CN1033498C - 节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型方法 - Google Patents

Abstract

节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型工艺，首先使用天然节管--竹管，或利用纤维通过缠绕方法制成具有三向复合材料结构特征的节管，节管可经任意补强制成节管梁，然后将三根节管或节管梁经纤维或其织物的环向或其它方向缠绕，制成三基圆梁。再用三基圆梁进行任意组合、联接和分支，制成各种形状、结构的工程承力构件。该方法工艺简单、成本低廉，在航空、航天、建筑等领域有广泛的应用。

Description

节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型方法

本发明属于复合材料承力构件的成型方法。

根据增强纤维的方向，复合材料可分单、双和三向复合材料。目前仅有双向复合材料得到应用。双向复合材料也叫层板，其生产工艺以层压为主。在工程中层板仅适用于做受力较小的覆盖材料，对于承载较大的承力件，由于层板的层与层之间得不到有效的增强，造成层间强度低，易于破坏。

八十年代以来，国内外发展了三维编织成型工艺，使用编织方法制成三向复合材料，把它作为主承力件用于大载荷条件下。但三维编织方法的工艺设备复杂，编织过程中纤维易受损伤，编织后浸胶质量不易控制，因此实际上三维编织的三向复合材料还未进入实用阶段。

复合材料另一种成型方法，那就是缠绕。缠绕可以成型层管，层管类似于复合材料的层板，由于缠绕纤维的方向可以控制，所以可制成不同性能的层管。由于纤维张力的作用，层管的层间强度高于层板，但当层管作为承力梁使用承受弯曲载荷时，破坏模式以最大应力区域的破裂为主，这一区域正是层管外的上下边缘部分，而这一区域的应力大而面积小，易于产生局部破坏，因此这种缠绕的层管作为承为构件的应用也十分有限。

还有一种成型方法是组管结构。这种结构将多个缠绕纤维而成的管件利用粘接方法制成基梁。如美国专利2238427。但由于多管件不具有必要的稳定性，首先无法制成无间隙的组管基梁，其次在承力时组管易于错动，无法保持基梁的刚度，因此这种结构至今无法得到广泛的应用。

所谓基梁指的是一种无任何分支，有连续外表面的构件。这种基梁可以是实心梁，也可以是空心梁，如工字钢，管形等等。经过分支、无连续外表面的构件则称为桁梁。桁梁是由各种分支形式的基梁组成。它的分支结构和无连续外表面是区分桁梁与基梁的重要依据。

本发明的目的，为保证构件的稳定性和刚度，将天然节管竹管或用复合材料纤维通过一定的工艺缠绕制成的节管三根，环向缠绕复合材料纤维制成三基圆的基梁，即三基圆基梁，以三基圆基梁为基础发展组合，分支、连接和补强等方法，制成各种大小，各种形状的承力构件，从而完备了三基圆复合材料承力构件结构的成型工艺。

本发明是一种节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型方法，它是用纤维缠绕制节管和梁，其特征在于本发明的节管的制备方法是经配胶、浸胶，纤维缠绕、加压固化、脱模剥带等工艺过程制成的；然后，将三根节管组成一组，用环向缠绕纤维方式制成三基圆梁，最后用三基圆梁经过联接与分支组合，经纤维缠绕制成组合承力构件。

竹子是一种力学性能优良的天然节管，可直接制造三基圆梁和三基圆梁组成的构件。

制造三基圆梁的工艺过程和制造三基圆梁、三基圆组合构件的工艺过程基本相同，既使用天然节管--竹子制造承力构件时也是如此，虽然不必用纤维缠绕制造节管，但在制造三基圆梁，制造三基圆梁组合构件时仍用纤维缠绕，这些纤维也是用在制造节管时配好的胶液(配胶)内浸胶后的纤维，因此也有配胶和浸胶工艺过程。

在制造节管、三基圆梁和三基圆组合构件时，根据受力情况不同，为提高局部力学性能有时需要对其局部进行补强；作为构件的三基圆梁在联接和分支时，也需要进行补强，但这种联接时的补强有节管内补强和节管外补强，节管外补强与前述的节管、三基圆梁和三基圆梁组合构件的局部补强相同，即将通过浸胶去溶后的单向预浸料铺在需要补强的位置上，然后将浸胶去溶后纤维环向缠绕在此位置上，缠绕完成后，再用浸胶去溶后的单向预浸料铺在该补强位置上，再进行环向缠绕，这样反复若干次，即完成局部补强。对于三基圆梁联接的节管内补强，是按联接的节管内径，制成管式棒，将其棒插入两联接管的内孔之中，然后用粘接补强。

