CN114889156B - 一种碳纤维拉索成型装置及其成型方法 - Google Patents

一种碳纤维拉索成型装置及其成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种碳纤维拉索成型装置，包括：圆心共线依次设置的第一端头、第二端头、第三端头；第二端头、第三端头之间绕设有第一碳纤维层；第一端头、第三端头之间绕设有第二纤维层；第二端头的位置及外径尺寸满足等式：相比于传统碳纤维拉索的两端结构，本发明采用碳纤维拉索的一端采用“多端头结构”将原本多层碳纤维利用多组连接端头进行分割，从而使每个端头承载一部分载荷，并且各部分相互独立，在承载时无互相干扰，提高了碳纤维拉索的实际承载能力，有效防止运行时产品过早出现破坏。

Description

一种碳纤维拉索成型装置及其成型方法
技术领域
本发明涉及碳纤维拉索领域，具体是一种碳纤维拉索成型装置及其成型方法。
背景技术
碳纤维拉索以其轻质高强、耐腐蚀性优良正在受到国内外学者的关注，目前已出现平行棒索、平行板索等形式的碳纤维拉索，这几种方案的拉索采用多束拉挤板材或棒材进行组合，并利用混泥土等进行锚杯浇筑实现锚固，这种方案其优点在于每个拉挤芯棒或板材相对受力均匀，但锚固效果是利用锚杯与拉挤棒材或板材之间的摩擦力，其锚固系数有限且锚杯重量过大，十分不便；
专利CN112761070A《多用途高强度集成式实心碳纤维拉索及其制备方法》中提出一种新型拉索结构，通过连续碳纤维预浸料在一定张力下循环往复回绕在两端头上，在回绕的预浸料量达到要求后，进行环向缠绕，使其收束成为密实结构，截面为圆形或其他形状，这种方案不仅锚固系数高，而且重量轻连接方便。
但也存在一定不足，众所周知，当拉索承载要求越高时，所要求的预浸料数量就越大，两端连接的端头尺寸也将越大。收束时，回绕的预浸料会因回绕张力而保持一定的“张力拉直状态”，在环向缠绕张力下纤维将向轴向靠拢并发生变形，根据理论计算与试验结果知内外纤维变形量不一致，且设计载荷越大的拉索，变形量差别越大，即纤维处于不同的应力状态，当拉索挂载运行时，极容易发生纤维被“各个击破”，使拉索过早发生破坏而远远达不到设计载荷要求。
综上，如何提高实际承载能力，有效防止运行时产品过早出现破坏成为了本领域研究人员急需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何提高实际承载能力，有效防止运行时产品过早出现破坏；
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明是一种碳纤维拉索成型装置，包括：圆心共线依次设置的第一端头、第二端头、第三端头；第二端头、第三端头之间绕设有第一碳纤维层；第一端头、第三端头之间绕设有第二纤维层；第二端头的位置及外径尺寸满足等式：
其中，D1.1为第二端头的外径、d2.1为第一碳纤维层层厚度、d2.2为第二碳纤维层层厚度、D为第一端头、第二端头的外径；L1为第二端头圆心到第一交汇点的水平距离；L0为第一端头圆心到第一交汇点的水平距离；第一交汇点为第一碳纤维层、第二纤维层收束后靠近的端部。
第二端头的外径以及尺寸满足的等式是为了第二碳纤维层的贴合第一碳纤维层。
如何使用上述成型装置进行成型，本发明采用包括如下步骤：
S1：根据选择所述第二端头采用的直径以及安装位置；
S2：将完成预浸料第一纤维层采用回绕设备，将第一碳纤维层在第二端头、第三端头上进行回绕，达到设计层数时停止回绕，并将回绕机暂停在第三端头处；
S3：在已经回绕完成的第一碳纤维层上包覆一层隔离膜，隔离膜包覆的起终点为第一碳纤维层与第二端头与第三端头的上下侧的切点位置；
S4：将第一端头安装至固定位置，满足中心距L的产品要求，启动回绕机设备，继续进行回绕，此次第二碳纤维层是在第一端头、第三端头上进行回绕，直至达到第二碳纤维层数要求的总量，则完成回绕；
其中L为第一端头、第三端头的圆心距离；
