CN216896744U - 一种基于纤维增强的金属复合构件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于纤维增强的金属复合构件，包括：金属基体，金属基体上设置有与水平方向呈预设角度的若干凹槽，若干凹槽内填充有纤维材料。本实用新型基于金属材料颈缩发生处变形增加但抗拉承载力下降，而纤维材料的承载力随其拉伸变形增加而增加的特性，通过预设角度的若干凹槽中的纤维材料与金属共同承担拉力的作用。在颈缩发生处，通过纤维材料的承载力增强弥补金属材料承载力的下降，从而避免颈缩的发生或在多处发生颈缩，避免金属复合构件在一个位置发生局部颈缩而断裂，提高金属复合构件的变形能力。
Description
技术领域
本实用新型涉及复合材料技术领域，尤其涉及的是一种基于纤维增强的金属复合构件。
背景技术
金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称，包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等，金属材料由于具有耐高温性、抗腐蚀性、高延展性等特点，成为国民经济、人民日常生活及国防工作、科学技术发展必不可少的基础材料和重要的战略物资。
颈缩是指在拉应力作用下，材料发生局部截面缩减的现象，现有金属材料由于有效截面积的微小差异，在受到拉应力时，容易在局部位置发生颈缩而断裂。
因此，现有技术还有待改进和发展。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于纤维增强的金属复合构件，旨在解决现有金属材料在受到拉应力时，容易在局部位置发生颈缩而断裂的问题。
本实用新型解决问题所采用的技术方案如下：
第一方面，本实用新型实施例提供一种基于纤维增强的金属复合构件，其特征在于，包括：金属基体，所述金属基体上设置有与水平方向呈预设角度的若干凹槽，若干所述凹槽内填充有纤维材料。
所述的基于纤维增强的金属复合构件，其中，所述预设角度为15°～60°或120°～165°。
所述的基于纤维增强的金属复合构件，其中，所述纤维材料的极限应变为1％～15％。
所述的基于纤维增强的金属复合构件，其中，若干所述凹槽的形状相同，若干所述凹槽的横截面形状为圆形、正方形或长方形。
所述的基于纤维增强的金属复合构件，其中，若干所述凹槽设置于所述金属基体表面，且若干所述凹槽沿所述金属基体的长轴方向等间距设置。
所述的基于纤维增强的金属复合构件，其中，若干所述凹槽设置于所述金属基体内部。
所述的基于纤维增强的金属复合构件，其中，所述预设角度、纤维材料用量以及纤维材料刚度满足公式：
所述的基于纤维增强的金属复合构件，其中，若干所述凹槽与所述纤维材料接触的面上设置有喷砂层。
本实用新型的有益效果：本实用新型的金属复合构件通过预设角度的若干凹槽中的纤维材料共同承担拉应力作用，避免局部的颈缩发生或让整个金属复合构件在多处位置发生颈缩，避免金属复合材料在一个位置发生局部颈缩而断裂，提高金属复合材料的变形能力。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施例提供的基于纤维增强的金属复合构件的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的金属基体对应的颈缩截面的局部工程应力应变曲线图；
图3是本实用新型实施例提供的若干凹槽设置于金属基体内部时，基于纤维增强的金属复合构件的侧视图；
图4是本实用新型实施例1和实施例2中提供的金属复合构件的应力应变曲线图。
附图中各标记：1、金属基体；2、凹槽；11、第一金属组件；12、第二金属组件；13、第三金属组件；14、第四金属组件；15、第五金属组件。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
颈缩是指在拉应力作用下，材料发生局部截面缩减的现象，现有金属材料由于有效截面积的微小差异，在受到拉应力时，容易在局部位置发生颈缩，然后断裂，即现有金属材料的抗变形能力差。现有方法为了提高金属材料的强度，直接在金属材料外表面包裹碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre Reinforced Polymers，CFRP)或玻璃纤维增强塑料(Glass Fiber Reinforced Polymers，GFRP)，这种方法虽然可以提高整个金属材料的强度，但当拉伸到纤维材料的极限应变时金属材料外部的纤维材料就都断裂了，金属材料的破坏由纤维材料决定，尽管金属材料的强度提高了，但金属材料的延性并没有提升。
