[發(fā)明專利]纖維復(fù)合材料承載桿/管及其成型方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210369613.3
• 申請日: 2012-09-28
• 公開（公告）號: CN103712049A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張長增
• 申請（專利權(quán)）人: 張長增
• 主分類號: F16S3/00
• 分類號: F16S3/00;B29C70/34
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

所屬技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種纖維復(fù)合材料承載桿件(或管件、筒體)。桿件主要功能是能夠承載縱向的拉伸或壓縮載荷，當(dāng)然也包括比如筒形構(gòu)件承載彎曲載荷時導(dǎo)致的筒體壁面一側(cè)承受拉伸應(yīng)力一側(cè)承受壓縮應(yīng)力的受力狀態(tài)。這種桿件包含纖維復(fù)合材料桿體和端部的金屬接頭兩部分。這種桿件在復(fù)合材料桁架制造和眾多需要輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料桿件連接的領(lǐng)域應(yīng)用，例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備的葉片、塔架，汽車領(lǐng)域，油田塔架，以及航空航天領(lǐng)域。

本發(fā)明屬于纖維復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在眾多的桿件連接應(yīng)用中，通常，鋼結(jié)構(gòu)通過焊接或螺栓連接可以很好的解決問題，于是各種型鋼材獲得普遍的應(yīng)用。纖維復(fù)合材料天生輕質(zhì)高強(qiáng)，耐腐蝕、抗疲勞、可設(shè)計性強(qiáng)等，還可以通過拉擠技術(shù)制成各種型材。但是由于在纖維復(fù)合材料桿體端部位置，要實(shí)現(xiàn)纖維斷點(diǎn)的等強(qiáng)度變換并不簡單，這需要相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式和補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，這需要有個可靠的過渡接頭結(jié)構(gòu)方案，把桿體纖維的承載力能夠很好地傳遞過渡到接頭上，再由接頭傳遞給連接結(jié)合部位。各向同性的金屬材料是最合適的接頭材料，但是仍然需要一種可行的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)力的傳遞。

復(fù)合材料桿體通常是柱面的輪廓，它和金屬接頭之間如果依靠柱面膠接，界面的結(jié)合力非常有限，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)膠的剪切強(qiáng)度相對于金屬來說非常低。對于截面實(shí)體較大的桿件，而粘接面有限的情況就更加不能使用膠接方案連接了，所以，簡單的膠接結(jié)構(gòu)只能適用于有限的應(yīng)用場合。

如何避免或轉(zhuǎn)換桿體端部受力時發(fā)生的沿樹脂層面(或結(jié)構(gòu)膠粘接層面)的剪切破壞，就成為本發(fā)明的主題。

這還需要從材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析入手，假設(shè)桿體受到軸向拉伸作用力，假設(shè)桿體的縱向纖維在桿端是離軸發(fā)散開來，無論是截面輪廓膨脹還是收縮，都可以改變桿體和金屬接頭的結(jié)合面的柱面形狀成為一種錐面形狀，假設(shè)纖維復(fù)合材料桿體斷面是不變形的剛體，金屬接頭也是不變形的剛體，那么，桿體要突破錐面幾何約束就不可能。這就是錐面約束化解桿體膠接面剪切破壞、或纖維層間樹脂剪切破壞的原理。

以上從材料力學(xué)和材料結(jié)構(gòu)出發(fā)，我們獲知了這種結(jié)構(gòu)的有效性。然而，要實(shí)現(xiàn)桿體縱向纖維在桿體端部的離軸發(fā)散，就會涉及到各種各樣的方法。這就是本發(fā)明要實(shí)現(xiàn)的用不同的工藝方法來實(shí)現(xiàn)這種錐體連接結(jié)構(gòu)。

復(fù)合材料桿體成型，和桿端錐體的實(shí)現(xiàn)，以及接頭的錐體配合連接，三者是渾然一體的一次性過程，本發(fā)明的創(chuàng)造性就體現(xiàn)在這里。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)一種纖維復(fù)合材料桿體的端部錐面連接結(jié)構(gòu)，能夠等強(qiáng)度地承受和傳遞桿體的載荷。并指出完成這種桿件的工藝方法。

既然桿體的主要功能是承載縱向的拉伸或壓縮載荷，那么，對于纖維復(fù)合材料桿體，肯定纖維的主體分布形式是纖維方向沿桿體的縱向施加的方式。也就意味著纖維無緯帶或無緯布將是成型桿體的主要材料。

纖維是幾何中的線，由線(單股紗)集合變成面(無緯布帶)，由面(無緯布帶)積層變成體(桿、或管、或筒)，這就是本發(fā)明中涉及的桿體制造思想。

要把這種無緯帶鋪敷在桿體上，形成纖維的積層，最終形成需要尺寸的桿體，所以，桿體成型必需要有一個初始的載體或芯模。載體可以是塑料、泡沫材料、木材、鋼材、甚至氣囊等形成的假體。

承載桿桿體當(dāng)然可以是實(shí)心的，也可以是中空的，對于中空結(jié)構(gòu)的桿件，細(xì)長的稱管，短粗的稱筒(甚至錐體的筒)。在本專利中，姑且我們都稱作桿。承載桿可以具有各種形狀的截面輪廓，比如實(shí)心或中空的多棱柱形，圓形，橢圓形，氣動翼型等。對于可能承受壓縮應(yīng)力的承載桿桿體，其實(shí)，中部截面變大的紡錘體更具有穩(wěn)定性。

在把這種無緯帶鋪敷在桿體上形成桿體纖維積層的同時，在桿體端部，在一定厚度的積層之間，可以引入層間間隔物，最簡單最實(shí)用的材料莫過于本體無緯帶了，通常，用這種無緯帶環(huán)向繞包施工最簡單易行，環(huán)向纖維還可以直接提供端截面徑向的剛度，減小環(huán)向變形，提高約束的強(qiáng)度，一舉兩得。

當(dāng)然，桿端纖維的離軸發(fā)散可以向內(nèi)也可以向外發(fā)散，均可形成復(fù)合材料錐面輪廓。不同的錐面連接適合不同的應(yīng)用場合，同時適用不同的工藝方法。自然，錐面連接的形式，相對于桿體外輪廓面來劃分，可以是桿內(nèi)錐面、桿外錐面、或者兩者都有三種方式。

另外，單就金屬接頭而言，可能是預(yù)埋放置的，或者是在桿體成型后裝配上去的，所以，金屬接頭可以是多變的結(jié)構(gòu)形式，比如沿軸線分瓣，有端封蓋，分塊之間螺栓連接或者焊接。等等。

下面結(jié)合附圖說明本發(fā)明闡述的承載桿的結(jié)構(gòu)實(shí)施例和實(shí)施工藝。

圖1是外錐面銜接結(jié)構(gòu)的承載桿；

圖2是內(nèi)錐面銜接結(jié)構(gòu)的承載桿