CN109689403B - 一种结构构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种结构构件包括：芯部，定义至少一个锚固点,该芯部具有至少一个表面；纤维束，布置在所述芯部表面的闭合环路中,该环路定义包含至少一个锚固点的空间的边界；和保护壳，由覆盖纤维束的编织纤维板材料形成；以及其中芯部、纤维束和保护壳被固化树脂浸渍并结合在一起。本发明还涉及一种构建该结构构件的方法。

Description

一种结构构件
技术领域
本发明涉及用于连接两个部件，例如叉骨形连杆的结构构件的改进。特别涉及纤维增强结构构件。
背景技术
在许多情况下，需要使用结构构件将两个构件连接在一起。一个很好的例子是将车轮托架连接到车辆底盘上，在该底盘上，车轮托架必须保持在相对于车身的规定位置上，并且必须在行驶过程中抵抗冲击载荷并承载车辆重量。叉骨形结构构件可用于在三个点提供连接，两个点连接到一个部件，另一个点连接到另一个部件。或者，可以使用狗骨形结构构件，只提供两个接触点，每个部件一个。其他的例子是支撑支柱的格架，它与飞机机翼的外表面分隔开。
在许多情况下，尤其是车辆，包括汽车、飞机、火车和船只，对于给定的刚度而言，结构构件相对较轻是可取的，同时制造成本低。减轻重量可以减少移动车辆所需的能量，在许多情况下，重量的减少可以增加有效载荷。例如，如果卡车较轻，则具有规定的最大总装载重量(包括车辆本身的重量)的卡车可以承载更多的货物。
多种传统构件，例如叉骨结构构件是由金属制成的，可以是管状的，也可以是铸造的。它们简单，制造成本相对较低，但对于给定的刚度相对较重。钢是应用最广泛的，但在某些情况下，铝已被使用。虽然铝的密度较低，但由于铝的硬度较低，因此与钢相比，铝的重量通常减轻得微不足道。
在成本是一个轻微的因素但要求最终重量较低的多个领域，例如在赛车的悬挂系统中，已使用碳纤维编织材料制成的板材开发多种结构构件，在芯轴周围形成外层。芯轴可在使用前拆除，以留下中空碳纤维复合材料外壳，或留在使用中的适当位置。后者更容易制造，但即使使用最轻的泡沫芯棒也有轻微的重量损失。然而，对于大多数应用来说，这种结构构件的价格昂贵得令人望而却步，这不仅是因为整个结构中使用的材料，而且因为材料的堆放是一个缓慢而复杂的过程。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种结构构件，其改善与现有技术结构构件相关的至少一些问题。
根据第一方面，本发明提供一种结构构件，其包括：
芯部，定义至少一个锚固点，该芯部具有至少一个表面；
纤维束，布置在所述芯部表面的闭合环路中，该闭合环路定义包含至少一个锚固点的空间的边界；以及
保护壳，由覆盖纤维束的编织纤维板材料形成；以及
其中芯部、纤维束和保护壳被固化树脂浸渍并结合在一起。
在优选布置中，本发明提供一种用于将两个部件连接在一起的结构构件，其中，芯部定义至少两个间隔的锚固点，所述芯部具有两个相对的表面，每个表面都被由编织纤维板材料形成的保护壳覆盖，每个表面还设置布置在一个闭合环路中的纤维束，该闭合环路定义了包含至少一个锚固点的空间的边界，和每个环夹在芯部和各自的一个保护壳之间，以及其中，保护壳和芯部被固化树脂浸渍并结合在一起。
在这种布置中，芯部可包括一个中心层，中心层每侧被两个环中的一个环和一个保护壳夹住。
在一种可替换方案中，可以有两个芯部夹住至少一个纤维束环，两个芯部由各自的保护壳覆盖。因此，保护壳通过芯部达到与纤维束环分离，但仍然覆盖，从而为纤维束环和芯部提供保护。
该纤维束环或每个纤维束环可以定义包含至少两个锚固点的空间。