为了解决现有技术的问题，本实施例提供了一种基于纤维增强的金属复合构件，如图1所示，所述金属复合构件包括：金属基体1，所述金属基体1上设置有与水平方向呈预设角度的若干凹槽2，若干所述凹槽2内填充有纤维材料。本实用新型基于金属材料颈缩发生处变形增加抗拉承载力下降，而纤维材料的承载力随其拉伸变形增加而增加的特性，通过预设角度的若干凹槽中的纤维材料与金属共同承担拉力的作用，在颈缩发生处，通过纤维材料的承载力增强弥补金属材料承载力的下降，从而避免颈缩的发生或在多处发生颈缩，避免金属复合构件在一个位置发生局部颈缩而断裂，提高金属复合构件的变形能力。
在一具体实现方式中，所述预设角度、纤维材料用量以及纤维材料弹性模量满足公式：
在一具体实现方式中，所述金属基体1的初始横截面面积Ametal指所述金属基体1未受到拉应力时对应的横截面面积，其与所述金属基体1的初始横截面形状有关，例如，当所述金属基体1的初始横截面形状为圆形时，所述初始横截面面积Ametal为圆的面积，当所述金属基体1的初始横截面形状为长方形或正方形时，所述初始横截面面积Ametal为长方形或正方形的面积。
继续参照图1所示，若干所述凹槽2设置于所述金属基体1表面，若干所述凹槽2沿所述金属基体1的长轴方向等间距设置，所述预设角度α为各个所述凹槽2的长轴方向与水平方向的夹角，各个所述凹槽2与水平方向的预设角度α为15°～60°或120°～165°，各个所述凹槽2与水平方向的预设角度α可以相同，例如各个所述凹槽2与水平方向的预设角度α均为30°、35°或45°等；各个所述凹槽2与水平方向的预设角度α也可以不同，例如金属基体1上设置有三个凹槽2，一个凹槽2与水平方向的预设角度α为30°，另一个凹槽2与水平方向的预设角度α为35°，还有一个凹槽2与水平方向的预设角度α为45°，或者其中两个凹槽2与水平方向的预设角度α为30°，另一个凹槽2与水平方向的预设角度α为35°。将若干所述凹槽2与水平方向的夹角设置在该范围内，能够使金属复合材料在受到拉应力，若干凹槽2中的纤维材料共同承担拉应力，避免颈缩或让整个金属复合构件在不同位置发生颈缩，避免金属复合材料在一个位置发生局部颈缩而断裂。
参照图3所示，在本实用新型另一实施例中，若干所述凹槽2设置于所述金属基体1内部，且若干所述凹槽2沿所述金属基体1的一端贯穿设置，在填充纤维材料时，将纤维材料沿所述金属基体1的一端插入若干所述凹槽，当金属复合构件受到拉应力而产生颈缩时，通过预设角度的若干凹槽2中的纤维材料共同承担拉应力作用，也避免金属复合材料在一个位置发生局部颈缩而断裂，提高金属复合材料的抗变形能力。
在一具体实施方式中，若干所述凹槽2的形状可以根据需要进行设置，若干所述凹槽2的横截面形状可以为圆形、正方形或长方形，各个所述凹槽2的开口宽度为2.5～3.0mm，若干所述凹槽2与所述纤维材料接触的面上做喷砂处理，通过将凹槽2的开口宽度设置在该范围内以及在凹槽2与纤维材料接触面上设置喷砂层，能够使纤维材料与若干凹槽2之间粘结更加牢固，避免纤维材料从凹槽2内滑出。
在一具体实施方式中，各个所述凹槽2内填充的所述纤维材料的体积与各个所述凹槽2的体积相等，即若干所述凹槽2被所述纤维材料完全填充，各个所述凹槽2的体积之和为所述金属基体1的体积的35％～55％。所述纤维材料的弹性模量为8～20GPa，所述纤维材料的极限应变为1％～15％，通过预设角度与满足该弹性模量和极限应变的纤维材料相配合，能够限制颈缩区域的变形，避免颈缩或使整个金属复合构件多处发生颈缩，避免金属复合材料在一个位置发生局部颈缩而断裂。
继续参照图1所示，所述金属基体1可以是纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等，所述金属基体1可以是圆形的筋材或板材，所述金属基体1包括第一金属组件11、第二金属组件12、第三金属组件13、第四金属组件14以及第五金属组件15，所述第二金属组件12、第三金属组件13、第四金属组件14以及第五金属组件15均设置为两个，两个所述第二金属组件12分别与所述第一金属组件11两端连接，两个所述第三金属组件13分别与两个所述第二金属组件12连接，两个所述第四金属组件14分别与两个所述第三金属组件13连接，两个所述第五金属组件15分别与两个所述第四金属组件14连接，所述第一金属组件11的横截面为长方形，所述第二金属组件12的垂直横截面为梯形，所述梯形的上底与所述第一金属组件11连接，所述梯形的下底与所述第三金属组件13连接，第三金属组件13的横截面为长方形，若干所述凹槽2设置于所述第一金属组件11、所述第二金属组件12和所述第三金属组件13上。所述第四金属组件14的外表面向所述金属基底的长轴方向凹陷，所述第五金属组件15的横截面为长方形，通过所述第四金属组件14可以对若干所述凹槽2中的纤维材料进行锚固。
