一种整体成型的纤维增强复合材料桁架及其制备方法 |
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| 申请号 | CN202310541869.6 | 申请日 | 2023-05-15 | 公开(公告)号 | CN116591015A | 公开(公告)日 | 2023-08-15 |
| 申请人 | 中国人民解放军63983部队; | 发明人 | 徐龙星; 李宁; 丁勇; 李欢; 孙建群; 李林; 熊建武; 张颖; 梅之永; 程营; 吴超; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种整体成型的 纤维 增强 复合材料 桁架及其制备方法，包括中空结构的FRP桁架及设置在FRP桁架两端的金属接头；所述FRP桁架内充注聚 氨 酯 泡沫 ；所述FRP桁架外壁整体缠绕FRP预浸布；本桁架整体 质量 轻，承载 力 高。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种整体成型的纤维增强复合材料桁架，其特征在于：包括中空结构的FRP桁架(100)及设置在FRP桁架(100)两端的金属接头(200)；所述FRP桁架(100)内充注聚氨酯泡沫；所述FRP桁架(100)外壁全部缠绕FRP预浸布； |
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| 说明书全文 | 一种整体成型的纤维增强复合材料桁架及其制备方法技术领域背景技术[0002] 军用桥梁是保障部队的人员、武器和装备顺利通过江河、峡谷、沟渠和战损道路等障碍而临时架设的桥梁。在众多军用桥梁类型中，有一个重要类型为拆装式桥也叫装配式桥，这类桥梁多采用桁架式结构，由金属杆制成桁架单元，再将多个桁架单元采用简单件连接组装成桁架桥。传统的桁架桥材质是钢制，如我军列装的ZB‑200钢制公路桥，各个杆件采用焊接连接的方式拼接在一起，此种钢制的材质重量大，拼装架设所需人员多，架设效率不高。 [0003] 纤维增强复合材料(FiberReinforcedPolymer，简称FRP)具有高强、轻质、耐腐蚀和耐疲劳等优点，可设计性强，其强度约为钢拉杆的数倍，密度为钢材的1/5，已在军用桥梁、航空航天、土木工程结构中广泛应用，利用FRP材料开发一种重量轻、承载力强、装配简单快速的桁架具有重要意义。 发明内容[0004] 本发明的目的是提供一种整体成型的纤维增强复合材料桁架及其制备方法。 [0005] 本发明的目的创新点在于：利用两个结构相同且整体成型的FRP构件对扣拼合组成FRP桁架，中间充注聚氨酯泡沫，两端设置金属接头，外部缠绕预浸布，且在连接处设置加强块，进一步提高连接处的强度，可设计性强，承载力高，整体质量轻。 [0006] 为实现上述发明目的，本发明的技术方案是： [0007] 一种整体成型的纤维增强复合材料桁架，包括中空结构的FRP桁架及设置在FRP桁架两端的金属接头；所述FRP桁架内充注聚氨酯泡沫；所述FRP桁架外壁整体缠绕FRP预浸布。 [0008] 所述FRP桁架由两个结构完全相同、各杆件断面均为U型的FRP构件对扣拼合而成；所述FRP构件包括上、下弦杆；所述上、下弦杆之间均匀设置数根垂直腹杆，形成数个矩形框；每个矩形框内均设置由四根斜腹杆首尾相连组成的菱形支撑结构，所述支撑结构的顶点分别与矩形框的各个杆件的中部连接；所述FRP构件为一体真空辅助成型；所述上、下弦杆与垂直腹杆的连接处内腔、支撑结构与矩形框的各个杆件的连接处内腔均设置加强块，且由结构胶固定。 [0009] 进一步地，所述金属接头分别插接在上弦杆及下弦杆两端，且由结构胶及剪力销固定；所述金属接头一端为单耳或双耳连接座，另一端端面为燕尾形、锯齿形或波浪形。 [0010] 进一步地，所述加强块包括设置在所述上、下弦杆与垂直腹杆连接处内腔的T型加强块、设置在斜腹杆与上、下弦杆连接处内腔的第一K型加强块、设置在斜腹杆与垂直腹杆连接处内腔的第二K型加强块及米字型加强块。 [0011] 进一步地，所述加强块为实木或巴萨轻木材质。 [0013] 一种整体成型的纤维增强复合材料桁架的制备方法，包括以下步骤： [0014] 步骤S1：制作FRP构件：包括准备模具、下料、铺设纤维毡和平纹布、铺设导流网和真空袋膜、抽真空、树脂吸附导入、固化七个步骤；在预定的模具上铺设6‑10层FRP预浸布，采用真空吸附工艺固化整体成型，具体的固化温度和时间由所选的FRP预浸布材料而定； [0015] 步骤S2：制作金属接头：选用高强度金属块，根据FRP构件的尺寸加工金属接头，在所述金属接头一端加工连接座并开设贯穿孔，另一端加工端面。 [0016] 步骤S3：组装FRP构件、金属接头、加强块并充注聚氨酯泡沫：通过调整金属接头贯穿孔轴心位置控制整个FRP桁架的尺寸，组装时在各个金属接头与FRP构件接触面上涂一层结构胶，在加强块与FRP构件接触面上涂一层结构胶，并在上、下两个FRP构件上施加一定大小的压力，使上下两个FRP构件、金属接头和加强块紧紧粘合为一体；然后在内部中空位置打孔充注聚氨酯泡沫； [0017] 步骤S4：裁剪FRP预浸布、缠绕并固化：根据FRP桁架的尺寸要求裁剪不同角度的预浸布，包括0°/90°方向预浸布A、0°方向预浸布B、90°方向预浸布C、±45°方向预浸布D；在上、下弦杆、垂直腹杆、斜腹杆上缠绕预浸布，按照1层A、4层B、1层C、1至2层D或A的顺序铺设缠绕；在杆件交叉处多缠绕1至2层预浸布D，在FRP构件与金属接头结合处外部多缠绕1至2层预浸布D或A，对杆件交叉处及金属接头处进行加强，提升强度；将缠绕好预浸布的FRP桁架平置于平板上，按照真空吸附工艺流程，铺设脱模布、导流网、导流管、真空袋，抽真空高温固化整体成型，温度缓慢升高至80°，保持一小时，升温至100°，保持1小时，升温至130°，保持2小时，完全固化后自然降温，脱模固化成型；根据FRP桁架结构的受力大小按此方法缠绕固化3至4次，最终得到固化成型的FRP桁架； [0018] 步骤S5：在金属接头上加工单、双耳接头；按照结构尺寸要求，将步骤S2中开设的贯穿孔直径扩大；通过4个贯穿孔轴心距离控制FRP桁架纵向和横向尺寸，然后按照设计尺寸由外至内切割贯穿孔加工单、双耳。 [0019] 步骤S6：在金属接头上加工剪力销孔并装配剪力销，加工螺栓孔并装配高强螺栓。 [0020] 本发明的有益效果是： [0021] 第一：利用两个结构相同且整体成型的FRP构件对扣拼合组成FRP桁架，中间充注聚氨酯泡沫，两端设置金属接头，外部缠绕FRP预浸布，且在杆件交叉处设置加强块，进一步提高杆件交叉处的强度，结构整体性好，承载力高，桁架整体可减重33％。 [0022] 第二：采用分步骤整体固化成型，可根据FRP桁架结构受力情况进行优化设计铺层方式和铺层数量，可设计性强。 [0024] 图1为本发明结构示意图。 [0025] 图2为FRP构件结构示意图。 [0026] 图3为FRP构件与加强块结构示意图。 [0027] 图4金属接头结构示意图。 [0028] 图中：100是FRP桁架、110是FRP构件、111是上弦杆、112是下弦杆、113是垂直腹杆、114是斜腹杆、200是金属接头、201是剪力销、301是T型加强块、302是第一K型加强块、303是第二K型加强块、304是米字型加强块。 具体实施方式[0029] 下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。 [0030] (参考图1、图2)一种整体成型的纤维增强复合材料桁架，包括中空结构的FRP桁架100及设置在FRP桁架100两端的金属接头200；所述FRP桁架100内充注聚氨酯泡沫；所述FRP桁架100外壁全部缠绕FRP预浸布； [0031] 所述FRP桁架100由两个结构完全相同、各杆件断面均为U型的FRP构件110对扣拼合而成；所述FRP构件110包括上、下弦杆111,112；所述上、下弦杆111,112之间均匀设置数根垂直腹杆113，形成数个矩形框；每个矩形框内均设置由四根斜腹杆114首尾相连组成的菱形支撑结构，所述支撑结构的顶点分别与矩形框的各个杆件的中部连接；所述FRP构件110为一体真空热压辅助成型；所述上、下弦杆111,112与垂直腹杆113的连接处内腔、支撑结构与矩形框的各个杆件的连接处内腔均设置加强块，且由结构胶固定。 [0032] 进一步地，(参考图4)所述金属接头200分别插接在上弦杆111及下弦杆112两端，且由结构胶及剪力销201固定；所述金属接头200一端端面为燕尾形，也可为锯齿形或波浪形，另一端为单耳或双耳连接座，所述金属接头200为现有技术，中国专利CN114561864A公开了一种高承载力整体成型复合材料接头及制造方法，在此专利中公开了金属接头200的结构及制造方法，此处不再赘述。 [0033] 进一步地，(参考图3)所述加强块包括设置在所述上、下弦杆111,112与垂直腹杆113连接处内腔的T型加强块301、设置在斜腹杆114与上、下弦杆111,112连接处内腔的第一K型加强块302、设置在斜腹杆114与垂直腹杆113连接处内腔的第二K型加强块303及米字型加强块304。 [0034] 进一步地，所述加强块为实木或巴萨轻木材质。 [0035] 进一步地，所述FRP预浸布为CFRP预浸布、玻璃纤维预浸布或玄武岩纤维预浸布；所述FRP预浸布可根据桁架设计壁厚分多次缠绕固化成型，每次至少缠绕7层。 [0036] 一种整体成型的纤维增强复合材料桁架的制备方法，包括以下步骤： [0037] 步骤S1：制作FRP构件：包括准备模具、下料、铺设玻璃纤维毡和FRP预浸布、铺设导流网和真空袋膜、抽真空、树脂吸附导入、固化七个步骤；在预定的模具上铺设6‑10层预浸布，采用真空吸附工艺固化整体成型，具体的固化温度和时间由所选的FRP预浸布材料而定； [0038] 步骤S2：制作金属接头200；选用高强度金属块(如30CrMnSi金属块)，根据FRP构件110的尺寸加工金属接头200，在所述金属接头200的一端加工连接座并开设贯穿孔(一般贯穿孔的直径为D＝30mm)，另一端端面可以为燕尾形、锯齿形、波浪形等等，目的是充注聚氨酯泡沫后增大金属接头200端面与聚氨酯泡沫的接触面积，优化金属接头受力,提升牢固性； [0039] 步骤S3：组装FRP构件110、金属接头200、加强块并充注聚氨酯泡沫：通过调整金属接头200贯穿孔轴心位置控制整个FRP桁架的尺寸，组装时在各个加强块及金属接头200与FRP构件110的接触面上涂一层结构胶，并在上下两个FRP构件110上施加一定大小的压力，使上下两个FRP构件110、金属接头200和加强块紧紧粘合为一体，；然后在内部中空位置打孔充注聚氨酯泡沫； [0040] 步骤S4：裁剪FRP预浸布、缠绕并固化：包括根据FRP桁架100的尺寸要求裁剪不同角度的预浸布，包括0°/90°方向预浸布A、0°方向预浸布B、90°方向预浸布C、±45°方向预浸布D；在上、下弦杆111、112、垂直腹杆113、斜腹杆114上缠绕预浸布，按照1层A、4层B、1层C、1至2层D或A的顺序铺设缠绕；在杆件交叉处多缠绕1至2层预浸布D；在FRP构件110与金属接头200结合处外部多缠绕1至2层预浸布D或A，对杆件交叉处及金属接头200处进行加强，提升强度；将缠绕好FRP预浸布的FRP桁架100平置于平板上，按照真空吸附工艺流程，铺设脱模布、导流网、导流管、真空袋等，抽真空高温固化整体成型，温度缓慢升高至80°，保持一小时；升温至100°，保持1小时；升温至130°，保持2小时，完全固化后自然降温，脱模固化成型；根据FRP桁架100结构的受力大小按此方法缠绕固化3至4次，最终得到固化成型的FRP桁架 100； [0041] 步骤S5：在金属接头200上加工单、双耳接头：按照结构尺寸要求，将步骤S2中开设的贯穿孔的直径扩大(由直径30mm扩大为直径50mm)，通过4个贯穿孔轴心距离控制FRP桁架100纵向和横向尺寸；接着采用专用的硬质合金刀具，按照设计尺寸由外至内(水平方向)切割贯穿孔加工单、双耳，其中一侧2个金属接头为单耳，另外一侧2个金属接头为双耳。 [0042] 步骤S6：加工剪力销孔并装配剪力销201：使用数控机床打孔，在金属接头200位置处加工剪力销孔，其中，内外侧长面加工28个剪力销孔，上下两侧短面加工14个剪力销孔，接头圆弧处加工2至4个螺栓孔，剪力销孔径大小为7.8mm，孔深为25mm；在剪力销孔内装配直径为8mm，长度为25mm的剪力销201，通过过盈配合实现缠绕的FRP预浸布和金属接头200的内芯高强度连接，接头处装备高强螺栓，施加一定大小的预紧力；当然加工剪力销孔及螺栓孔的具体数量、孔径大小及孔深可根据实际尺寸进行调整。 [0043] 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 |
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