CN114889164B - 复合材料卷尺及层合板结构预应力调控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料卷尺及层合板结构预应力调控装置，包括加热底板、纤维夹具、加热盖、拉伸组件、圆管模具、上模具；圆管模具可拆的安装在加热底板上端面；上模具可拆的安装在加热盖内，加热盖能盖设在加热底板上端面，上模具能罩设在圆管模具外，上模具与圆管模具平行；纤维夹具用于夹持纤维，设置两组，每组包括一个固定夹具、一个活动夹具，拉伸组件设置两个，两个拉伸组件垂直，分别与一个活动夹具相连接，用于对纤维夹具夹持的纤维施加预应力，本装置可在不增加材料质量、几何构型的情况下，通过施加预应，调控结构内应力获得不同铺设角度与单稳态、双稳态及多稳态复合材料结构。
Description
技术领域
本发明涉及机械结构技术领域，具体涉及一种复合材料卷尺及层合板结构预应力调控装置。
背景技术
复合材料卷尺及层合板结构是指能够在两种不同形状下稳定存在的一种薄壳结构，在外力激励下可实现重复稳定变形。由于结构在轻量化、耐腐蚀、可简化传统机械铰接机构，以及优化空气动力学效应等方面的优势，使其在航空航天、交通运输等方面有很高经济价值及广阔应用前景。传统结构的制备需要经过加热、冷却固化等过程，不可避免地会在材料内部产生热残余应力，导致层合板制品产生局部扭转、翘曲，甚至产生基体微裂纹，在结构服役过程中会促进裂纹的扩展，进而导致材料的损伤甚至失效，限制结构的力学性能及寿命。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种复合材料卷尺及层合板结构预应力调控装置。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种复合材料卷尺及层合板结构预应力调控装置，包括加热底板、纤维夹具、加热盖、拉伸组件、圆管模具、上模具；
所述圆管模具可拆的安装在加热底板上端面；
所述上模具可拆的安装在加热盖内，加热盖能盖设在加热底板上端面，上模具能罩设在圆管模具外，上模具与圆管模具平行；
所述纤维夹具用于夹持纤维，设置两组，每组包括一个固定夹具、一个活动夹具，一组纤维夹具的两个组件分别设置在加热底板的前后两侧，另一组组纤维夹具的两个组件分别设置在加热底板的左右两侧，固定夹具与加热底板连接固定；
所述拉伸组件设置两个，两个拉伸组件垂直，分别与一个活动夹具相连接，用于对纤维夹具夹持的纤维施加预应力。
进一步的，所述上模具包括竖板、圆弧顶板，对称设置的两个竖板上端将圆弧顶板相连接。
进一步的，所述上模具下端面圆弧过渡，加热盖能盖设在加热底板上后，上模具下端位于加热底板上方。
进一步的，所述加热盖中部设置有通孔，通孔可插设有与其转动配合的旋钮，旋钮下端与上模具上端中部螺接，旋钮中部开设有连通上模具内表面的中间螺纹孔，中间螺纹孔经密封螺栓进行密封。
进一步的，所述固定夹具、活动夹具结构相同，均包括一下夹板、一上夹板，下夹板与下夹板经竖向螺栓可拆连接，活动夹具的下夹板与对应的拉伸组件相连接， 固定夹具的下夹板固定安装在加热底板周侧。
进一步的，所述下夹板、上夹板相配合的夹持面设置有相配合的锯齿纹。
进一步的，所述拉伸组件为电动推杆，电动推杆的推杆末端经拉力传感器连接活动夹具，传感器经数据线与测力计电性连接。
进一步的，所述加热底板、加热盖内部均设置有电加热器，电加热器经导线与温控箱电性连接。
