CN212536543U - 一种复合材料圆环链节结构 - Google Patents

Abstract

一种复合材料圆环链节结构，其主要是：切向纤维、法向纤维和树脂构成，最内侧采用一定量法向纤维结构形成圆环链节，并由切向纤维对法向纤维的圆环切线方向形成缠绕结构，在上层采用一定量法向纤维覆盖于切向纤维上，且最外侧通过切向纤维对圆环链节进行整体封闭，树脂则嵌入在所有纤维之间。其中，复合材料纤维可以是玻璃纤维、碳纤维等纤维材质。本发明复合材料圆环链节能够最大化复合材料中纤维的性能，且质量轻于钢制圆环链4至5倍，抗拉强度高于同尺寸钢制圆环链1.5倍以上，同时本发明链节抗拉强度能够比无切向纤维复合材料圆环高出4倍以上。

Description

一种复合材料圆环链节结构

技术领域

本发明涉及一种圆环链节，特别是一种复合材料圆环链节。

背景技术

圆环链也称为环形链，该结构是一种常用的链条结构，单个圆环链节包含上圆环、下圆环和中间段，并采用圆环与圆环相互套接的方式形成长链结构，具有载重强度高、操作灵活性好等优点。应用于起重机、飞机机库系固、采矿设备、船舶、行道、码头运输等重型机械领域。

早在1999年，中国人民解放军发布的《舰船直升机系留索具通用规范》中，规定了舰船直升机钢制系留索具中圆环链的技术要求，质量保证和交货准备等。其载荷能力要求，在验证载荷下，系留索具应无永久变形和损坏，破断前的载荷应不小于规定值，其要求链条直径为14mm的系留索具载荷能力使用载荷不小于124kN,验证载荷不小于173.6kN,破断载荷不小于248kN，并且系留索具应当具有适当的抗冲击能力，反复跌落到夹板时应无损坏和裂纹。至今，圆环链已经有广泛应用，特别是载重设备。1999年发布了《起重机用短环链》相关标准，规定了钢制短环链的具体尺寸，以及焊缝的相关要求。

然而，现今的圆环链多数采用金属结构，并对每一节圆环套节后进行焊接，这使得钢结构圆环链质量大，操作时费时费力，此外，因对圆环焊缝要求较高，使得套接圆环加工难度较大，同时焊缝也容易产生一定的缺陷而影响链接力学等性能并降低产品合格率。美国3D打印公司Markforged在2016年花费72小时使用碳纤维材料打印了一节圆环链，并且进行了实验，最终该链节在22000磅(约10吨)的作用力下发生断裂。其具有载重大、强度高、重量轻等优点。

现今，复合材料圆环链发展较慢，国内少有厂商能够一体化制作符合要求的圆环链节，而复合材料密度远远低于钢材料，且强度远大于钢材，这使得复合材料成为制作圆环链的最佳材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合材料圆环链节结构，该种复合材料圆环链节具有重量轻，强度高于一般复合材料圆环链节结构等优点。

本发明圆环链节结构的复合材料可以是玻璃纤维、碳纤维等增强塑料，主要采用单向预浸料缠绕热压成型。本发明提出一种新型圆环链节结构方案，通过合理改变其内部纤维缠绕及交织方向及结构获得高强度复合材料圆环链节。

圆环链中单个圆环链节包含上圆环、下圆环和中间段，根据圆环链受力特征，圆环链节中上下圆环和中间段均受到较大的拉应力，本发明将其纤维进行受力方向布置，使纤维预浸料中纤维朝向和受力方向一致，以增加其承载能力。本发明主要先将纤维预浸料进行条形裁剪，再将裁剪的纤维预浸料以圆环链节形状对上圆环、下圆环和中间段进行缠绕，缠绕一定层数后，再利用另一个纤维预浸料对其圆环直径的切向方向进行缠绕，最后再对整体结构进行热压成型，获得该结构圆环链节。