所述结构构件还包括一个编织材料的内壳,该内壳在所述芯部的表面或每个表面与所述相关的纤维束环之间。该材料可包含碳纤维、或玻璃纤维、或其他纤维的干织物，或碳/玻璃织物的混合物。该内壳把纤维束环与芯部分开。
通过在每个相对的外表面上提供由多个碳纤维丝形成的大芯部和碳纤维束环，并通过浸渍的树脂将所有层结合在一起，可以提供在拉伸和压缩以及弯曲力矩方面具有优异性能的结构构件，能够以可控的方式将两个部件相对彼此定位。散装载体确保两个环彼此偏移，从而提高弯曲性能，因为这样的移动将在其中一个环的一部分中产生张力，该环的纤维将抵抗该张力。环的连续纤维在张力作用下表现很好。
我们所说的纤维束，是指一束通常是未经编制的连续长丝，其中每根长丝可以是人造纤维，如碳纤维或石墨纤维，或者是纤维束中不同长丝的混合物。长丝最好是连续的，并且每根长丝可围绕所述环伸展至少一次或多次。
芯部可以沿结构构件的任何给定位置构成结构构件的大部分厚度，每个壳体相对较薄。对于穿过结构构件的任何给定横截面，芯部的厚度可至少为壳体厚度的10倍，或至少为壳体厚度的50倍。
所述芯优选包含低纤维体积(低纤维与复合材料占比)材料的碳、玻璃或芳纶纤维。优选的是，散装载体包括诸如毛毡等低成本材料。该材料可以是多孔的，并且可以用封装环的固化树脂浸渍。低体积意味着纤维体积占比小于0.3，可能小于0.2。芯部的基体材料可包括短切纤维毡，例如再生复合纤维材料。
低体积占比使芯部成本低，这是可以接受的，因为组件的主要强度由壳体和环提供。
所述芯部可在每个外表面上设置对应于所述环跟随的路径的槽。
所述内壳可包括背离芯部的一侧上的槽，并接收环，并在组装期间为所述环提供引导。槽除了形成一个引导外，还将约束环的材料，使其在拉伸载荷下无法拉直。
所述槽可以从所述内壳的最外表面直接穿过所述内壳到达最内表面，形成凹缝。在这种情况下，内壳可以分为两部分-一部分位于环界定的空间边界外，另一部分位于环界定的空间边界内。这两个部分可以是连接的，也可以是结构构件制造过程中的独立部件。
在修改中，所述槽可以在所述芯部的表面形成，而不提供内壳。在某些布置中，可能不提供任何导向，在环周围包裹额外的加强材料，以防止其在拉伸载荷下伸直。这种附加材料可能构成外壳的一部分。
内壳也可以用固化树脂浸渍，以便环陷入连接内壳和保护壳的树脂中。因此，树脂可以连续地穿过整个芯部、内壳以及纤维束并进入外壳。
每一个纤维束环都遵循一条路径，该路径定义一个最小长度的环，或接近最小长度的环，同时包含两个或多个锚固点。
为了达到最短的长度，每个环可以包括伸展在两个锚固点之间的线性部分，线性部分通过围绕相邻锚固点外部弯曲的钩形部分沿着环连接到相邻线性部分。
每个环的线性部分的定向以使施加在线性部分两端的锚固点上以将其拉开的任何力直接沿着环的线性部分作用。
两个环的形状和尺寸可以相同，并且可以相对彼此定位，对于沿环的所有点来说,一个环上的任意一点与另一个环上的相应点之间的间距都是恒定的。
组件可以成形为使两个或多个锚固点中的每一个都位于单个平面上，并且两个环也是平面的。然而，锚固点可以不全部位于单个平面上。
如果锚固点都位于单个平面上，则芯部也可以是平面的，两个环位于芯部的中心轴相对侧上。
每一个纤维束环，例如连续的碳纤维长丝的环，可以由一束连续长丝多圈地围绕环组成。纤维束的细丝数量、纤维束和细丝的直径以及纤维束的层数可根据所需成品构件的结构强度进行调整。
纤维束可包括未经编织或编织在一起形成绳索的多条细丝，绳索随后围绕环多圈。
两个外壳可以覆盖相对的表面，并且也可以共同覆盖芯部的多个侧面，以形成连续的保护外壳。
横跨芯部外表面的每个环的宽度大于环的厚度，从而在表面形成一条平整的带状物或条状物。