进一步的，所述加热底板上表面以器中点为圆心，圆周均布有2N个固定孔，N不小于1，圆管模具两端开设有与固定孔相配合的连接孔，圆管模具经穿设连接孔、固定孔的固定销与加热底板进行固定。
一种复合材料卷尺及层合板结构预应力调控方法，进行复合材料卷尺结构的预应力调控由步骤S1.1开始，进行复合材料层合板结构的预应力调控由步骤S1.2开始；具体步骤如下：
S1.1: 根据所需结构曲率及纤维铺层结构设计，取对应的圆管模具、上模具，分别安装在加热底板、上加热盖上；
S1.2:进行复合材料卷尺的预应力调控
S2：将需施加预应力的纤维铺层按照所需尺寸裁剪，并沿纤维方向铺设在加热底板上，纤维的端部经纤维夹具夹持；
S3：将加热盖向下压紧，然后启动拉伸组件，通过拉伸组件拉动活动夹具对限位施加预应力至设定值后停止加载并保持力值大小；
S4：如果拉伸纤维需通过模具旋钮的中间螺纹孔浇筑树脂，则取下密封螺栓进行浇筑后，旋上密封螺栓；如不需要浇筑树脂则直接进入步骤S6；
S5：设定所需固化温度与固化时间，通过加热底板与加热盖开始加热直至固化时间结束；
S6：固化结束后，卸载拉伸组件所施加的预应力，并按照所需结构尺寸裁剪复合材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：可在不增加材料质量、几何构型的情况下，通过施加预应，调控结构内应力获得不同铺设角度与单稳态、双稳态及多稳态复合材料结构，从根本上提高卷尺及层合板结构的综合力学性能，并实现结构稳态和几何构型的调控；本装置预应力调控范围广、力值可控、结构制备简单、纤维铺层角度可调、安装方便、受热均匀。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为本装置示意图一。
图2为本装置示意图二。
图3为加热盖底部示意图。
图4为夹具连接件示意图。
图5为活动夹具的下夹板示意图。
图6为上夹板示意图。
图7为固定夹具的下夹板示意图。
图8为加热底板示意图。
图9为圆柱模具示意图。
图10为模具旋钮示意图。
图11为上模具的示意图。
图中：1-拉伸组件；2-连接件；3-拉力传感器；4-测力计；5-数据线；6-夹具连接件；61-连接螺纹孔；62-连接通孔；7-活动夹具的下夹板；71-横向螺纹孔；72-纵向螺纹孔；8-上夹板；81-上夹板通孔；9-加热盖；10-模具旋钮；11-加热盖导热线；12-加热盖的温控箱；13-固定夹具的下夹板；131-夹具螺纹孔；132-夹具通孔；14-加热底板的温控箱；15-加热底板的导热线；16-加热底板；162-底板螺纹孔；17-固定孔；18-圆管模具；181-连接孔；19-固定销；20-上模具。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-11所示，一种复合材料卷尺及层合板结构预应力调控装置，包括加热底板16、纤维夹具、加热盖9、拉伸组件1、圆管模具18、上模具20；
所述圆管模具可拆的安装在加热底板上端面；
所述上模具可拆的安装在加热盖内，加热盖能盖设在加热底板上端面，上模具能罩设在圆管模具外，上模具与圆管模具平行；
所述纤维夹具用于夹持纤维，纤维包括纵横交错的纵纤维和横纤维，纤维夹具设置两组分别用以夹持纵纤维和横纤维的端部，每组包括一个固定夹具、一个活动夹具，一组纤维夹具的两个组件分别设置在加热底板的前后两侧，另一组组纤维夹具的两个组件分别设置在加热底板的左右两侧，固定夹具与加热底板连接固定；
所述拉伸组件设置两个，两个拉伸组件垂直，分别与一个活动夹具相连接，用于对纤维夹具夹持的纤维施加预应力；
复合材料拉伸时平行于加热底板；
