CN114851598B - 带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型方法及生产线 - Google Patents
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Abstract
本发明的一个技术方案是提供了一种带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型方法。本发明的另一个技术方案是提供了一种带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型生产线，其特征在于，包括芯模牵引***；轴纱引导架一；纤维布铺层装置；轴纱引导架二；三维编织机；注脂固化***；重载牵引***；切割下料装置。本发明具有如下有益效果：多边形筒体和筋板一次拉挤成型，生产效率高、人工成本低；多边形筒体采用三维编织+轴纱+纤维布铺层的复合成型工艺，大大提高了筒体轴向强度、环刚度、抗压、抗弯、抗剪等力学性能；筋板与筒体的过渡区域采用纤维布+轴纱的拉挤工艺，增大了两者连接强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型方法及基于该复合成型方法的带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型生产线。
背景技术
为特殊需求，在市政工程、电力通信、建筑给排水等行业常用到多边形筒体，为加强结构、提高抗压抗弯性能，往往在筒体内壁设计长条状筋板。在国防军工中，筒体内壁上的筋板还可作为导轨，筒体内部可以通过导轨输送物资或装置，所以制造具有足够强度、使用寿命及可靠性的带有长内筋的多边形筒体十分重要。
目前带长内筋的多边形筒体大多采用金属材料制作而成，金属材料质量大，筒体内部结构复杂、加工难度大。随着碳纤维、玻璃纤维等高性能纤维的快速发展，其强度大、质量轻的优点近年来逐渐应用于筒体的制备。高性能纤维复合材料制备工艺多样且复杂，很多产品依旧停留在需要大量人力的发展阶段。
当前在利用高性能纤维复合材料制备带导轨筒体时，通常将筒体和筒体内的长内筋分开成型。筒体采用碳纤维轴纱拉挤工艺，长内筋采用碳纤维预浸料手糊铺层工艺，两者成型后采用胶粘连接。上述制作工艺存在以下不足：①筒体和长内筋分开成型后再组装的方式生产效率低，且碳纤维预浸料手糊铺层工艺所需的人工成本较高；②筒体采用碳纤维轴纱拉挤工艺，制件易分层、不抗剪；③采用胶粘工艺无法保证导轨和筒体的形位误差，有时胶粘后还需要再加工。
发明内容
本发明的目的是：提供一种能够确保筒体与长内筋连接强度、整体抗压弯性能且生产效率较高的带长内筋多边形复材筒体的成型工艺以及成型生产线。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型方法，筒体共n条边，第i条边壁厚hi，i＝1，2，......，n，长内筋m个，1≤m≤n，第j个长内筋厚度hj，j＝1，2，......，m，长内筋与筒体边框的连接圆角过渡。采用与筒体内壁形状一致的芯模，与筒体长内筋对应位置的芯模表面有m个用于成型长内筋的长沟槽，每条长沟槽的末端有短直槽。将短直槽定义为筋板末端区，将第j条长沟槽两侧延伸至长沟槽所在筒体边框内表面各δj厚度的区域定义为纤维布区，2δj＜hj，所有长沟槽的纤维布区在距离筋板末端区δj处连通形成整体，将长沟槽除筋板末端区以及纤维布区外的剩余区域和纤维布区所在筒体边框处距离筒体外表面μj的区域定义为筋板加厚区，δj+μj＜hi，将筒体外表面μj厚度的区域定义为编织区，将筒体边框除筋板加厚区以及编织区外的剩余区域定义为其余加厚区，其特征在于，所述复合成型方法包括以下步骤：
在筋板末端区铺设轴纱形成筋板末端轴纱铺层；
在纤维布区铺设纤维布形成纤维布铺层；