在一具体实施方式中，所述第一金属组件11、所述第二金属组件12、所述第三金属组件13、所述第四金属组件14以及所述第五金属组件15沿所述金属基底长轴方向的长度比为100：20：4：4：62。例如，第一金属组件11沿所述金属基底长轴方向的长度为100mm,第二金属组件12沿所述金属基底长轴方向的长度为20mm，第三金属组件13沿所述金属基底长轴方向的长度为4mm，第四金属组件14沿所述金属基底长轴方向的长度为4mm，第五金属组件15沿所述金属基底长轴方向的长度为62mm。
下面通过具体实施例对本实用新型进行进一步的解释说明。
实施例1
在金属基底上开设与水平方向呈45°的若干凹槽，并在凹槽内填充弹性模量为8GPa,极限应变为10％的大应变纤维材料(LRS-FRP)，得到基于纤维增强的金属复合构件1。
实施例2
在金属基底上开设与水平方向呈30°的若干凹槽，并在凹槽内填充弹性模量为55GPa,极限应变为3％的玻璃纤维材料(GFRP)，得到基于纤维增强的金属复合构件2。
使用拉力试验机对金属复合构件1、金属复合构件2以及金属基体进行拉力测试，得到如图4所述的应力-应变曲线图，从图4可以看出，金属复合构件2的强度相对于金属基底显著提高，但其延性并没有改变，而金属复合构件1的强度和延性相对于金属基体都有显著提高。
综上所述，本实用新型公开了一种基于纤维增强的金属复合构件，包括：金属基体，金属基体上设置有与水平方向呈预设角度的若干凹槽，若干凹槽内填充有纤维材料。本实用新型基于金属材料颈缩发生处变形增加抗拉承载力下降，而纤维材料的承载力随其拉伸变形增加而增加的特性，通过预设角度的若干凹槽中的纤维材料与金属共同承担拉力的作用，在颈缩发生处，通过纤维材料的承载力增强弥补金属材料承载力的下降，从而避免颈缩的发生或在多处发生颈缩，避免金属复合构件在一个位置发生局部颈缩而断裂，提高金属复合构件的变形能力。
应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于纤维增强的金属复合构件，其特征在于，包括：金属基体，所述金属基体上设置有与水平方向呈预设角度的若干凹槽，若干所述凹槽内填充有纤维材料。
2.根据权利要求1所述的基于纤维增强的金属复合构件，其特征在于，所述预设角度为15°～60°或120°～165°。
3.根据权利要求1所述的基于纤维增强的金属复合构件，其特征在于，所述纤维材料的极限应变为1％～15％。
4.根据权利要求1所述的基于纤维增强的金属复合构件，其特征在于，若干所述凹槽的形状相同，若干所述凹槽的横截面形状为圆形、正方形或长方形。
5.根据权利要求1所述的基于纤维增强的金属复合构件，其特征在于，若干所述凹槽设置于所述金属基体表面，且若干所述凹槽沿所述金属基体的长轴方向等间距设置。
6.根据权利要求1所述的基于纤维增强的金属复合构件，其特征在于，若干所述凹槽设置于所述金属基体内部。
7.根据权利要求1所述的基于纤维增强的金属复合构件，其特征在于，所述预设角度、纤维材料用量以及纤维材料刚度满足公式：
为预设角度，Afrp为纤维材料用量，Efrp为纤维材料弹性模量，Ametal为所述金属基体的初始横截面面积，rp0为金属基体中心到纤维材料中心的距离，rb0为金属基体的半径，εy，fracture，σlocal(εy，fracture)和Ehardening由金属基体对应的颈缩截面的局部工程应力应变曲线确定，εy，fracture为颈缩处轴向局部的轴向断裂应变，σlocal(εy，fracture)为颈缩处轴向断裂应变εy，fracture对应的截面局部应力，Ehardening为颈缩截面的局部工程应力应变曲线的强化段斜率。
8.根据权利要求1所述的基于纤维增强的金属复合构件，其特征在于，若干所述凹槽与所述纤维材料接触的面上设置有喷砂层。
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