纖維復(fù)合材料承壓殼體接管或開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種纖維復(fù)合材料承壓殼體接管或開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法。在圓柱形、球形曲面的承壓殼體需要開(kāi)孔或接管的區(qū)域，敷設(shè)預(yù)浸膠的纖維布，纖維布直徑從底部到最上面一層逐層減小1～5mm，以使補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域形成坡度；將纖維布中心開(kāi)孔，補(bǔ)強(qiáng)位置的纖維布切割成多邊形的三角形并朝外翻出。當(dāng)接管補(bǔ)強(qiáng)時(shí)：三角形翻邊纖維貼緊在接管外圓柱面上；每一層纖維布貼在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域后，采用纖維絲束接近環(huán)向纏繞的方式螺旋纏繞到纖維布的厚度；直至所需的補(bǔ)強(qiáng)厚度；當(dāng)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)：三角形纖維缺口朝接管外伸方向翻出后，貼在殼體孔邊上；直至所需的補(bǔ)強(qiáng)厚度。本發(fā)明適用曲面或平面層合板的接管或開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)，由于纖維布得到全部合理使用于接管補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域，節(jié)省材料。
【專(zhuān)利說(shuō)明】纖維復(fù)合材料承壓殼體接管或開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及纖維復(fù)合材料技術(shù)，尤其是涉及一種纖維復(fù)合材料承壓殼體接管或開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料以其比強(qiáng)度高、比模量高、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性的特點(diǎn)，日益得到推廣應(yīng)用，目前幾乎在航空航天、交通運(yùn)輸、航海、國(guó)防、汽車(chē)制造、化學(xué)工業(yè)、建筑橋梁、機(jī)械制造等多個(gè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。由于其結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性和應(yīng)用對(duì)象的多樣性，復(fù)合材料構(gòu)件的制造方法也有很大的差異，這類(lèi)結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中常常因?yàn)楣に囆枰?，或者?lián)接、檢修等需要，會(huì)出現(xiàn)開(kāi)孔、接管等幾何突變區(qū)域，這其中一類(lèi)復(fù)合材料管道、圓柱形壓力容器以及球形容器由于殼體是曲面、且承受介質(zhì)壓力，其形狀與受力均有別于一般的平面層合板結(jié)構(gòu)。由于開(kāi)孔、接管切斷了基體纖維的連續(xù)性，而且由于幾何發(fā)生突變，這類(lèi)結(jié)構(gòu)的開(kāi)孔區(qū)域往往存在應(yīng)力集中，大大降低了結(jié)構(gòu)的承載能力，因此開(kāi)孔、接管區(qū)域一般需要補(bǔ)強(qiáng)。
[0003]國(guó)內(nèi)外對(duì)平面層合板的復(fù)合材料開(kāi)孔和補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的研究較多，如201010517846.4鄭州大學(xué)李成等提出的“一種用于層合復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的方法”，通過(guò)芯模和陰模，用預(yù)制補(bǔ)強(qiáng)片對(duì)開(kāi)孔區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)目的；如201210456975.6中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所祝穎丹提出的“一種纖維復(fù)合材料開(kāi)孔制件的補(bǔ)強(qiáng)片設(shè)計(jì)及補(bǔ)強(qiáng)方法”，在開(kāi)孔區(qū)域分布敷設(shè)環(huán)向和徑向的纖維，然后進(jìn)行固化增強(qiáng)的方法，該方法纖維敷設(shè)靈活，不裁剪纖維，所以比較省料；再如200810137032.0哈爾濱玻璃鋼研究院陳輝等提出的“纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料構(gòu)件的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法及補(bǔ)強(qiáng)片”，提出了一種采用芯模和補(bǔ)強(qiáng)片，并敷設(shè)設(shè)計(jì)好的纖維層，最后壓實(shí)固化的方法，對(duì)開(kāi)孔區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；再如US7666493B2 “Locally reinforced core structure for composite sandwich structure andmethod of producing the same”提出了一種采用鋸齒狀互補(bǔ)的不同纖維敷設(shè)方向的加強(qiáng)方式對(duì)開(kāi)孔區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]背景【技術(shù)領(lǐng)域】中的補(bǔ)強(qiáng)方法均是在平面層合板上實(shí)施的，且僅僅是對(duì)開(kāi)孔的補(bǔ)強(qiáng)，沒(méi)有對(duì)接管補(bǔ)強(qiáng)提出解決結(jié)構(gòu)和方法，對(duì)于圓柱形或者球形等承壓殼體的開(kāi)孔、接管并不適用。本發(fā)明的目的在于提供一種纖維復(fù)合材料承壓殼體接管或開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法，用于復(fù)合材料承壓殼體接管或開(kāi)孔的補(bǔ)強(qiáng)。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案的步驟如下:
步驟I)在圓柱形、球形曲面的承壓殼體需要開(kāi)孔或接管的區(qū)域，敷設(shè)直徑D為2.0?
