CN108953978A - 一种h型腹杆和方形弦杆装配的复合材料桁架及其制备方法 - Google Patents

一种h型腹杆和方形弦杆装配的复合材料桁架及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种H型腹杆和方形弦杆装配的复合材料桁架及其制备方法，属于建材领域。本发明所述桁架由H型腹杆1和方形弦杆2胶接而成。使用齿型的凸模3和凹模4制备H型腹杆1。H型腹杆翼缘纤维6在节点处与方形弦杆2的侧表面粘接。本发明所述的桁架制备方法包括六个步骤，步骤一：在凸模3和凹模4表面铺设H型腹杆腹板纤维5；步骤二：合模；步骤三：铺设H型腹杆翼缘纤维6；步骤四：树脂固化成型后脱模得到H型腹杆1半成品；步骤五：对H型腹杆1半成品的边缘进行切割，得到H型腹杆1成品；步骤六：进行组装得到单榀桁架或空间桁架。本发明的复合材料桁架具有节点强度高，拼装速度快等优点。

Description

一种H型腹杆和方形弦杆装配的复合材料桁架及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料桁架结构及制备领域，特别是一种H型腹杆和方形弦杆装配的复合材料桁架结构及制备方法。
背景技术
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称FRP)是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合后形成的高性能材料。FRP具有质轻而硬，机械强度高，耐腐蚀等特性。复合材料桁架结构因单向受力，能充分发挥复合材料顺纤维强度，在航空航天、土木工程等领域得到应用。但是由于纤维和基体的特有属性，无法像钢结构那样可以进行焊接，节点、连接问题一直是限制复合材料桁架发展的主要因素。
复合材料桁架节点目前有以下几种制备方法：(1)使用钢制接头将复合材料杆件通过螺栓或者胶接的方式连接在一起；(2)使用预制复合材料接头，将复合材料杆件涂抹胶水后插入接头进行连接：(3)将复合材料杆件固定到设计位置，然后在杆件外缠绕铺设复合材料纤维预浸料，最后使用模压的方式固化到一起：(4)使用缠绕成型工艺，将预制的复合材料杆件固定好之后在杆件的外围缠绕纤维带；(5)使用三维编织工艺，将杆件和接头一同编织出来，之后使用RTM、VARTM或者VARI等工艺注入树脂。
上述制备方法(1)由于采用了钢制节点，节点重量重，节点重量将占到很大的比例；制备方法(2)的胶接连接方式存在节点强度低和胶水耐久性差的问题；制备方法(3)的纤维铺层和模具复杂，且每一个节点都需要单独加工一次；制备方法(4)使用缠绕成型虽然生产效率高，但是生产的杆件含胶率高；制备方法(5)使用三维编织的方法制备，虽然节点纤维连续，节点强度高，但不便于现场施工，且制备成本高。
发明内容
本发明提供了一种H型腹杆和方形弦杆装配的复合材料桁架及其制备方法，目的在于有效提高复合材桁架的节点强度，简化制备方法，便于现场装配安装。
本发明提供的一种H型腹杆和方形弦杆装配的复合材料桁架具体如下：
一种H型腹杆和方形弦杆装配的复合材料桁架，由H型腹杆1和方形弦杆2胶接而成。
H型腹杆1由H型腹杆腹板纤维5和H型腹杆翼缘纤维6组成。使用如图1所示齿型的凸模3和凹模4进行制备；
H型腹杆腹板纤维5制备过程如图2和图3所示，夹在凸模3和凹模4之间，宽度大于模具厚度，从两侧伸出并翻折；
H型腹杆翼缘纤维6如图4铺设到H型腹杆腹板纤维5的表面，并在节点处相互重叠。
本发明提供的一种H型腹杆和方形弦杆装配的复合材料桁架的制备方法如下：
步骤一：在凸模3和凹模4表面铺设H型腹杆腹板纤维5，将外伸的纤维翻折到模具表面，如图1和图2所示；
步骤二：如图2和图3所示进行合模；
步骤三：铺设H型腹杆翼缘纤维6并在节点处相互重叠，如图4所示；
步骤四：使用热压罐或者真空辅助树脂注入工艺(VARI)进行成型，树脂固化成型后脱模得到如图5所示的H型腹杆1半成品；
步骤五：对H型腹杆1半成品的边缘进行切割，得到如图6所示的H型腹杆1成品；
步骤六：如图7所示，将H型腹杆1和方形弦杆2胶接装配成如图8所示单榀桁架或如图9所示空间桁架。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、H型腹杆一体成型，H型腹杆纤维连续不断开。
2、全复合材料桁架节点，节点重量轻。
3、H型腹杆的翼缘与方形弦杆表面粘接面积大，且粘接面为平面，粘接强度高。
4、H型腹杆的翼缘纤维在节点粘接面相互重叠，有效提高了节点强度。
附图说明
图1为腹杆模具爆炸图；
图2为H型腹杆腹板纤维铺设图；
图3为合模图；
图4为H型腹杆翼缘纤维铺设图；
图5为H型腹杆半成品；
图6为H型腹杆成品；
图7为单榀桁架组装图；
图8为单榀桁架成品图；
图9为空间桁架成品图；
图10为桁架节点放大详图。
具体实施方式
下面以弦杆尺寸10mm*10mm*500mm，弦杆轴线间距80mm，腹杆角度45°的复合材料桁架结构为例，结合附图对本发明进一步说明：
步骤一，如图1和图2所示，在凸模3和凹模4表面铺设30mmm宽的H型腹杆腹板纤维5；H型腹杆腹板纤维5以折线形的方式铺设到模具表面；模具厚度为10.1mm，比方形弦杆2的截面宽度略大(考虑了与方形弦杆2的装配容差，此处装配容差为0.1mm)；在铺设之前可以使用缝纫机对H型腹杆腹板纤维5纤维带进行缝纫处理，以增加层间强度；如果H型腹杆腹板纤维5使用的是未浸胶的纤维编织物，可以使用临时定型喷胶进行固定，或者通过缝纫处理使之保持U型状态；如果H型腹杆腹板纤维5使用的是预浸料，则可以直接粘黏在模具上；在H型腹杆腹板纤维5的转折处需要将伸出腹板的翼缘部分剪开，如图2所示。
步骤二，沿图2所示箭头方向合模到图3所示位置；H型腹杆腹板纤维5宽30mm，中间10mm被模具夹住，两边向外伸出各10mm。
步骤三，如图4所示，在翻折的H型腹杆腹板纤维5表面铺设H型腹杆翼缘纤维6；H型腹杆翼缘纤维6为30mm宽的矩形纤维带；H型腹杆翼缘纤维6在节点处相互重叠，形成一个突起的节点纤维重叠7；在铺设前，可以对H型腹杆翼缘纤维6使用缝纫机进行缝纫处理，以增加层间强度。
步骤四，如果使用的是预浸料则使用热压罐进行成型。如果使用的是未浸胶的纤维编织物，则使用真空辅助树脂注入工艺(VARI)进行成型。待树脂固化成型后脱模得到如图5所示的H型腹杆1半成品。除了上述两种成型方法还有许多其他成型方法，其均在本发明的保护范围内。
步骤五，对H型腹杆1半成品的边缘进行切割，得到如图6所示的H型腹杆1成品；H型腹杆1的翼缘宽度10mm；可以使用数控水切割机床切割或吊磨机手动切割。
步骤六，如图7所示，在节点处涂抹结构胶后沿图示箭头方向进行组装，得到如图8所示单榀桁架；再以此法连接可以得到如图9所示空间桁架；在涂抹结构胶前需要对H型腹杆1的节点内表面和方形弦杆2的节点外表面进行喷砂处理，使其表面粗糙，增加粘接强度；在H型腹杆1的节点内表面和方形弦杆2的节点外表面都需要涂抹结构胶；方形弦杆2可以使用多种工艺进行制备，例如：模压法、热膨胀模塑法、缠绕成型、拉挤成型等。
如图10所示为本发明的复合材料桁架节点详图。H型腹杆腹板纤维5腹板部分纤维连续不断开，H型腹杆腹板纤维5部分延伸到翼缘，与H型腹杆翼缘纤维6连接。H型腹杆翼缘纤维6在节点处相互重叠，形成了节点纤维重叠7。节点纤维重叠7所在位置刚好位于H型腹杆1和方形弦杆2之间的粘接处，有效保证了节点强度。本例的节点粘接面积为588.98mm2，可以有效保证节点不脱胶。方形弦杆2采用空心截面，可以有效提高稳定性。
本发明的复合材料桁架克服了传统复合材料桁架节点强度低的问题，通过H型腹杆的翼缘和方形弦杆的外壁进行粘接，粘接面积大，且粘接面为一平面，有效保证了节点粘接强度，提高了复合材料桁架节点性能。制备方法简单，可以在工厂加工也可以在现场拼接，尤其是在抢修抢建、应急救灾等工程有显著优势。
以上是本发明的典型实施例，本发明的实施不限于此。