在筋板加厚区铺设轴纱形成筋板加厚区域轴纱铺层；
在其余加厚区铺设轴纱形成其余加厚区域轴纱铺层；
在编织区制备三维编织织物形成编织层；
将包覆有筋板末端轴纱铺层、纤维布铺层、筋板加厚区域轴纱铺层、其余加厚区域轴纱铺层以及编织层的芯模送入外模后，进行高压注脂及固化成型，成型后的产品不断拉出，每拉出一段距离后，切割得到成型产品。
优选地，所述长内筋连接在筒体内表面，截面为长条状末端“工”型结构，轴向平直不弯曲。
优选地，所述多边形筒体轴向平直不弯曲，各处截面厚度一致。
优选地，所述复材为纤维增强树脂基复合材料，所述纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子聚乙烯纤维、玄武岩纤维、石英纤维等高性能纤维，所述树脂包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂、聚氨酯等材料。
优选地，所述纤维布铺层共三层，每层厚度为0.5mm；所述筋板加厚区域轴纱铺层位于长内筋部分的厚度为6mm；所述其余加厚区域轴纱铺层的厚度为2.5mm；所述编织层的厚度为1.5mm。
本发明的另一个技术方案是提供了一种带长内筋多边形复材筒体抗压弯复合成型生产线，其特征在于，包括：
芯模牵引***，用于将芯模推送入外模中；
轴纱引导架一，用于将轴纱纱架一上的一部分轴纱引导铺设在m个长沟槽的短直槽内，形成所述筋板末端轴纱铺层，还用于将轴纱纱架一上的另一部分轴纱引导铺设在筋板加厚区，形成所述筋板加厚区域轴纱铺层；
纤维布铺层装置，用于将纤维布铺在纤维布区，形成所述纤维布铺层；
轴纱引导架二，用于将轴纱纱架二上的轴纱引导铺设在其余加厚区，形成所述其余加厚区域轴纱铺层；
三维编织机，用于在编织区制备三维编织织物形成所述编织层；
注脂固化***，用于进行高压注脂及固化成型；
重载牵引***，用于将注脂固化***获得的成型后的产品不断拉出；
切割下料装置，成型后的产品每拉出一段距离后，利用切割下料装置切割得到成型产品，从而获得具有一定长度的最终产品。
优选地，还包括：
芯模固定杆，芯模通过芯模固定杆固定在芯模牵引***上；
芯模支撑架，用于在推送过程中支撑芯模；
导纱杆，用于与轴纱引导架二相配合。
优选地，所述芯模由位于中间的具有n条边的n边形中间异型块以及组合固定在n边形中间异型块的n条边上的四周异型块组成，其中，四周异型块互不接触，四周异型块的两侧底部为弧形，且相邻两个四周异型块2-2之间形成间隙，利用相邻两个四周异型块之间的间隙以及四周异型块底部的弧形设计，结合n边形中间异型块的边形成底部带有短直槽的长沟槽。
本发明具有如下有益效果：
(1)多边形筒体和筋板一次拉挤成型，生产效率高、人工成本低。
(2)多边形筒体采用三维编织+轴纱+纤维布铺层的复合成型工艺，大大提高了筒体轴向强度、环刚度、抗压、抗弯、抗剪等力学性能。
(3)筋板与筒体的过渡区域采用纤维布+轴纱的拉挤工艺，增大了两者连接强度。
附图说明
图1为实施例中所采用的组合芯模的结构示意图；
图2为实施例中的生产线示意图；
图3为所获得的最终产品的示意图；
图4为图3的剖视图；
图5为图3的局部放大以及尺寸图，单位为mm。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本实施例公开了一种带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型方法，筒体共n条边，每条边壁厚hi，i＝1，2，……，n，长内筋m个，1≤m≤n，第j个长内筋厚度hj，j＝1，2，……，m，长内筋与筒体边框的连接圆角过渡。采用与筒体内壁形状一致的芯模，与筒体长内筋对应位置的芯模表面有m个用于成型长内筋的长沟槽，每条长沟槽的末端有短直槽。将短直槽定义为筋板末端区，将第j条长沟槽两侧延伸至长沟槽所在筒体边框内表面各δj厚度的区域定义为纤维布区，2δj＜hj，所有长沟槽的纤维布区在距离筋板末端区δj处连通形成整体，将长沟槽除筋板末端区以及纤维布区外的剩余区域和纤维布区所在筒体边框处距离筒体外表面μj的区域定义为筋板加厚区，δj+μj＜hi，将筒体外表面μj厚度的区域定义为编织区，将筒体边框除筋板加厚区以及编织区外的剩余区域定义为其余加厚区，则复合成型方法具体包括以下步骤：
