拉杆端部回钩8按照图示箭头方向翻折至如图17所示位置。

步骤十一，如图18所示，将顶模26放置在受压杆1的上部，顶模回钩槽27刚好容纳受拉杆端部回钩8。

步骤十二，如图19所示，将2块侧模28放置在装配体两侧，侧模28底部和延伸出来的受拉杆纤维6接触；侧模28为2块表面平整的厚钢板。

步骤十三，使用如图20所示的弹簧阵列加压板进行加压，加压方向如图19中的箭头所示，上下方向的压力施加在顶模26和底模22上，前后方向的压力施加在2块侧模28上，压力大小0.3MPa。弹簧阵列加压板由弹簧29和钢板30组成；加压时将弹簧29朝向模具，然后用C型夹夹住钢板30；弹簧阵列加压板可以将C型夹的集中力通过钢板30均匀地分摊到弹簧29上，再通过弹簧29传递到模具上。除了使用上述机械加压方式外，还可以使用热压罐进行加压，其均在本发明的保护范围内。如图13所示为本发明的装配体爆炸图。(为了清楚看见内部情况，这里没有显示2块侧模28。)

步骤十四，将模具固定好后放入恒温加热箱，以130摄氏度的温度加热3小时后冷却至室温。待模具冷却至室温后将模具拆开，得到如图21所示的三角刚架半成品。

步骤十五，使用切割机对受拉杆2切割修边，得到如图1所示的最终成品。

为了验证本发明的实用性，本发明进行了和数值分析。如图22和23所示，为刚架的尺寸图和截面图，增强材料为苎麻纤维编织物，基体使用环氧树脂，使用湿法成型工艺进行预浸料的制备。图24为使用ANSYS有限元软件进行分析得到的应力图，分析表明受压杆1的受压破坏先于节点破坏，刚架节点强度满足设计要求。计算得到的荷载-位移曲线如图25所示。

本发明的一体成型复合材料三角刚架制备方法克服了复合材料拼接式刚架节点强度低的问题，通过巧妙的铺层设计使三角刚架中间节点处的纤维连续不断开，而且底部采用回钩的方式与刚架受压杆连接，保证了节点强度。内置的轻质泡沫芯，提高了刚架杆件的稳定性，结构整体重量轻，承载力高。另外，一体成型工艺避免了二次拼装和固化，生产效率高。

以上是本发明的典型实施例，本发明的实施不限于此。

具体实施例二：

一种一体成型复合材料三角刚架，其特征在于：由受压杆1和受拉杆2组成，如图1所示。

上述的受压杆1，其特征在于：由如图2和图3所示的受压杆纤维4和加劲肋纤维5，以及如图6所示的泡沫内芯3组成。

上述的受拉杆2，其特征在于：由如图4和图5所示的受拉杆纤维6、受拉杆支座补强纤维7组成。

上述的受压杆纤维4，其特征在于：从泡沫内芯3的一侧，绕过顶面后延伸到泡沫内芯3的另一侧，采用C型环抱的对称铺层方式包裹泡沫内芯3，在受压杆上下表面处相互重叠，如图12所示。

上述的泡沫内芯3其特征在于：呈倒V型，中间有两个加劲肋泡沫开槽20，底端有两个支座补强泡沫开槽21。

本发明按如下步骤进行制备：

步骤一：按照图2至图5所示裁剪纤维预浸料，按照图6所示加工泡沫内芯3；

步骤二：如图7所示，将加劲肋纤维5对折后插入加劲肋泡沫开槽20；

步骤三：如图8所示，将受压杆前后侧纤维10与泡沫内芯3的一侧相贴，然后沿箭头方向翻折到如图9所示的相应位置；

步骤四：如图9所示，将2个受压杆外侧纤维11和2个受压杆内侧纤维12沿图示箭头方向包裹到泡沫内芯3上，最后如图10所示呈C型环抱状；

步骤五：如图10所示，将受压杆外侧与顶面的三角形连接纤维13、受压杆内侧矩形连接纤维14、受压杆底部矩形纤维15、受压杆底部与前后侧平行四边形连接纤维16沿箭头方向翻折到如图11所示的相应位置；