Claims (2)

1.一种H型腹杆和方形弦杆装配的复合材料桁架，其特征在于：一种H型腹杆和方形弦杆装配的复合材料桁架，由H型腹杆(1)和方形弦杆(2)胶接而成，H型腹杆1由H型腹杆腹板纤维(5)和H型腹杆翼缘纤维(6)组成；H型腹杆翼缘纤维(6)铺设到H型腹杆腹板纤维(5)的表面，并在节点处相互重叠。
2.一种H型腹杆和方形弦杆装配的复合材料桁架的制备方法，其特征在于：
步骤一：在凸模(3)和凹模(4)表面铺设H型腹杆腹板纤维(5)，将外伸的纤维翻折到模具表面；
步骤二：将凸模(3)和凹模(4)进行合模；
步骤三：在翻折的H型腹杆腹板纤维(5)表面铺设H型腹杆翼缘纤维(6)并在节点处相互重叠；
步骤四：使用热压罐或者真空辅助树脂注入工艺(VARI)进行成型，树脂固化成型后脱模得到H型腹杆(1)半成品；
步骤五：对H型腹杆(1)半成品的边缘进行切割，得到H型腹杆(1)成品；
步骤六：将H型腹杆(1)和方形弦杆(2)胶接装配成单榀桁架或空间桁架。
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