5.0倍接管外徑d的預(yù)浸膠的纖維布，纖維布直徑從底部到最上面一層逐層減小I?5_，以使補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域形成坡度；由于纖維布為平面，將纖維布中心開(kāi)孔，補(bǔ)強(qiáng)位置的纖維布由中心向外切割成多邊形的三角形纖維，該三角形纖維朝外翻出；
a)當(dāng)接管補(bǔ)強(qiáng)時(shí):先將接管根部用粘結(jié)劑固定在殼體開(kāi)孔處，根部打磨平整、與殼體外表面平齊，清洗干凈；纖維布的中心孔套入接管，纖維布中心的三角形翻邊纖維貼緊在接管外圓柱面上，同時(shí)，纖維布貼緊在殼體補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的殼體曲面上；每一層纖維布貼在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域后，在接管上，采用纖維絲束接近環(huán)向纏繞的方式螺旋纏繞到纖維布的厚度；接著粘貼下一塊纖維布，直至所需的補(bǔ)強(qiáng)厚度；
b)當(dāng)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí):三角形纖維朝接管外伸方向翻出后，貼在殼體孔邊上；接著粘貼下一塊纖維布，直至所需的補(bǔ)強(qiáng)厚度；
步驟2)纖維布的纖維方向與殼體纖維方向排列相同或采用±90°或±45°或0°的角度對(duì)稱(chēng)分布敷設(shè)，所述角度指的是纖維與殼體對(duì)稱(chēng)軸的夾角；
步驟3)對(duì)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域進(jìn)行壓緊、固化，壓緊時(shí)，采用同樣曲率的剛性物件進(jìn)行壓緊，固化后將補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域的凸緣打磨成光滑過(guò)渡，避免應(yīng)力集中。
[0006]所述纖維是碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維或鵬纖維。
[0007]所述預(yù)浸膠是環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂、聚酰胺類(lèi)樹(shù)脂、聚對(duì)苯二甲酸環(huán)丁二醇脂樹(shù)脂或聚乳酸樹(shù)脂。
[0008]與【背景技術(shù)】相比，本發(fā)明具有的有益的效果是:
I)現(xiàn)有復(fù)合材料層合板補(bǔ)強(qiáng)方法均適用于平面的，對(duì)于承壓殼體曲面并不適用，本發(fā)明很好地解決了曲 面承壓殼體的接管或開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題。
[0009]2)本發(fā)明在接管補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域內(nèi)接管與殼體連接處纖維保持連續(xù)，對(duì)改善該幾何突變處的應(yīng)力集中、增強(qiáng)該區(qū)域的抗剪切、抗拉伸等性能均十分有效。
[0010]3)制造方便，節(jié)約纖維用量。本發(fā)明不僅可以適用于曲面承壓殼體的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)，也適用于平面層合板的接管或開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)，由于纖維得到全部合理使用于接管補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域，故沒(méi)有造成纖維浪費(fèi)現(xiàn)象。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明接管補(bǔ)強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是圖1的側(cè)視圖。
[0013]圖3是圖1的俯視圖。
[0014]圖4是圖1的單層纖維布的俯視圖。
[0015]圖5是圖4的三角形纖維外翻成90°角后的側(cè)視圖。
[0016]圖中:1、承壓殼體，2、補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，3、接管，4、補(bǔ)強(qiáng)纖維布，5、三角形纖維。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0018]如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明補(bǔ)強(qiáng)方法的步驟如下:
步驟I)在圓柱形、球形曲面的承壓殼體需要開(kāi)孔或接管的區(qū)域，敷設(shè)直徑D為2.0~
5.0倍接管外徑d的預(yù)浸膠的纖維布，纖維布直徑從底部到最上面一層逐層減小I~5_，以使補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域形成坡度；由于纖維布為平面，將纖維布中心開(kāi)孔，補(bǔ)強(qiáng)位置的纖維布由中心向外切割成多邊形的三角形纖維，該三角形纖維朝外翻出；如圖4所示，是單層纖維布的俯視圖；如圖5所示，是三角形纖維外翻成90°角后的側(cè)視圖。
[0019]當(dāng)接管補(bǔ)強(qiáng)時(shí):先將接管根部用粘結(jié)劑固定在殼體開(kāi)孔處，根部打磨平整、與殼體外表面平齊，清洗干凈；纖維布的中心孔套入接管，纖維布中心的三角形翻邊纖維貼緊在接管外圓柱面上，同時(shí)，纖維布貼緊在殼體補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的殼體曲面上；每一層纖維布貼在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域后，在接管上，采用纖維絲束接近環(huán)向纏繞的方式螺旋纏繞到纖維布的厚度，接著粘貼下一塊纖維布；根據(jù)不同壓力，計(jì)算所需要的補(bǔ)強(qiáng)厚度，逐成敷設(shè)纖維布，直至所需的補(bǔ)強(qiáng)厚度。
[0020]本實(shí)施例中纖維布的厚度為0.2mm，接管上也纏繞0.2mm的纖維絲束，接管上的纏繞高度H是接管直徑d的I?2倍。