由芯模牵引***1将芯模2推送入外模中，在推送过程中：
步骤1、轴纱纱架一3上的一部分轴纱通过轴纱引导架一4被引导铺设在m个长沟槽的短直槽内，形成筋板末端轴纱铺层A；
步骤2、由纤维布铺层装置5将纤维布铺在纤维布区形成纤维布铺层B；本实施例中，纤维布铺层B共有三层，每层厚度为0.5mm；
步骤3、轴纱纱架一3上的另一部分轴纱通过轴纱引导架一4被引导铺设在筋板加厚区形成筋板加厚区域轴纱铺层C，筋板加厚区域轴纱铺层C位于长沟槽内的部分厚度为6mm，位于筒体边框部分的厚度为3mm；
步骤4、轴纱纱架二6上的轴纱通过轴纱引导架二7被引导铺设在其余加厚区形成其余加厚区域轴纱铺层D，其余加厚区域轴纱铺层D的厚度为2.5mm；
步骤5、利用三维编织机8在编织区制备三维编织织物形成编织层E，厚度为1.5mm。
包覆有筋板末端轴纱铺层A、纤维布铺层B、筋板加厚区域轴纱铺层C、其余加厚区域轴纱铺层D以及编织层E的芯模2被送入外模后，利用注脂固化***9进行高压注脂及固化成型，成型后的产品10通过重载牵引***11不断拉出，每拉出一段距离后，利用切割下料装置12切割得到成型产品，从而获得具有一定长度的最终产品。
通过上述方法得到的多边形筒体截面从内至外依次为筋板末端轴纱铺层A、纤维布铺层B、筋板加厚区域轴纱铺层C、其余加厚区域轴纱铺层D以及编织层E。利用编织层E保证筒体的整体力学性能，通过纤维布铺层B保证长条状内筋与筒体的连接强度，通过筋板加厚区域轴纱铺层C以及其余加厚区域轴纱铺层D，使筒体不易拉伸、弯曲变形。
本发明提供的一种带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型生产线，采用上述复合成型方法，除包括芯模牵引***1、芯模2、轴纱纱架一3、轴纱引导架一4、纤维布铺层装置5、轴纱纱架二6、轴纱引导架二7、三维编织机8、注脂固化***9、重载牵引***11及切割下料装置12外，还包括：
芯模固定杆13，芯模2通过芯模固定杆13固定在芯模牵引***1上；
芯模支撑架14，用于在推送过程中支撑芯模2；
导纱杆15，用于与轴纱引导架二7相配合。
本实施例中，芯模2为带有m条长沟槽的n边形异型件，一次加工困难。因此，本发明将芯模2设计成组合件，由位于中间的具有n条边的n边形中间异型块2-1以及组合固定在n边形中间异型块2-1的n条边上的四周异型块2-2组成。其中，四周异型快2-2互不接触，四周异型块2-2的两侧底部为弧形，且相邻两个四周异型块2-2之间形成间隙，利用相邻两个四周异型块2-2之间的间隙以及四周异型块2-2底部的弧形设计，结合n边形中间异型块2-1的边形成底部带有短直槽的长沟槽。
Claims (7)
1.一种带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型方法，筒体共n条边，第i条边壁厚hi，i＝1,2,……,n，长内筋m个，1≤m≤n，第j个长内筋厚度hj，j＝1,2,……,m，长内筋与筒体边框的连接圆角过渡，采用与筒体内壁形状一致的芯模，与筒体长内筋对应位置的芯模表面有m个用于成型长内筋的长沟槽，每条长沟槽的末端有短直槽，将短直槽定义为筋板末端区，将第j条长沟槽两侧延伸至长沟槽所在筒体边框内表面各δj厚度的区域定义为纤维布区，2j<hj，所有长沟槽的纤维布区在距离筋板末端区δj处连通形成整体，将长沟槽除筋板末端区以及纤维布区外的剩余区域和纤维布区所在筒体边框处距离筒体外表面μj的区域定义为筋板加厚区，δj+j<hi，将筒体外表面μj厚度的区域定义为编织区，将筒体边框除筋板加厚区以及编织区外的剩余区域定义为其余加厚区，其特征在于，所述复合成型方法包括以下步骤：