本发明的复合材料圆环链具有较为特殊的结构，各纤维能够在拉应力方向上排布，因此能够最大程度地利用复合材料中纤维的高强度性能。此外，普通复合材料圆环链节在纤维拉伸时，由于圆环径向仅通过树脂粘合，会出现圆环径向首先开裂而失效的情况，而本发明通过实验和数据研究，创新的在圆环链节截面直径切向方向进行纤维排布。经过实验验证，本发明的圆环链节结构能够有效提高圆环链抗拉强度4倍以上，并完全解决了圆环径向开裂的失效情况。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、复合材料圆环链结构重量比钢制圆环链轻4-5倍，且本发明的复合材料圆环链节的拉伸强度能够达到同尺寸钢制圆环链节的1.5倍以上。

2、复合材料圆环链节的纤维朝向和受力方向一致，能够最大化纤维抗拉强度性能。

3、本发明复合材料圆环链抗拉强度比无切向纤维复合材料圆环高出4倍以上。

4、本发明能够完全解决复合材料圆环径向开裂的失效情况。

附图说明

图1为本发明圆环链节内部结构示意简图；

图2为图圆环链示意简图；

图3为无切向纤维复合材料圆环链失效示意图；

图4为本发明复合圆环链断裂失效示意图；

图中：1-圆环链节；2-切向纤维；3-法向纤维；4-树脂。

具体实施方式

在图1所示的复合材料圆环链节示意简图中，其由外向内依次为圆环链节1、切向纤维2、法向纤维3和树脂4。该圆环链节通过纤维预浸料裁剪缠绕后热压成型，切向纤维2和法向纤维3都预浸在树脂4中，纤维可以是玻璃纤维、碳纤维等纤维材质。如图1可知，本发明的圆环链节内侧先采用法向纤维3形成一定数量圆环结构后，通过切向纤维2对内部法向纤维3形成缠绕结构，在形成切向纤维2缠绕结构后，继续采用法向纤维3对其进行多层覆盖，最后在外侧采用切向纤维2进行封闭，树脂则嵌入在所有纤维之间。法向纤维3能够有效承受圆环链节的拉应力，同时，切向纤维2能够锁紧法向纤维3，能够有效解决法向纤维3在受力时分散开裂的现象，从而能够提高圆环链节整体拉伸强度。

图2为复合材料圆环链示意图，通过图1中的复合材料圆环链结构，采用特制的热压模具即可套接串联成链状结构。

图3为复合材料圆环链在无切向纤维2时进行热压成型，并在拉伸实验后获得的失效示意图。图3中显示，在无切向纤维2的情况下的复合材料圆环链结构会在拉应力较小的情况下发生圆环开裂的现象，这将大大降低复合材料性能。

图4为本发明的复合材料圆环链结构，在含有切向纤维2的情况下热压成型后，通过实验获得的断裂示意图。图4中显示，在切向纤维2的作用下完全地解决了圆环开裂的现象，同时能够最大化的发挥复合材料的力学性能，并且，实验表明，增加切向纤维2后，抗拉强度是图3中没有切向纤维2的4倍左右，且高于同尺寸钢制圆环链1.5倍以上。

Claims (4)

1.一种复合材料圆环链节，其特征在于：圆环链节结构最内侧以法向纤维结构形成圆环链节，切向纤维在内侧法向纤维的圆环切线方向形成缠绕结构，并同时切向纤维结构上层覆盖法向纤维，且最外侧通过切向纤维形成圆环链节封闭结构，树脂则嵌入在所有纤维之间。

2.根据权利要求1所述的复合材料圆环链节，其特征在于：圆环链节结构中的复合材料纤维是玻璃纤维、碳纤维等纤维材质。

3.根据权利要求1所述的复合材料圆环链节，其特征在于：圆环链节结构中树脂是热固性树脂或热塑性树脂。

4.根据权利要求1所述的复合材料圆环链节，其特征在于：圆环链节结构可通过特制模具预浸料热压成型或者湿法成型。

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