CN113147053B - 加筋结构件端框及其成型方法 - Google Patents

加筋结构件端框及其成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种加筋结构件端框及其成型方法，筋条铺层延伸进端框内，端框在筋条延伸区域开对应形状和大小的开口，以实现筋条铺层与端框铺层错层搭接；再利用开口使延伸进端框的筋条体积与开口形成空腔的体积相等。本发明利用开口方向偏移与开口阶梯，在保证搭接传力的前提下，使得端框铺层空腔体积与筋条延伸体积相同，保证端框不同铺层区域等厚；利用开口方向偏移或开口形成铺层阶梯，实现空间上的错层搭接，提升筋条与端框铺层的搭接数量，实现由一对一传力到一对多传力的优化，来提高力学性能。

Description

加筋结构件端框及其成型方法
技术领域
本发明涉及一种加筋结构件端框及其成型方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
已有的纤维增强复合材料加筋结构有溶液浸渍纤维缠绕法和热熔预浸丝铺放法。溶液浸渍法含胶量高、波动大且挥发份高，含胶量通常在40％-48％之间，挥发份含量在2％左右，成型过程及成型质量的控制困难。热熔预浸丝铺放工艺后来居上，热熔预浸丝含胶量波动小，在32％-34％之间，树脂含量低且含量稳定，有利于复合材料网格加筋结构成型过程及成型质量的控制，但是采用热熔预浸丝铺放端框成型时，树脂流动性差。
采用传统搭接的延伸方法一是搭接处纤维曲皱、架桥情况严重，网格筋条传力效率打折，二是搭接处厚度增加，延伸处厚度远大于非延伸区域厚度，后期等厚度成型困难，尤其是采用树脂流动性差的热熔预浸丝铺贴和大宽度筋条设计的结构件成型时，采用传统搭接方法厚度增加问题更为严重。三是传统搭接方式同一层筋条铺层最多与一层端框铺层形成搭接，传力路径单一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种加筋结构件端框及其成型方法,在实现筋条延伸、保证最佳传力的同时实现等厚铺层。
为解决上述技术问题，本发明提供一种加筋结构件端框成型方法，筋条铺层延伸进端框内，端框在筋条延伸区域开对应形状和大小的开口，以实现筋条铺层与端框铺层错层搭接；再利用开口使延伸进端框的筋条体积与开口形成空腔的体积相等。
优选地，所述端框铺层除90度铺层外，其余铺层在对应筋条延伸处开口，筋条铺层延伸进端框铺层中，端框铺层开口形状为梯形或矩形。
优选地，当端框厚度与筋条高度相等时，端框铺层开口形状为矩形，开口沿筋条轴线方向偏转，偏转角度方向同铺层内纤维方向，筋条沿开口方向延伸进端框内。
优选地，所述矩形开口宽度b1满足：
Figure BDA0003077469360000011
其中b1为矩形开口宽度，a为筋条宽度，端框铺层为N层，其中端框在X1层上设有矩形开口，X1层中的每个端框铺层上仅设有一个矩形开口，X1≤N，X1及N都为大于0的自然数。
优选地，当端框厚度与筋条高度不等时，铺层开口形状为梯形，开口不需要偏转，沿筋条轴线进行开口，梯形开口高度分为3种，每3种为一组循环，三种开口高度依次为1/3A、2/3A和A，其中A为最大梯形的开口高度，筋条在剪口内沿多个方向分散进端框铺层中，筋条数量≥3个。
优选地，所述梯形开口下底分为3种，为
Figure BDA0003077469360000021
和b2，分别对应1/3A、2/3A和A三种高度的开口，最大高度梯形开口下底b2满足：
Figure BDA0003077469360000022
其中b2为梯形开口下底，a为筋条宽度，T1为筋条厚度，T2为端框厚度。
本发明还提供一种上述的方法制备得到的加筋结构件端框。
本发明所达到的有益效果：
1、端框等厚度成型：利用开口方向偏移与开口阶梯，在保证搭接传力的前提下，使得端框铺层空腔体积与筋条延伸体积相同，保证端框不同铺层区域等厚。
2、优化传力路径：利用开口方向偏移或开口形成铺层阶梯，实现空间上的错层搭接，提升筋条与端框铺层的搭接数量，实现由一对一传力到一对多传力的优化，提高力学性能。
附图说明
图1为加筋结构件局部示意图；
图2为常规搭接结构A-A截面示意图；
图3为本发明实施例1中45°端框铺层开口示意图；
图4为本发明实施例1中-45°端框铺层开口示意图；
图5为本发明实施例1中0°端框铺层开口示意图；
图6为本发明实施例1筋条延伸方式示意图；
图7为本发明实施例1筋条延伸方式A-A截面示意图；
图8为本发明实施例2中30°端框铺层开口示意图；
图9为本发明实施例2中-30°端框铺层开口示意图；
图10为本发明实施例2中0°端框铺层开口示意图；
图11为本发明实施例2中三层梯形开口叠加示意图；