步骤六：重复步骤三至步骤五，对称铺设剩余受压杆纤维4，得到受压杆1；

步骤七：如图14所示，在底模22上铺设受拉杆纤维6和受拉杆支座补强纤维7；

步骤八：如图15所示，将三角形内模24放置在受拉纤维6上；

步骤九：如图16所示，将受压杆1放置在三角形内模24上；

步骤十：如图16所示，将受拉杆端部回钩8按照图示箭头方向翻折至如图17所示位置；

步骤十一：如图18所示，将顶模26放置在受压杆1的上部；

步骤十二：如图19所示，将2块侧模28放置在装配体两侧；

步骤十三：使用如图20所示的弹簧阵列加压板沿图19所示箭头方向进行加压；

步骤十四：加热固化得到如图21所示半成品；

步骤十五：对受拉杆2切割修边，得到如图1所示最终成品。

Claims (6)

1.一种一体成型复合材料三角刚架，包括：受压杆(1)和受拉杆(2)，其特征在于，所述的受压杆(1)由受压杆纤维(4)和加劲肋纤维(5)以及泡沫内芯(3)组成；所述的受拉杆(2)由受拉杆纤维(6)和受拉杆支座补强纤维(7)组成；

所述泡沫内芯(3)为倒V型，中间有加劲肋泡沫开槽(20)，用以放置加劲肋纤维(5)，所述的加劲肋纤维(5)堆叠后形成加劲肋(17)；泡沫内芯(3)底端有支座补强泡沫开槽(21)，用以放置平行四边形连接纤维(16)；泡沫内芯(3)的表面铺设有加劲肋与前后侧连接纤维(18)和加劲肋与顶面连接纤维(19)；泡沫内芯(3)的上表面和前侧分别铺设有受压杆顶部纤维(9)和受压杆前后侧纤维(10)；泡沫内芯(3)上包裹有受压杆外侧纤维(11)和受压杆内侧纤维(12)。

2.根据权利要求1所述的一种一体成型复合材料三角刚架，其特征在于，所述的受压杆(1)还包括受压杆外侧与顶面的三角形连接纤维(13)、受压杆内侧矩形连接纤维(14)、受压杆底部矩形纤维(15)和受压杆底部与前后侧平行四边形连接纤维(16)。

3.根据权利要求1所述的一种一体成型复合材料三角刚架，其特征在于，所述的受拉杆(2)端部设有受拉杆端部回钩(8)。

4.根据权利要求1所述的一种一体成型复合材料三角刚架，其特征在于，所述的受拉杆纤维(6)和受拉杆支座补强纤维(7)铺设在底模(22)上，底模(22)端部开设有底模补强槽(23)；受拉杆纤维(6)上设有侧模(28)；受拉杆纤维(6)的上部设有三角形内模(24)，三角形内模顶部设有三角形内模顶部开槽(25)；受压杆(1)放置在三角形内模(24)上部；受压杆(1)的上部设有顶模(26)，顶模(26)设有顶模回钩槽(27)。

5.根据权利要求4所述的一种一体成型复合材料三角刚架，其特征在于，所述的顶模(26)、底模(22)和侧模(28)外侧设有弹簧阵列加压板，弹簧阵列加压板由弹簧(29)和钢板(30)组成。

6.一种一体成型复合材料三角刚架制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：裁剪纤维预浸料，加工泡沫内芯(3)；

步骤二：将加劲肋纤维(5)对折后插入泡沫内芯中间的加劲肋泡沫开槽(20)；

步骤三：将受压杆前后侧纤维(10)与泡沫内芯(3)的一侧相贴；

步骤四：将受压杆外侧纤维(11)和受压杆内侧纤维(12)包裹到泡沫内芯(3)上；

步骤五：将受压杆外侧与顶面的三角形连接纤维(13)、受压杆内侧矩形连接纤维(14)、受压杆底部矩形纤维(15)和受压杆底部与前后侧平行四边形连接纤维(16)翻折；

步骤六：重复步骤三至步骤五，对称铺设剩余受压杆纤维(4)，得到受压杆(1)；

步骤七：在底模(22)上铺设受拉杆纤维(6)和受拉杆支座补强纤维(7)；

步骤八：将三角形内模(24)放置在受拉杆纤维(6)上；

步骤九：将受压杆(1)放置在三角形内模(24)上；

步骤十：将受拉杆(2)端部的受拉杆端部回钩(8)翻折；

步骤十一：将顶模(26)放置在受压杆(1)的上部；

步骤十二：侧模(28)放置在装配体两侧；

步骤十三：使用弹簧阵列加压板进行加压；

步骤十四：加热固化得到半成品；

步骤十五：对受拉杆(2)切割修边，得到最终成品。

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