S5：若设计有多个端头结构，则按照步骤S3和S4进行重复回绕以完成所有回绕操作；
S6：完成所有回绕操作后，由专用收束设备进行中心段收束成为密实结构，收束可将分开角处包覆。
设置隔离膜包覆的起终点，其目的在于预浸料间的隔离，防止接下来回绕的预浸料与已回绕第一碳纤维层出现粘接；
收束可将分开角处包覆，使产品外观更完美。
这样一来，相比于传统碳纤维拉索的两端结构，本发明采用碳纤维拉索的一端采用“多端头结构”将原本多层碳纤维利用多组连接端头进行分割，从而使每个端头承载一部分载荷，并且各部分相互独立，在承载时无互相干扰，提高了碳纤维拉索的实际承载能力，有效防止运行时产品过早出现破坏。
进一步，S3中隔离膜采用热塑性薄膜，热塑性薄膜采用聚酯薄膜或聚四氟乙烯薄膜；
隔离膜可选择聚酯薄膜、聚四氟乙烯薄膜等热塑性薄膜，但优先选择聚四氟乙烯薄膜，该薄膜能够较好的耐温，在后续固化时不会发生变形，能有效实现隔离；
进一步，S6中收束材料采用与S2中回绕用预浸料的树脂体系相同；
收束材料优先采用与回绕用预浸料的树脂体系相同，之后再进行固化即可。
如何得到d2.1的数值，本发明采用
步骤一：根据第一、三端头的尺寸确定绕设第一、三端头上，碳纤维层的总厚度DF；
步骤二：根据公式
确定δ内、δ外的数值；
步骤三：取δ内、δ外的中间值，即(δ内+δ外)/2；
步骤四：δn＝(δ内+δ外)/2-δ内；
步骤五：将δn带入至步骤二中的公式②中，其中DF替换为d2.1，得到d2.1的数值。
本发明的有益效果：本发明是一种碳纤维拉索成型装置及其成型方法，相比于传统碳纤维拉索的两端结构，本发明采用碳纤维拉索的一端采用“多端头结构”将原本多层碳纤维利用多组连接端头进行分割，从而使每个端头承载一部分载荷，并且各部分相互独立，在承载时无互相干扰，提高了碳纤维拉索的实际承载能力，有效防止运行时产品过早出现破坏。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是缠绕层绕设在拉索上的结构示意图；
图中：1.0：第一端头、1.1第二端头、1.2：第三端头；
2.1：第一碳纤维层；
2.2：第二碳纤维层；
3：碳纤维层收束区；
3.1：第一交汇点；
3.2：第二交汇点；
4：隔离膜
5：分开角2α。
L：拉索总长；
L1：第二端头到第一交汇点的距离；
L0：第一端头到第一交汇点的距离；
6：收束材料。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1
本发明是一种碳纤维拉索成型装置，包括：圆心共线依次设置的第一端头1.0、第二端头1.1、第三端头1.2；第二端头1.1、第三端头1.2之间绕设有第一碳纤维层2.1；第一端头1.0、第三端头1.2之间绕设有第二纤维层2.2；第二端头1.2的位置及外径尺寸满足等式：
其中，D1.1为第二端头的外径、d2.1为第一碳纤维层层厚度、d2.2为第二碳纤维层层厚度、D为第一端头、第二端头的外径；L1为第二端头圆心到第一交汇点的水平距离；L0为第一端头圆心到第一交汇点的水平距离；第一交汇点为第一碳纤维层、第二纤维层收束后靠近的端部。
第二端头的外径以及尺寸满足的等式是为了第二碳纤维层的贴合第一碳纤维层。
如何使用上述成型装置进行成型，本发明采用包括如下步骤：
S1：根据选择所述第二端头1.1采用的直径以及安装位置；
S2：将完成预浸料第一碳纤维层2.1采用回绕设备，将第一碳纤维层2.1在第二端头1.1、第三端头1.2上进行回绕，达到设计层数时停止回绕，并将回绕机暂停在第三端头处；
S3：在已经回绕完成的第一碳纤维层2.1上包覆一层隔离膜4，隔离膜4包覆的起终点为第一碳纤维层2.1与第二端头1.1与第三端头1.0的上下侧的切点位置；
S4：将第一端头1.0安装至固定位置，满足中心距L的产品要求，启动回绕机设备，继续进行回绕，此次第二碳纤维层22是在第一端头1.0、第三端头1.2上进行回绕，直至达到第二碳纤维层2.2数要求的总量，则完成回绕；
其中L为第一端头、第三端头的圆心距离；