图12为本发明实施例2筋条延伸方式示意图；
图13为本发明实施例2筋条延伸搭接方式示意图；
图中：1、端框，2、筋条，3、延伸搭接区域，4、基本搭接单元，5、筋条铺层，6、端框铺层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
若制作端框厚度与筋条厚度相等的端框成型结构件，端框铺层为N层，其中端框在X1层上设有矩形开口，X1层中的每个端框铺层上仅设有一个矩形开口(X1≤N，X1及N都为大于0的自然数)；筋条宽度为a，矩形开口宽度为b1，筋条厚度为T1，端框厚度T2，其中，T1＝T2，A1为端框铺层长度，也为筋条延伸入开口的长度；
按照端框铺层空腔体积与筋条延伸体积相同的原则，宽度计算公式推导过程为：
V开口体积＝V筋条体积
S开口*H开口＝S筋条*H筋条
Figure BDA0003077469360000031
由于：T1＝T2
故
Figure BDA0003077469360000032
其中，端框开口按照矩形开口进行面积计算，筋条按照矩形筋条进行面积计算。
本实施例中，一种端框厚度与筋条高度相等的端框成型方式：铺层结构如图3-7所示，端框铺层的矩形开口按照铺层角度分为三个方向，分别为45°、-45°和0°方向，90°铺层没有开口，每一层筋条延伸进端框内的矩形开口区域，利用方向的偏转使得筋条在不同空间位置实现与对应铺层的上一层端框铺层的错层搭接，并形成等厚铺层。本实施例中，铺层开口为三个方向，在其他实施例中，铺层开口数量可以根据厚度需要设置多层，不局限于本实施例中的三层矩形开口。
实施例中筋条宽度a＝8mm，筋条厚度T1＝10mm，端框厚度T2＝10mm，T1＝T2。
按照端框铺层空腔体积与筋条延伸体积相同的原则，宽度计算公式推导过程为：
V开口体积＝V筋条体积
S开口*H开口＝S筋条*H筋条
Figure BDA0003077469360000033
由于：T1＝T2
故：
Figure BDA0003077469360000041
其中，由于在端框的四层铺层中有三层铺层进行开口，故开口的厚度为3/4端框厚度；A1为端框铺层长度，也为筋条延伸入开口的长度。
实施例中根据上述计算公式,算得端框矩形开口宽度b1＝10.7mm，长度不限，本实施例取A1＝30mm。
实施例中端框90°铺层不开口，其余铺层矩形开口偏转方向与端框铺层角度一致，依据端框铺层角度分别按45°、-45°和0°方向进行偏转。
实施例中筋条延伸方向依据端框铺层角度，分别按45°、-45°和0°方向每3层一循环延伸进端框开口中，与上一层形成搭接。
实施例中端框铺层结构为(90°/45°/-45°/0°)n，其中n＝25。每4层配合3层筋条形成一个错层搭接基本单元，单元铺层顺序为90°/筋条①/45°/筋条②/-45°/筋条③/0°，以上述单元为一个循环进行铺贴。
实施例2
一种端框厚度与筋条高度不等的端框成型方式：铺层结构如图8-13所示，端框90°铺层没有开口，其余铺层按照铺层顺序开三个不同长度的梯形开口，比例满足1:2:3的设计，所有筋条延伸进端框内的开口区域，筋条利用阶梯状开口实现与一层或多层端框铺层的错层搭接，同时利用等体积原理实现等厚度铺层。在其他实施例中，梯形开口不局限于本实施例的三种不同长度的梯形开口，可以为其他数量的梯形开口，也可以为其他比例设计的梯形开口。
如图11所示，三个不同长度的梯形开口，比例满足1:2:3的设计，三个梯形开口的高度分别为1/3A、2/3A和A，最大梯形开口的下底设为b2，设定三个梯形开口的上底长度均为a，经过计算，得到三个梯形开口的下底分别为
Figure BDA0003077469360000042
和b2。
如图11所示，下底计算过程如下所示：由于三个梯形开口的高度比为1：2：3，则最大梯形的一侧梯形底差L1为
Figure BDA0003077469360000043
2/3A梯形开口的一侧梯形底差与L1之间的公式为：
Figure BDA0003077469360000044
Figure BDA0003077469360000045
2/3A梯形开口的下底为：
Figure BDA0003077469360000051
同样的，1/3A梯形开口的一侧梯形底差与L1之间的公式为：
Figure BDA0003077469360000052
Figure BDA0003077469360000053
1/3A梯形开口的下底为：
Figure BDA0003077469360000054
按照端框铺层空腔体积与筋条延伸体积相同的原则，宽度计算公式推导过程为：
V开口体积＝V筋条体积
S开口*H开口＝S筋条*H筋条
Figure BDA0003077469360000055