制备时通过加热盖保持复合材料铺层结构受热均匀且温度恒定；复合材料卷尺及层合板结构制备时通过加热盖与上模具保持复合材料在固化过程中不会发生翘曲变形。
在本实施例中，圆管模具利用耐热温度≥250℃的材料；圆管模具与上模具直径根据所需制备复合材料卷尺及层合板结构曲率进行更换。
在本实施例中，所述上模具包括竖板、圆弧顶板，对称设置的两个竖板上端将圆弧顶板相连接。
在本实施例中，所述上模具下端面圆弧过渡，使得与复合材料接触部分为圆角，减少应力集中，加热盖能盖设在加热底板上后，上模具下端位于加热底板上方。
在本实施例中，所述加热盖中部设置有通孔，通孔可插设有与其转动配合的旋钮10，旋钮下端与上模具上端中部螺接，旋钮中部开设有连通上模具内表面的中间螺纹孔，中间螺纹孔经密封螺栓进行密封；模具旋钮可以控制上模具旋转，保证上模具与圆管模具的配合。
在本实施例中，所述固定夹具、活动夹具结构相同，均包括一下夹板7、13，一上夹板8，下夹板与下夹板经竖向螺栓可拆连接，活动夹具的下夹板与对应的拉伸组件相连接，固定夹具的下夹板固定安装在加热底板周侧；移动夹具的下夹板通过纵向螺纹孔72与连接螺纹孔61连接，移动夹具的下夹板横向螺纹孔71与上夹板通孔81螺栓连接；固定夹具的下夹板通过夹具通孔132与底板螺纹孔162螺栓连接；固定夹具的下夹板通过夹具螺纹孔131与上夹板通孔81螺栓连接。
在本实施例中，为保证复合材料有效夹紧，所述下夹板、上夹板相配合的夹持面设置有相配合的锯齿纹。所述锯齿纹是指，间隔设置在上夹板下表面的若干凸棱及在下夹板上表面的与凸棱一一对应设置以容置凸棱的凹槽。
在本实施例中，所述拉伸组件为电动推杆，电动推杆的推杆末端经连接件2连接拉力传感器3，拉力传感器经夹具连接件6连接活动夹具的下夹板，传感器经数据线5与测力计4电性连接。
在本实施例中，所述加热底板、加热盖内部均设置有电加热器，电加热器经导线与温控箱12、14电性连接，进行温度控制。
在本实施例中，所述加热底板上表面以器中点为圆心，圆周均布有2N个固定孔17，N不小于1，圆管模具两端开设有与固定孔相配合的连接孔181，圆管模具经穿设连接孔、固定孔的固定销19与加热底板进行固定，将圆管模具变换角度固定在加热底板上、上模具配合，可制备不同铺设角度的复合材料卷尺结构。
一种复合材料卷尺及层合板结构预应力调控方法，进行复合材料卷尺结构的预应力调控由步骤S1.1开始，进行复合材料层合板结构的预应力调控由步骤S1.2开始；具体步骤如下：
S1.1: 根据所需结构曲率及纤维铺层结构设计，取对应的圆管模具、上模具，分别安装在加热底板、上加热盖上；
S1.2:进行复合材料卷尺的预应力调控
S2：将需施加预应力的纤维铺层按照所需尺寸裁剪，并沿纤维方向铺设在加热底板上，纤维的端部经纤维夹具夹持；
S3：将加热盖向下压紧，然后启动拉伸组件，通过拉伸组件拉动活动夹具对限位施加预应力至设定值后停止加载并保持力值大小；复合材料卷尺结构中由于合模和加热盖的重力给复合材料垂直方向带来额外的力影响水平方向的预应力，因此需要将预应力加载至预设的105%大小；层合板结构中由于加热盖的重力给复合材料垂直方向带来额外的力影响水平方向的预应力，因此需要将预应力加载至预设的105%大小
S4：如果拉伸纤维需通过模具旋钮的中间螺纹孔浇筑树脂，则取下密封螺栓进行浇筑后，旋上密封螺栓；如不需要浇筑树脂则直接进入步骤S6；
S5：设定所需固化温度与固化时间，通过加热底板与加热盖开始加热直至固化时间结束；
S6：固化结束后，卸载拉伸组件所施加的预应力，并按照所需结构尺寸裁剪复合材料。