S5：若设计有多个端头结构，则按照步骤S3和S4进行重复回绕以完成所有回绕操作；
S6：完成所有回绕操作后，由专用收束设备进行中心段收束成为密实结构，收束材料6可将分开角处包覆。
设置隔离膜包覆的起终点，其目的在于预浸料间的隔离，防止接下来回绕的预浸料与已回绕第一碳纤维层出现粘接；
收束可将分开角处包覆，使产品外观更完美。
这样一来，相比于传统碳纤维拉索的两端结构，本发明采用碳纤维拉索的一端采用“多端头结构”将原本多层碳纤维利用多组连接端头进行分割，从而使每个端头承载一部分载荷，并且各部分相互独立，在承载时无互相干扰，提高了碳纤维拉索的实际承载能力，有效防止运行时产品过早出现破坏。
进一步，S3中隔离膜4采用热塑性薄膜，热塑性薄膜采用聚酯薄膜或聚四氟乙烯薄膜；
隔离膜可选择聚酯薄膜、聚四氟乙烯薄膜等热塑性薄膜，但优先选择聚四氟乙烯薄膜，该薄膜能够较好的耐温，在后续固化时不会发生变形，能有效实现隔离；
进一步，S6中收束材料6采用与S2中回绕用预浸料的树脂体系相同；
收束材料优先采用与回绕用预浸料的树脂体系相同，之后再进行固化即可。
如何得到d2.1的数值进而获得D1.1的外径，本发明采用
步骤一：根据第一、三端头的尺寸确定绕设第一、三端头上，碳纤维层的总厚度DF；
步骤二：根据公式
确定δ内、δ外的数值；
步骤三：取δ内、δ外的中间值，即(δ内+δ外)/2；
步骤四：δn＝(δ内+δ外)/2-δ内；
步骤五：将δn带入至步骤二中的公式②中，其中DF替换为d2.1，得到d2.1的数值。
由于公式中d2.1+d2.2＝DF，d2.1、d2.2、DF、D、L0、L1均为已知量，便能获得D1.1的外径。
本发明是一种碳纤维拉索成型装置及其成型方法，相比于传统碳纤维拉索的两端结构，本发明采用碳纤维拉索的一端采用“多端头结构”将原本多层碳纤维利用多组连接端头进行分割，从而使每个端头承载一部分载荷，并且各部分相互独立，在承载时无互相干扰，提高了碳纤维拉索的实际承载能力，有效防止运行时产品过早出现破坏。
实施例2
以长度为L，载重要求为T的拉索为例进行结构设计思路说明：
材料：
1)碳纤维预浸料单层厚度为d，幅宽为b，单束纤维的破坏强力为F；
2)端头采用某型号不锈钢，高度为h，外径为D。
理论依据：
1、计算纤维需求量：根据载荷要求和预浸料的拉伸破坏强力计算可得，记为N；
2、计算单层纤维束的根数：通过端头高度和预浸料幅宽计算可得，记为η；
3、计算纤维层总厚度：通过1)与2)可得，DF＝N/η＝T*b/(F*h)；
4、分别计算最内层与最外层的纤维应变：
由上式可知，从首层回绕的纤维开始向外，纤维的应变逐渐变小，即内侧纤维变形较大，承载时内部纤维将先破坏，而外部纤维破坏较晚，纤维束的破坏存在时间差，无法同时承载，导致拉索过早失效。
基于上述分析，可在第一端头1.0与第三端头1.2间设置额外的第二端头1.1，即可降低第一端头1.0和第二端头1.1端头上第一碳纤维层、第二碳纤维层的厚度值，从而降低δn与δ内以及δn与δ外的差值Δδ。由于第二端头1.1位于第一端头1.0与第三端头1.2间，因此其规格以及承载的纤维量设计应满足以下要求：
①其位置及外径尺寸满足等式：
其中：D1.1为端头1.1的外径；d2.1为第一层碳纤维层厚度；d2.2为第二层碳纤维层厚度；Δδ要均衡；
在此处构建为两个相似三角形的数学模型，D1.1+d2.1+d2.2构成第一三角形的底边，D+d2.2构成第一三角形的底边，L1为第一三角形的高度，L0为第二三角形的高度，即高度相比为数值等于底边相比的数值，这样设置使得第一碳纤维层贴个第二碳纤维层。
②在其上的碳纤维层厚度应满足：δ内-δn与δn-δ外的差值越小越好。
实施例3
目标产品：拉索长度L为2000mm，T＝400吨设计载荷，分开角为10°即α＝5°
材料特性：T700丝束预浸料，预浸料宽度：b＝6.4mm，厚度：a＝0.13mm，破坏强力：F＝1970N
端头结构：630不锈钢，外径D＝100mm，端头高度为h＝45mm.