所述环可以包括含有两个单向碳纤维长丝延展纤维束带的一圈或多圈。我们所说的带是指呈扁平条状排列的丝状物。
可提供多圈牵引，其布置使环形成扁平条带。这提供了良好的抗弯构件，可沿一个方向上通过条带弯曲。
条带可以是单个纤维束环深或多个深。
在所述芯部的外表面上可设置有第二或第三个纤维束环，纤维束可选地由内壳隔开。它们可以一个嵌套在另一个里面。如果提供了第二个环，则此环定义了一个不包含锚固部分的空间，以便锚固部分位于一个第二个环和第一个环之间的空间中。
外壳和可选内壳的厚度可根据结构组件不同位置上每个位置所需组件的刚度而变化。
结构构件可包括位于锚固点和绕该锚固点的环的部分之间的填充件。该填充件可包括金属部件，例如铝或铝合金。
填充件有助于有效地将荷载从锚转移到纤维环的钩部。
填充件还可作为连接到锚固点的锚的可靠和安全连接点。例如，锚可包括一个螺柱。
各种其他填充件可并入结构构件中，以控制结构构件的刚度。例如，当需要额外弯曲时，可在芯部和外壳之间放置一块相对柔韧的无孔填充件，从而减少在该位置固化树脂的用量，从而使组件更加柔韧。
填充件可位于外壳下方，或与外壳平齐，以形成结构构件的最外层。因此，外壳可被切割以容纳填充件。
填充件可以用树脂浸渍，也可以是无孔的，但在与填充件底面接触的地方，通过固化树脂粘合到结构构件的其余部分。
可在一个或多个锚固点处提供穿过外壳和芯部的孔，用于接收紧固件，例如螺栓螺柱。
每个壳体可包含碳纤维或玻璃纤维或碳纤维和玻璃纤维的混合物的高纤维组分编织板材料。高纤维意味着至少0.4的占比，或者至少是芯部占比的两倍。
每个保护壳和每个可选内壳可包含一片单独的连续板或分层布置的多片板。在组装之前，每一片都可以是干燥的，这意味着它包含纤维并且不含树脂，或者可以是预浸的，它包含用可固化树脂预浸的编织纤维。
结构构件可包括具有三个锚固点的叉骨形支柱，该环连接并围绕穿过三个锚固点。
在替代方案中，结构构件可包括具有两个锚固点的狗骨形支柱。环可以按照一个狗骨的形状、芯部的形状或仅仅是纤维束环形状布置。
当然，可以在本发明范围内提供许多其他形状和锚固点数量，并且上述内容仅用于说明目的。
结构构件可包括用于车辆的支柱或用于飞机机翼的支柱。
根据第二方面，本发明提供了根据第一方面构造结构构件的方法，包括以下步骤：
提供芯部；
把环状连续细丝的纤维束施加到一个表面上；
把外壳放在环上；
用未固化的树脂至少浸渍外壳；以及
固化浸渍树脂。
该方法可包括提供具有相关环的另一个外表面，然后在该环上提供另一外壳。
在提供内壳的情况下，该方法可以包括在用外壳覆盖之前将环卷绕到由内壳限定的引导件上。用树脂浸渍的步骤可以包括用树脂浸渍芯部和外壳。
固化树脂的步骤可以在真空中进行，例如将组件放入袋中，并在添加树脂之前从袋中排出空气。
所述方法可以包括将所述内壳、环和外壳作为夹层提供，然后将所组装的夹层放置在所述芯部的表面上。
固化树脂的步骤可以在使用加热和加压中的一种或多种情况下进行。
所述方法可以包括将所述内壳和所述外壳形成为预成型体。
附图说明
现在将仅以示例的方式描述本发明的一个实施例，参考并如附图所示：
图1是根据本发明的一个方面的完整结构构件示例的示意图；
图2是图1结构构件多个主要部件的分解图；
图3是图1结构构件的剖视图；
图4是可替换结构构件示例的横截面，该可替换结构构件包括每个锚固点处的填充部分；以及
图5是图4的结构构件的示意图。
图6是结构构件的另一个实施例的剖视图，该结构构件具有一个芯部的一侧上的一个纤维束环和一个锚固点；
图7是另一个实施例的剖视图，其中单个纤维束环位于两个芯部之间。
具体实施方式