[0021]當(dāng)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí):三角形纖維缺口朝接管外伸方向翻出后，貼在殼體孔邊上；直至所需的補(bǔ)強(qiáng)厚度。
[0022]步驟2)纖維布的纖維方向與殼體纖維方向排列相同或采用±90°或±45°或0°的角度對(duì)稱(chēng)分布敷設(shè)，所述角度指的是纖維與殼體對(duì)稱(chēng)軸的夾角；
步驟3)對(duì)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域進(jìn)行壓緊、固化，壓緊時(shí)，采用同樣曲率的剛性物件進(jìn)行壓緊，固化后將補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域的凸緣打磨成光滑過(guò)渡，避免應(yīng)力集中。
[0023]本發(fā)明所述纖維是碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維或鵬纖維。
[0024]本發(fā)明所述預(yù)浸膠是環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂、聚酰胺類(lèi)樹(shù)脂、聚對(duì)苯二甲酸環(huán)丁二醇脂樹(shù)脂或聚乳酸樹(shù)脂。
[0025]下面介紹一個(gè)實(shí)施例，直徑為250mm的碳纖維復(fù)合材料圓柱形殼體，設(shè)計(jì)承壓能力為70MPa，在圓柱形筒體上接一個(gè)25mm的接管，補(bǔ)強(qiáng)纖維布采用東麗公司T700碳纖維布，環(huán)氧樹(shù)脂為固化樹(shù)脂，補(bǔ)強(qiáng)纖維布外徑D選擇100mm，接管上的纖維纏繞高度H取50mm，補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)厚度20mm，0.2mm的預(yù)浸膠碳纖維布100層。經(jīng)過(guò)該補(bǔ)強(qiáng)的容器經(jīng)過(guò)87.5MPa的試驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)生泄漏和結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，證明這種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)是可靠的。
【權(quán)利要求】
1.一種纖維復(fù)合材料承壓殼體接管或開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法，其特征在于，該方法的步驟如下: 步驟I)在圓柱形、球形曲面的承壓殼體需要開(kāi)孔或接管的區(qū)域，敷設(shè)直徑D為2.0?5.0倍接管外徑d的預(yù)浸膠的纖維布，纖維布直徑從底部到最上面一層逐層減小I?5_，以使補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域形成坡度；由于纖維布為平面，將纖維布中心開(kāi)孔，補(bǔ)強(qiáng)位置的纖維布由中心向外切割成多邊形的三角形纖維，該三角形纖維朝外翻出； a)當(dāng)接管補(bǔ)強(qiáng)時(shí):先將接管根部用粘結(jié)劑固定在殼體開(kāi)孔處，根部打磨平整、與殼體外表面平齊，清洗干凈；纖維布的中心孔套入接管，纖維布中心的三角形翻邊纖維貼緊在接管外圓柱面上，同時(shí)，纖維布貼緊在殼體補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的殼體曲面上；每一層纖維布貼在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域后，在接管上，采用纖維絲束接近環(huán)向纏繞的方式螺旋纏繞到纖維布的厚度；接著粘貼下一塊纖維布，直至所需的補(bǔ)強(qiáng)厚度； b)當(dāng)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí):三角形纖維朝接管外伸方向翻出后，貼在殼體孔邊上；接著粘貼下一塊纖維布，直至所需的補(bǔ)強(qiáng)厚度； 步驟2)纖維布的纖維方向與殼體纖維方向排列相同或采用±90°或±45°或0°的角度對(duì)稱(chēng)分布敷設(shè)，所述角度指的是纖維與殼體對(duì)稱(chēng)軸的夾角； 步驟3)對(duì)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域進(jìn)行壓緊、固化，壓緊時(shí)，采用同樣曲率的剛性物件進(jìn)行壓緊，固化后將補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域的凸緣打磨成光滑過(guò)渡，避免應(yīng)力集中。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的一種纖維復(fù)合材料承壓殼體接管或開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法，其特征在于:所述纖維是碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維或鵬纖維。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的一種纖維復(fù)合材料承壓殼體接管或開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法，其特征在于:所述預(yù)浸膠是環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂、聚酰胺類(lèi)樹(shù)脂、聚對(duì)苯二甲酸環(huán)丁二醇脂樹(shù)脂或聚乳酸樹(shù)脂。
【文檔編號(hào)】B29C70/88GK103753833SQ201310702634
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】鄭傳祥 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)