Figure BDA0003077469360000056
Figure BDA0003077469360000057
其中，最大梯形开口下底宽度为b2，筋条宽度及梯形开口上底宽度都为a，筋条厚度为T1，端框厚度T2，T1≠T2，A为最大梯形开口高度，也为筋条伸入梯形开口的长度。
实施例中筋条宽度a＝8mm，厚度T1＝8mm，端框厚度T2＝6mm，T1≠T2。
实施例中根据宽度计算公式，算得端框最大梯形开口下底b2为42.28mm，长度不限，按本实施例取A＝30mm。
实施例中端框90°铺层不开口，其余铺层按顺序，30°开10mm长开口、-30°开20mm长开口、0°开30mm长开口。
实施例中筋条延伸方向依据端框铺层角度，分别按30°、-30°和0°方向每3层一循环连续延伸进端框开口中，与多层端框铺层形成搭接。
实施例中端框铺层结构为(90°/30°/-30°/0°)n，其中n＝15。每4层端框铺层配合3层筋条形成一个错层搭接基本单元。基本单元铺层顺序为90°/30°/-30°/0°/筋条①/筋条②/筋条③，以上为一个循环进行铺贴。
对比例1
一种端框厚度与筋条高度相等的端框成型方式：铺层结构如图2所示，每4层端框铺层配合3层筋条铺层，端框加厚区各层对应筋条位置均不开口，筋条直接伸入到端框加厚区内。
实施例中筋条宽度a＝8mm，筋条厚度T1＝10mm，端框厚度T2＝10mm，T1＝T2。
对比例2
一种端框厚度与筋条高度不等的端框成型方式：铺层结构如图2所示，每4层端框铺层配合3层筋条铺层，端框加厚区各层对应筋条位置均不开口，筋条直接伸入到端框加厚区内。
实施例中筋条宽度a＝8mm，厚度T1＝8mm，端框厚度T2＝6mm，T1≠T2。
表1实施例1-2与对比例1-2性能对比表
Figure BDA0003077469360000061
分别利用实施例1-2及对比例1-2制得加筋结构件，每个实施例或对比例的加筋结构件为8件，通过对实施例1-2及对比例1-2中得到的加筋结构件中的筋条区域(筋条区域为图1中虚线方框表示位置)进行压缩强度性能测试，得到测试子样压缩强度数值，后取平均值得到实施例1-2及对比例1-2的压缩强度均值。
由表1可以看出，利用实施例1和实施例2制得的加筋结构件端框厚度均匀，且不会像对比例1-2制得的加筋结构件端框搭接处纤维曲皱、架桥情况严重，网格筋条传力效率打折，且搭接处厚度增加；且本实施例1-2得到的加筋结构件成型后无内部分层缺陷；经多个产品验证后传力达到要求，结构件不会在此处发生破坏。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.加筋结构件端框成型方法，其特征在于，筋条铺层延伸进端框内，端框在筋条延伸区域开对应形状和大小的开口，所述开口方向偏移或开口形成铺层阶梯，以实现筋条铺层与端框铺层错层搭接；再利用开口使延伸进端框的筋条体积与开口形成空腔的体积相等；所述端框铺层除90度铺层外，其余铺层在对应筋条延伸处开口，筋条铺层延伸进端框铺层中，端框铺层开口形状为梯形或矩形。
2.根据权利要求1所述的加筋结构件端框成型方法，其特征在于，当端框厚度与筋条高度相等时，端框铺层开口形状为矩形，开口沿筋条轴线方向偏转，偏转角度方向同铺层内纤维方向，筋条沿开口方向延伸进端框内。
3.根据权利要求2所述的加筋结构件端框成型方法，其特征在于，所述矩形开口宽度b1满足：
Figure FDA0003723705950000011
其中b1为矩形开口宽度，a为筋条宽度，端框铺层为N层，其中端框在X1层上设有矩形开口，X1层中的每个端框铺层上仅设有一个矩形开口，X1≤N，X1及N都为大于0的自然数。
4.根据权利要求1所述的加筋结构件端框成型方法，其特征在于，当端框厚度与筋条高度不等时，铺层开口形状为梯形，开口不需要偏转，沿筋条轴线进行开口，梯形开口高度分为3种，每3种为一组循环，三种开口高度依次为1/3A、2/3A和A，其中A为最大梯形的开口高度，筋条在剪口内沿多个方向分散进端框铺层中，筋条数量≥3个。
5.根据权利要求4所述的加筋结构件端框成型方法，其特征在于，所述梯形开口下底分为3种，为
Figure FDA0003723705950000012
和b2，分别对应1/3A、2/3A和A三种高度的开口，最大高度梯形开口下底b2满足：
Figure FDA0003723705950000013
其中b2为梯形开口下底，a为筋条宽度，T1为筋条厚度，T2为端框厚度。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的方法制备得到的加筋结构件端框。
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