本发明涉及使用纤维增强复合材料形成的结构构件。纤维增强复合材料可以是由纤维材料增强的聚合物基体制成的任何纤维增强材料。纤维材料可以是例如碳、玻璃、芳纶或本领域已知的任何其他适当的增强纤维。聚合物基质可以是用于设置复合材料形状的任何合适的材料，例如环氧树脂、乙烯基酯或聚酯固化塑料。例如，纤维增强复合材料结构可以是适用于汽车、航空航天或建筑行业的碳纤维或玻璃纤维材料。
属于本发明第一方面的结构构件1的示例如图1至3所示。结构构件1包括一个叉骨形杆，将两个部件连接在一起，如车身(未显示)和车轮托架(未显示)。结构构件的三个角分别定义了一个锚固点6，在本例中，该锚固点具有一个通孔，该通孔可接收固定在车身或车轮托架上的螺柱。作为孔的替代方案，可以在每个锚固点处将螺柱焊接或粘合到结构构件1的表面，或者提供螺柱和孔的混合。本领域技术人员应当熟知，本发明不仅限于三个锚固点，而且不限于图1所示的提供三个锚固点的结构构件的形状。还可以提供其他形状，例如V形，在V形的两端和拐角处具有锚固点。
如图1所示，结构构件包括三个细长的直线部分，每个部分在一对独特的锚固点之间伸展。在这三个直线部分之间的中心处设有一个大开口，以减轻结构构件的重量，从而使示例中的三个构件成为三角形。图2以分解形式显示了结构构件1组装中使用的关键零件，图3以剖视图形式显示了这些零件如何连接在一起。
如图2和图3最清晰的示出，结构构件1的核心是一个芯部2，它定义了构件的整体形状和厚度。这占据了构件的大部分体积，并且在本例中包含体积占比约为0.2的低纤维体积材料。芯部2具有两个彼此相对的主要外表面2a和2b，由外周壁和内周壁连接。在本例中，两个外表面中的每一个都位于各自的单一平面中，但本发明不限于这种布置。
邻接每个表面2a、2b的是内壳3，其周长与外表面周长相对应。内壳3具有形成在其表面的环形槽，内壳表面背对芯部2，并接收单向纤维束带的环4。环4围绕每个锚固点的外部。内壳3的槽被转移到位于所述内壳底面上的脊中，所述脊位于所述芯部2的表面上的相应槽内。这有助于确保在装配过程中所有部件都正确对齐。
然后，每个内壳3和环4由由编织纤维板材料形成的保护性外壳5覆盖。如图所示，外壳5不会向下延伸至芯部的壁，但在本发明范围内，为了完全封闭芯部2，也可以这样做。
芯部2、内壳3和外壳5浸渍有树脂，固化后形成完整的结构构件。
从图2中可以看出，锚固点6之间的环4部分是直的，允许环4对试图将多个锚固点分开的任何力提供较高的阻力。任何压缩都会受到树脂和编织纤维材料外壳的抵抗。
装配可使用的结构构件的方法如下。
在第一步骤中，通过从大块材料板上切割形成芯部2，或铺设几层材料以达到所需厚度。然后将内壳3放置在一个表面上，并将纤维束环铺设在内壳的槽中。机器人可以用来执行这个任务。然后安装外壳5，并翻转部件成型构件。
然后在第二外表面上重复添加内壳3、环4和外壳5的步骤。
一旦完成后，将部件成型部件放入真空袋中，然后排出空气。然后将树脂注入构件中，使壳体和芯部浸渍。
最后，根据制造商的规范，加热和施加可选择的压力以固化树脂，并将成品从真空袋中取出并允许冷却。然后可以进行任何后加工，例如在锚固点处焊接多个锚或加工构件中所需的任何孔。
进行大量可能的修改。例如，图4和图5显示了一个类似的构件，该构件具有上下壳体200、201，该壳体围绕构件的侧面，以完全包围芯部202。这两个壳体200，201在构件侧壁的中部会合。在本实施例中，内壳203、204还覆盖芯部的侧面。该构件还包括插入件或填充件205，在本例中，插入件或填充件位于每个锚固点6和环4之间，以控制从锚固点到环内部的荷载传递。如图所示，填充件205位于芯部的表面，但它们可以嵌入芯部或替换芯部的多个部分。这些填充物可以是金属元素。
