一种变截面纤维增强复合材料管的制作方法

[0001]
本实用新型属于复合材料领域，特别涉及一种变截面纤维增强复合材料管。


背景技术：

[0002]
复合材料层合管作为主承力构件在军用复合材料桁架桥、复合材料桁架机翼、航天器复合材料支腿等结构中应用较多，在这些结构中，复合材料层合管受到以压力为主的多种复杂合力作用，其杆件的承压能力与稳定性是一个突出的问题。为此根据结构稳定性理论，传统压杆失稳的最优化结果是采用纺锤体构型，在实际设计过程中，使用的是层合圆管结构作为压杆基本构型，考虑到加工制造过程中的模具和工艺的可行性，结构最终构型为锥杆。杆件分为三段，第一段为直杆段，方便接头安装，第二段为锥段，需要根据优化结果来确定锥角和长度。最中间部分同样为直杆，接近纺锤体中间曲率较小部分。设计目标是满足给定工况下的承载要求，尽可能保证结构重量最轻。但是在制造变截面复合材料管时，由于两端尺寸小，中间尺寸大，传统的模具无法适用，为了方便脱模，需要用到可溶解模具或者充气模具，制作成本高，工艺复杂，结构性能不稳定，为此，本实用新型提出一种变截面复合材料管以及管-模一体化成型方法，克服现有工艺的不足。


技术实现要素：

[0003]
本实用新型的目的在于提供一种变截面纤维增强复合材料管，克服现有变截面复合材料管生产过程中脱模困难，制作成本高、工艺复杂、结构性能不稳定等问题。
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本实用新型通过以下技术方案实现：
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一种变截面纤维增强复合材料管，包括内部的钢芯模，钢芯模外部一体的纤维复合层，两者横向分为中间直线圆管，两侧过渡段锥形管，以及端部接头部。
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进一步地，钢芯模外表面进行粗糙化处理，表面粗糙度ra范围为1~10 mm。
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进一步地，所述纤维复合层为长纤维绕制的纤维复合铺层，绕制时与钢芯模表面的绕制角度范围为5—90
°
。
[0008]
进一步地，所述钢芯模的端部接头部为齿形结构，端部接头部设置金属接头。
[0009]
进一步地，金属接头嵌套设置于端部接头部；或通过金属垫片粘合设置于端部接头部。
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进一步地，纤维复合铺层采用缠绕成型工艺的方式绕制，采用干法缠绕、湿法缠绕、或半干法缠绕工艺对称铺设且至少铺设2层。
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本实用新型的有益效果：
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1、采用薄壁钢作为钢芯模，壁厚根据复合材料管大小变化，适应复合材料成型过程中的刚度要求，同时钢芯模在复合材料管成型完成后不脱模，直接作为组合构件与复合材料管整体受力，既提高了复合材料管的整体强度与稳定性，也避免了复杂的脱模工艺；
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2、端部金属螺纹接头，与钢模形成整体预埋，外部采用钢套筒施加预应力，形成的金属接头可以进行各种金属连接；
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3、钢芯模外表面进行毛糙化处理，以提高与复合材料管内壁整体性，提高两种材料之间的界面粘结力避免与复合材料管分层。
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4、端部的接头部提供了复合材料管与金属结构之间的过渡，使复合材料管更加易于应用在高性能工作领域，如军用复合材料桁架桥、复合材料桁架机翼、航天器复合材料支腿等结构中，这种从复合材料管到金属结构，或其他复合材料管的过度接头，降低或消除了复合材料管成型后难以与其他结构进行连接的弊端，同时加强了连接处的的强度；减少了复合材料管与金属结构采用胶结等方式形成的结合缝出现裂纹或脱胶的现象。
附图说明
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图1为本实用新型变截面纤维增强复合材料管的结构示意图；
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图2为本实用新型变截面纤维增强复合材料管一侧端部的放大示意图；
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图3为本实用新型管-模一体化成型方法缠绕示意图；
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其中：1，钢芯模；2，纤维复合铺层；3，内齿模；4，钢外套；5，金属接头；6，长纤维；7，绕丝嘴；8，树脂槽；9，张力辊。
具体实施方式
[0020]
为了更好的理解本实用新型，现结合附图，对本实用新型的技术方案进一步阐述。
[0021]
一种变截面纤维增强复合材料管的管-模一体化成型方法，包括以下步骤：步骤1，钢芯模的制作与安装：金属模具采用薄壁钢制作成复合材料管内部形状；步骤2，缠绕钢芯模：长纤维缠绕钢芯模，形成纤维复合铺层；步骤3，固化纤维复合铺层：外部安装金属外模整体包裹住纤维复合铺层，放入固化箱固化；步骤4，机械加工：固化后，取下金属外模，根据需要加工安装。
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现在分别对各步骤进一步详细描述；
[0023]
步骤1中，钢芯模采用薄壁钢结构，制作成复合材料内部形状，端部金属接头长度范围开内模齿；金属模具外表面进行粗糙化处理，根据复合材料层厚度，模具表面粗糙度ra要介于1~10 mm之间；金属模具制作完成后将其两端固定在转动电机上，以方便后期缠绕；
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步骤2中，如图3所示，先进行长纤维排纱、定位，将长纤维经过引导分别进入树脂槽、张力辊、绕丝嘴排纱，最后缠绕进入成型模具定位；长纤维首先固定于模具的一端，通过调整绕丝嘴的位置来设置纤维铺层的角度，绕制时与钢芯模表面的绕制角度范围为5—90
°
，为了提高效率，绕丝嘴一次可排多根丝纱，在转动缠绕同时，绕丝嘴的位置要随之适应变化以保持铺层角度；当纤维缠绕至另一端时，绕丝嘴反向运动，继续缠绕对称的纤维铺层；
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更进一步地，复合材料管采用缠绕成型工艺的方式，视情况采用干法缠绕、湿法缠绕、半干法缠绕工艺，使复合材料管与薄壁钢芯模紧密贴合；
[0026]
步骤3中，缠绕完纤维铺层后，整体取下，然后在外部安装金属外模将整个复合材料包裹住并加压，接着放入固化箱进行固化，固化温度按纤维材料的固化温度曲线进行；
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步骤4中，机械加工，复合材料管固化完成后，将外模打开取下，在端部安装钢外套并施加一定的预应力固定，同时可在端部安装外部金属接头以方便与其他杆件的连接。
[0028]
本实用新型方法制造的变截面纤维增强复合材料管，包括一层表面粗糙的薄壁钢
芯模，以及一层缠绕薄壁钢芯模的复合材料管，复合材料管与薄壁钢芯模紧密贴合，两者具有共同的边缘，在边缘处形成了纤维增强树脂复合材料-金属接头；该方法进一步包括加强复合材料管强度，以及管-模一体化连接强度。
[0029]
金属接头孔径应满足薄壁钢芯模两端尺寸，可通过嵌套的方式与复合材料管-模一体结构连接；或者金属接头与管-模一体化结构的连接部位采用金属垫片的方式通过粘合剂相互粘结，加固。

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