本专利如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种复合材料卷尺及层合板结构预应力调控装置，其特征在于：包括加热底板、纤维夹具、加热盖、拉伸组件、圆管模具、上模具；所述上模具包括竖板、圆弧顶板，对称设置的两个竖板上端将圆弧顶板相连接；所述上模具下端面圆弧过渡，加热盖能盖设在加热底板上后，上模具下端位于加热底板上方；
所述圆管模具可拆的安装在加热底板上端面；
所述上模具可拆的安装在加热盖内，加热盖能盖设在加热底板上端面，上模具能罩设在圆管模具外，上模具与圆管模具平行；
所述纤维夹具用于夹持纤维，设置两组，每组包括一个固定夹具、一个活动夹具，一组纤维夹具的两个组件分别设置在加热底板的前后两侧，另一组组纤维夹具的两个组件分别设置在加热底板的左右两侧，固定夹具与加热底板连接固定；所述固定夹具、活动夹具结构相同，均包括一下夹板、一上夹板，下夹板与下夹板经竖向螺栓可拆连接，活动夹具的下夹板与对应的拉伸组件相连接， 固定夹具的下夹板固定安装在加热底板周侧；
所述拉伸组件设置两个，两个拉伸组件垂直，分别与一个活动夹具相连接，用于对纤维夹具夹持的纤维施加预应力。
2.根据权利要求1所述的复合材料卷尺及层合板结构预应力调控装置，其特征在于：所述加热盖中部设置有通孔，通孔可插设有与其转动配合的旋钮，旋钮下端与上模具上端中部螺接，旋钮中部开设有连通上模具内表面的中间螺纹孔，中间螺纹孔经密封螺栓进行密封。
3.根据权利要求1所述的复合材料卷尺及层合板结构预应力调控装置，其特征在于：所述下夹板、上夹板相配合的夹持面设置有相配合的锯齿纹。
4.根据权利要求1所述的复合材料卷尺及层合板结构预应力调控装置，其特征在于：所述拉伸组件为电动推杆，电动推杆的推杆末端经拉力传感器连接活动夹具，传感器经数据线与测力计电性连接。
5.根据权利要求1所述的复合材料卷尺及层合板结构预应力调控装置，其特征在于：所述加热底板、加热盖内部均设置有电加热器，电加热器经导线与温控箱电性连接。
6.根据权利要求1所述的复合材料卷尺及层合板结构预应力调控装置，其特征在于：所述加热底板上表面以器中点为圆心，圆周均布有2N个固定孔，N不小于1，圆管模具两端开设有与固定孔相配合的连接孔，圆管模具经穿设连接孔、固定孔的固定销与加热底板进行固定。
7.一种复合材料卷尺及层合板结构预应力调控方法，采用如据权利要求2所述的复合材料卷尺及层合板结构预应力调控装置，其特征在于：进行复合材料卷尺结构的预应力调控由步骤S1.1开始，进行复合材料层合板结构的预应力调控由步骤S1.2开始；具体步骤如下：
S1.1: 根据所需结构曲率及纤维铺层结构设计，取对应的圆管模具、上模具，分别安装在加热底板、上加热盖上；
S1.2:进行复合材料卷尺的预应力调控
S2：将需施加预应力的纤维铺层按照所需尺寸裁剪，并沿纤维方向铺设在加热底板上，纤维的端部经纤维夹具夹持；
S3：将加热盖向下压紧，然后启动拉伸组件，通过拉伸组件拉动活动夹具对限位施加预应力至设定值后停止加载并保持力值大小；
S4：如果拉伸纤维需通过模具旋钮的中间螺纹孔浇筑树脂，则取下密封螺栓进行浇筑后，旋上密封螺栓；如不需要浇筑树脂则直接进入步骤S6；
S5：设定所需固化温度与固化时间，通过加热底板与加热盖开始加热直至固化时间结束；
S6：固化结束后，卸载拉伸组件所施加的预应力，并按照所需结构尺寸裁剪复合材料。
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