在筋板末端区铺设轴纱形成筋板末端轴纱铺层；
在纤维布区铺设纤维布形成纤维布铺层；
在筋板加厚区铺设轴纱形成筋板加厚区域轴纱铺层；
在其余加厚区铺设轴纱形成其余加厚区域轴纱铺层；
在编织区制备三维编织织物形成编织层；
将包覆有筋板末端轴纱铺层、纤维布铺层、筋板加厚区域轴纱铺层、其余加厚区域轴纱铺层以及编织层的芯模送入外模后，进行高压注脂及固化成型，成型后的产品不断拉出，每拉出一段距离后，切割得到成型产品。
2.如权利要求1所述的一种带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型方法，其特征在于，所述长内筋连接在筒体内表面，截面为长条状末端“工”型结构，轴向平直不弯曲。
3.如权利要求1所述的一种带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型方法，其特征在于，所述多边形筒体轴向平直不弯曲，各处截面厚度一致。
4.如权利要求1所述的一种带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型方法，其特征在于，所述复材为纤维增强树脂基复合材料，所述纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子聚乙烯纤维、玄武岩纤维和石英纤维，所述树脂包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂和聚氨酯。
5.如权利要求1所述的一种带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型方法，其特征在于，所述纤维布铺层共三层，每层厚度为0.5mm；所述筋板加厚区域轴纱铺层位于长内筋部分的厚度为6mm；所述其余加厚区域轴纱铺层的厚度为2.5mm；所述编织层的厚度为1.5mm。
6.一种带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型生产线，其特征在于，用于实现如权利要求1所述的带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型方法，包括：
芯模牵引***，用于将芯模推送入外模中；所述芯模由位于中间的具有n条边的n边形中间异型块以及组合固定在n边形中间异型块的n条边上的四周异型块组成，其中，四周异型块互不接触，四周异型块的两侧底部为弧形，且相邻两个四周异型块之间形成间隙，利用相邻两个四周异型块之间的间隙以及四周异型块底部的弧形设计，结合n边形中间异型块的边形成底部带有短直槽的长沟槽；
轴纱引导架一，用于将轴纱纱架一上的一部分轴纱引导铺设在m个长沟槽的短直槽内，形成筋板末端轴纱铺层，还用于将轴纱纱架一上的另一部分轴纱引导铺设在筋板加厚区，形成筋板加厚区域轴纱铺层；
纤维布铺层装置，用于将纤维布铺在纤维布区，形成纤维布铺层；
轴纱引导架二，用于将轴纱纱架二上的轴纱引导铺设在其余加厚区，形成其余加厚区域轴纱铺层；
三维编织机，用于在编织区制备三维编织织物形成所述编织层；
注脂固化***，用于进行高压注脂及固化成型；
重载牵引***，用于将注脂固化***获得的成型后的产品不断拉出；
切割下料装置，成型后的产品每拉出一段距离后，利用切割下料装置切割得到成型产品，从而获得具有一定长度的最终产品。
7.如权利要求6所述的一种带长内筋的多边形复材筒体抗压弯复合成型生产线，其特征在于，还包括：
芯模固定杆，芯模通过芯模固定杆固定在芯模牵引***上；
芯模支撑架，用于在推送过程中支撑芯模；
导纱杆，用于与轴纱引导架二相配合。
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