该发明与现有技术相比，具有稳定性好，刚度大，工艺方法简单，操作容易的特点，并且能组合成大小尺寸不同，截面形状不同的稳定承力构件和非稳定承力构件，并可进行分支与联接，是一种理想的复合材料工艺方法。附图说明：图1是予先选定的要缠绕成节管的管状物的侧视示意图；图2是予先选定的要缠绕成节管的管状物的正视示意图，其上有缠绕的纤维

材料示意；图3是节管梁的侧视示意图，其上下凸出部分是示意补强部分；图4是节管梁的正视示意图；图5是由等管经三根节管或节管梁组成的等边三角形的三基圆梁剖面示意图；图6是由两根管径相等和一根管径与其不等组成的等腰三角形的三基圆梁剖面示意图；图7是由三根管径各不相等组成的不等边三角形的三基圆梁剖面示意图；图8是由多个三基圆梁组成的多边形承力构件剖面示意图；图9是由两个等边三角形组成的三基圆梁构成的工字梁承力构件示意图；图10是由多个不同的三基圆梁组成的机翼承力构件示意图；图11是三基圆梁连接示意图；图12是三基圆梁的分支示意图。

节管、三基圆梁及由二个以上三基圆梁组合承力构件的缠绕工艺过程基本相同，其工艺过程及不同的工艺过程分别在下述的实施例中详细说明。

实施例1是制造三基圆梁，将三根不同管径或等管径的节管制成等边三角形的三基圆梁(图5)、等腰三角形的三基圆梁(图6)和不等边三角形的三基圆梁，它的工艺流程如下：

(1)配胶  将热固性的环氧树脂，用溶剂(如丙酮、乙醇等)稀释，加入固化剂，调节成合适的胶液粘度，即可进行浸胶；

(2)浸胶  将纤维(碳纤维、玻璃纤维等)浸入配好的胶液内，然后将浸上胶的纤维环向缠绕在一个轴筒上，注意每环纤维之间应有小的间隙，即两环不应粘在一起，同时层与层之间用防粘材料隔离，然后将这些缠在轴筒上的浸胶纤维放在真空干燥箱中，在温度80°～90℃，700毫米汞柱高真空度下将浸胶纤维中的溶剂排除，以备缠绕用；

(3)缠绕  先将予先选定直径的筒状物或三根节管固定在缠绕机上，然后根据需要将脱掉溶剂的浸胶纤维加热，以降低纤维上的树脂的粘度，将加热的浸胶纤维按层间正交方向缠绕，其纤维间距约为纤维丝束的宽度，分层缠绕在三根节管或节管梁组合体上，缠绕纤维丝束相互迭压；

(4)加压固化  将上述经缠绕纤维的节管三根节管组合体，使用玻璃纤维编织带在缠绕机上加力缠绕，完成后，将加力缠绕玻璃纤维编织带的三根节管组合体放在烘箱内进行固化，其温度为80～90℃；

(5)固化后将加力玻璃纤维编织带剥去，将筒状模具从节管内拔出则三基圆梁及节管完成。

利用上述工艺过程，同样可将多个三基圆梁组合制出不同形状，不同直径，不同性能的稳定承力构件，如图8所示的多边形承力构件；以及不稳定承力构件如图10的机翼承力构件，并可将三基圆梁经过联接、分支可制造各种大小、各种形状的承力构件，这些将在下面实施例中详细说明。

实施例2是关于制造由多个三基圆梁组合的机翼承力构件的工艺过程实施例。此工艺过程与实施例1制造三基圆五个过程基本相同，如配胶、浸胶等，在这里只说明不同之处；首先将承力构件的剖面形状画出多个各种不同的三角形，按此要制造的承力构件的剖面形状及构件的长短做出其模架，然后将按这些三角形制成的三基圆梁固定在对应的模架位置上，再把浸胶后脱溶的纤维在三基圆梁的间隙内，缠绕方向依ab、bc……规律缠绕，这样反复缠绕直至将纤维充满于该构件三基圆梁的间隙中，从而把多个三基圆梁缠绕在一起，最后将此放在烘箱内加温80～90℃固化即成组合构件。

实施例3，是三基圆梁的联接与分支，如图11和图12。对于联接，只需将三基圆梁的联接点分散开，将另一三基圆梁中的某根或三根节管通过管状物与其对应联接起来，然后对其进行补强，补强有节管内补强，即按连接的节管内径，制成管内棒，将其棒插入两联管的内孔之中，然后用粘接方法补强；另一是与节管局部补强相同的纤维缠绕的节管外补强；对于分支，是将三基圆梁中的两支弯管的一端同两支弯管联接并用单向预浸料或其织物缠绕在一起，再将两支弯管的另一端用单向预浸料或其织物缠绕在一起。