填充件可放置在一系列不同位置上，可能位于成对锚固点之间，以提供这些锚固点之间结构构件的柔性的增加或减少。
图6和图7显示了两种备选方案。为了清晰和方便起见，图3中使用的同一附图标记在这些图中表示类似的组件。可以看到，图6的示例在芯部的仅一个表面上具有一个环。图7的示例将环夹在两个芯部之间，环的每侧都有一个柔性板。在这种情况下，外层保护层与环的间距更大，但仍对环和芯部执行相同的保护功能。

Claims (16)

1.一种结构构件，包括：
芯部，定义至少一个锚固点，该芯部具有至少一个表面；
纤维束，布置在所述芯部表面的闭合环路中，该闭合环路定义包含至少一个锚固点的空间的边界；以及
保护壳，由覆盖纤维束的编织纤维板材料形成；以及
在每个表面与相关所述闭合环路之间的编织材料的内壳，所述内壳包括背离芯部的一侧上的槽，并接收闭合环路，所述槽在组装期间为所述闭合环路提供导向；
其中芯部、纤维束和保护壳被固化树脂浸渍并结合在一起。
2.根据权利要求1所述的结构构件，其中，所述芯部具有两个相对的表面；
每个表面都被由编织纤维板材料形成的保护壳覆盖；
每个表面还设置布置在一个闭合环路中的纤维束，该闭合环路定义了包含至少一个锚固点的空间的边界；和
每个闭合环路夹在芯部和各自的一个保护壳之间；以及
其中，保护壳和芯部被固化树脂浸渍并结合在一起。
3.根据权利要求1所述的结构构件，其中所述芯部的厚度定义为沿外表面的任何位置的两个相对表面之间的最短距离，该距离至少为该位置处外表面壳体厚度的10倍。
4.根据权利要求1所述的结构构件，所述芯部包括碳、玻璃或芳纶纤维的低纤维体积的材料。
5.根据权利要求1所述的结构构件，其中所述芯部在每个外表面上具有对应于所述闭合环路跟随的路径的槽。
6.根据权利要求1所述的结构构件，其中，所述闭合环路或每个闭合环路遵循一条定义最小长度或接近最小长度的环路，同时定义包围两个或更多锚固点的空间。
7.根据权利要求1所述的结构构件，其中每个所述闭合环路包括伸展在两个锚固点之间的线性部分，线性部分通过围绕相邻锚定点外侧弯曲的钩形部分沿着闭合环路连接到相邻线性部分，每个所述闭合环路的线性部分的定向应确保施加在线性部件两端的锚固点上以将其拉开的任何力都将直接沿闭合环路部分的线性部分作用。
8.根据权利要求1所述的结构构件，其中两个闭合环路的形状和尺寸相同，且彼此相对放置，对于沿闭合环路的所有点来说，一个闭合环路上的任意一点与另一个闭合环路上的相应点之间的间距都是恒定的。
9.根据权利要求1所述的结构构件，其中每个所述闭合环路都包含绕所述闭合环路的多圈纤维束。
10.根据权利要求1所述的结构构件，其中两个外壳覆盖相对表面，也共同覆盖芯部的侧面，以便在芯部周围形成连续的保护外壳。
11.根据权利要求1所述的结构构件，其中所述结构构件包括位于锚固点和通过该锚固点的闭合环路之间的填充件。
12.根据权利要求1所述的结构构件，其中设置一个孔，该孔穿过所述保护壳和其中一个锚固点处的所述芯部，用于接收紧固件。
13.根据权利要求1所述的结构构件，其中每个所述保护壳包含高纤维组分编织板材料。
14.根据权利要求1所述的结构构件，其配置为具有三个锚固点的叉骨杆支柱，所述闭合环路连接并围绕通过三个锚固点。
15.根据权利要求1所述的结构构件，其构造为具有两个锚固点的狗骨状结构。
16.根据权利要求15所述的结构构件，其中所述结构构件包括用于车辆的支柱或用于飞机机翼的支柱，或包含车体或底盘的整体部分。
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