Step1：计算纤维量：纤维总量n＝T/F＝400*10*1000/1970＝2030根，即满足该产品的载荷至少需要2030根丝束预浸料；
Step2：计算纤维层层数：纤维在端头高度方向为均匀排列，通过预浸料宽度及端头高度计算每层纤维层的根数，即有45/6.4＝7，即7根纤维能铺满端头高度方向一层，因此总计2030根纤维，需要铺的层数＝2030/7＝290层；
Step3:计算纤维层总厚度，即DF＝290*0.13＝37.7，即纤维层的总厚度为37.7mm(第一纤维层与第二纤维层厚度之和)；
Step4：根据公式，计算纤维层内外层应变：δ内＝0.22％，δ外＝0.053％，应变差0.167％；
Step5：确定额外的端头摆放位置，需要将内外的应变降低，取上述应变的中间值即δn＝0.137％，使得实际缠绕的第一碳纤维层内外应变差，与第二碳纤维层的应变差接近，此处均为Δδ＝0.084％，即使两层纤维受力均匀；
Step6：根据step5中应变的要求，根据公式
再逆推获得第一纤维层的厚度约为：d2.1＝18.5mm即为总厚度的0.49，即第一纤维层为总纤维层厚度的0.49处较合理，此时最大应变差为0.084％；
公式中的δ外替换为δn，得到d2.1。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种碳纤维拉索成型装置的成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据选择第二端头采用的直径以及安装位置；
S2：将完成预浸料第一纤维层采用回绕设备，将第一碳纤维层在第二端头、第三端头上进行回绕，达到设计层数时停止回绕，并将回绕机暂停在第三端头处；
S3：在已经回绕完成的第一碳纤维层上包覆一层隔离膜，隔离膜包覆的起终点为第一碳纤维层与第二端头与第三端头的上下侧的切点位置；
S4：将第一端头安装至固定位置，满足中心距L的产品要求，启动回绕机设备，继续进行回绕，此次第二碳纤维层是在第一端头、第三端头上进行回绕，直至达到第二碳纤维层数要求的总量，则完成回绕；
其中L为第一端头、第三端头的圆心距离；
S5：若设计有多个端头结构，则按照步骤S3和S4进行重复回绕以完成所有回绕操作；
S6：完成所有回绕操作后，由专用收束设备进行中心段收束成为密实结构，收束可将分开角处包覆；
D1.1为第二端头的外径、d2.1为第一层碳纤维层厚度、d2.2为第二层碳纤维层厚度、D为第一端头的外径；L1为所述第二端头圆心到第一交汇点的水平距离；L0为所述第一端头圆心到第一交汇点的水平距离；
所述第一交汇点为所述第一碳纤维层、第二纤维层收束后靠近的端部；
其中d2.1确定包括如下步骤：
步骤一：根据第一、三端头的尺寸确定绕设第一、三端头上，碳纤维层的总厚度DF；
步骤二：根据公式
确定δ内、δ外的数值；
步骤三：取δ内、δ外的中间值，即δn＝(δ内+δ外)/2；
步骤四：Δδ＝(δ内+δ外)/2-δ内；
步骤五：将δn带入至步骤二中的公式②中，其中DF替换为d2.1，得到d2.1的数值；
其中，δ内为内层碳纤维的应变值、δ外为外层碳纤维的应变值、α为分开角的二分之一。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维拉索成型装置的成型方法，其特征在于：S3中隔离膜采用热塑性薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种碳纤维拉索成型装置的成型方法，其特征在于：热塑性薄膜采用聚酯薄膜或聚四氟乙烯薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维拉索成型装置的成型方法，其特征在于：S6中收束材料采用与S2中回绕用预浸料的树脂体系相同。
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