按本发明工艺制成的构件可用成本低、原材料来源广泛、力学性能优良的天然竹管。因此本发明具有很强的经济和社会效益，具有广泛的实用价值。

Claims (13)

1、一种节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型方法，是用纤维缠绕制节管和梁，其特征在于本发明的基础元件节管的制备方法是经配胶、浸胶、纤维缠绕、加压固化，脱模剥带工序制成的；之后用三根节管组成一组，用环向缠绕纤维方式制成三基圆梁；最后用三基圆梁经过联接或分支组合经纤维缠绕制成承力构件。

2、根据权利要求1所述的一种节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型方法，其特征在于制造节管中配胶工艺，包括将热固性的环氧树脂，用丙酮或乙醇稀释，加入固化剂调节即成，以作浸胶用。

3、根据权利要求1所述的一种节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型方法，其特征在于制节管的浸胶工艺，包括碳纤维或玻璃纤维浸入配好的胶液内，然后将浸上胶的纤维环向缠绕在一个轴筒上，在缠绕时不允许纤维环之间相粘接，层与层之间要用防粘材料隔离，然后将这些缠在轴筒上的浸胶纤维放在真空干燥箱内，在温度80～90℃，700毫米真空度下将浸胶纤维中的溶剂排除。

4、根据权利要求1所述的一种节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型方法，其特征在于节管的缠绕工艺是将要制节管的予先确定的筒状模具固定在缠绕机上，然后将脱掉溶剂的浸胶纤维加热，将加热的浸胶纤维按层间正交方向缠绕，其纤维间距约为纤维丝束的宽度，分层缠绕在筒状模具上，缠绕纤维丝束相互迭压。

5、根据权利要求1所述的一种节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型方法，其特征在于对于三基圆梁的缠绕成型工艺，是将三根节管组合固定在缠绕机上，然后将脱掉溶剂的浸胶纤维加热，将加热的浸胶纤维按层间正交方向缠绕，其纤维间距为纤维束的宽度；分层缠绕在三根节管组合物上，缠绕纤维丝束相互迭压。

6、根据权利要求1所述的一种节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型方法，其特征在于承力构件的缠绕工艺是将三基圆梁组合物固定在缠绕机上，然后将脱掉溶剂的浸胶纤维加热，将加热的浸胶纤维按层间正交方向缠绕，其纤维间距约为纤维丝束的宽度，分层缠绕在三基圆梁组合物上，缠绕纤维丝束相互迭压。

7、根据权利要求1所述的一种节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型方法，其特征在于加压固化及脱膜剥带工艺，包括将经缠绕纤维工艺之后的节管、三基圆梁或多个三基圆梁组合物，使用玻璃纤维编织带在缠绕机上加力缠绕，完成后，将其放在烘箱内进行固化，其温度为80～90℃，固化后，将玻璃纤维编织带剥去，将筒状模具从节管内拨出则完成。

8、根据权利要求1所述的一种节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型方法，其特征在于还包括对节管、三基圆梁及其联接或分支的局部处补强工艺，方法是将通过浸胶去溶后的单向予浸料铺在节管或构件的三基圆梁补强位置上，然后将浸胶去溶后的纤维环向缠绕在此位置上。

9、根据权利要求1所述的一种节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型方法，其特征在于所述的三基圆梁的联接工艺，包括将三基圆梁的联接点分散开，将另一三基圆梁中的某根或三根节管通过管状物与其对应联接起来，然后对其进行补强。

10、根据权利要求1所述的一种节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型方法，其特征在于所述的三基圆梁的分支工艺，包括将三基圆梁中的两支弯管的一端同两支直管联接在一起，然后补强。

11、根据权利要求9或10所述的一种节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型方法，其特征在于所述节管内补强，工艺包括按联接的节管内径制成管式棒，将其棒插入两联接管的内孔之中，用粘接方法补强。

12、根据权利要求1所述的一种节管式三向复合材料承力构件的三基圆缠绕成型方法，其特征在于所述三基圆梁构成承力件的工艺，包括先将承力构件的剖面形状画出多个各种不同的三角形，按此承力构件的剖面形状及构件的长短做出其模架，然后按这些三角形制成的三基圆梁固定在对应的模架位置上，再把浸胶后脱溶的纤维在三基圆梁的间隙内，依一定方向缠绕，这样反复缠绕直至将纤维充满于该构件三基圆梁的间隙中，从而把多个三基圆梁缠绕在一起，最后将此放在烘箱内加温80～90℃固化即成。

13、根据权利要求1所述的一种节管式三向复合材料承力构件的三基圆梁缠绕成型方法，其特征在于所述节管为天然复合材料竹子作节管。

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