CN116084626A - 一种纤维米字组合梁预制体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种纤维米字组合梁预制体及其制备方法，属于纤维预制体制备技术领域。本发明的纤维米字组合梁预制体是将两个T字型预制体通过其第一腹板缝合制成的双向连续的十字交叉件预制体作为主体，在其交叉处的四个区域与四个预留有两个搭接边的工字梁插件通过将其第一腹板、第二腹板与对应的搭接边缝合，然后在其交叉处再进行整体缝合的方式制成。本发明的制备方法既提高了预制体整体的稳定性，又使其在多个方向保持连续，从而保证了其受外力时的载荷传递性，大大提高了其承载能力；且这种组装式的制备方法，各处尺寸均可调可控，方便了制备过程中或者成品后根据需要进行局部的调整。

Description

一种纤维米字组合梁预制体及其制备方法
技术领域
本发明涉及纤维预制体制备技术领域，特别是涉及一种纤维米字组合梁预制体及其制备方法。
背景技术
米字组合梁因其优异的稳定性、承重性和载荷传递性而被广泛应用于航空航天、轨道交通等各种主承力结构或次级结构中。现有的米字组合梁大多采用不锈钢、铝合金、钛合金等金属材料制成，因而质量大，降低了承力结构所能承受的有效载荷，且难以满足极端环境的使用需求。
高性能碳纤维复合材料具有质轻、高模量、高强度、可设计性好、耐高温、热稳定性优异、抗疲劳、耐腐蚀、工艺性好等特点，随着空间技术的发展和对轻质复合材料需求的牵引，高性能碳纤维复合材料作为结构件正逐步应用在导弹、卫星、火箭、飞船、空间站、太空望远镜、轨道交通装备等***的承力结构、次级结构、防热结构及其他功能结构中。然而，受限于纤维复合材料预制体成型工艺的不成熟性，目前的高性能碳纤维复合材料作为结构件的应用还较为有限。比如纤维米字组合梁结构件，为了避免其预制体在交叉节点处厚度与其他地方厚度不均一而导致承载强度大幅下降的问题，往往会在铺层时进行断口设置，即保持一个方向(如纵向)连续，另两个方向(如横向、斜向)在交叉处设置断口，然后通过蒙皮界面实现层间结合，这样成型的纤维米字组合梁预制体虽然解决了整体厚度均匀性问题，在一定程度上有助于改善承载强度问题，但预制体仅仅在一个方向保持连续既不利于承重时载荷的传递，也不利于结构的稳定性，总而言之对承载强度的改善有限。此外，这种整体成型的方式每一个环节都必须精准控制，加大了生产难度，制备过程中或制成后不便进行各部位尺寸的调整，降低了成品率。
鉴于此，有必要通过研究提供一种纤维米字组合梁预制体及其制备方法，以解决上述问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种纤维米字组合梁预制体及其制备方法，先通过将预留有搭接缝的纵向C型梁与带有翻边的横向C型梁先进行单侧的拼接缝合再进行整体缝合的方式得到双向连续的十字交叉件预制体，然后将4个带有2个搭接边的工字梁插件分别与十字交叉件预制体的四个交叉区域相对应的腹板完全缝合在一起，最后将交叉处再整体缝合得到本发明的纤维米字组合梁预制体，既提高了预制体整体的稳定性，又使其在多个方向都能保持连续，从而保证了纤维米字组合梁预制体承力时，载荷能在多个方向连续传递，大大提高了其承载能力。此外，本发明的纤维米字组合梁预制体采取的这种组装式的制备方法，各处尺寸均可调可控，制备过程中或者成品后亦可根据需要进行局部的调整。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明的第一个方面提供了一种纤维米字组合梁预制体，包括
双向连续的十字交叉件预制体，是由两个T字型预制体通过其第一腹板完全缝合而成；
四个工字梁插件，每个所述的工字梁插件的一端均预留有两个搭接边，每个所述的工字梁插件的两个搭接边分别与所述的十字交叉件预制体的四个交叉区域相对应的腹板完全缝合在一起，形成米字结构，并在米字结构的交叉处采取整体缝合处理，即得所述的纤维米字组合梁预制体。
进一步地，所述的T字型预制体包括一个纵向C型梁和两个横向C型梁，其中，所述的纵向C型梁的第一腹板的中部预留有搭接缝，每个所述的横向C型梁的一端沿其第二腹板均设有翻边，两个所述的横向C型梁的翻边于纵向C型梁的同一侧***其搭接缝并分别与搭接缝两侧的第一腹板完全缝合固定。
更进一步地，两个所述的横向C型梁的第二腹板也完全缝合在一起。
更进一步地，所述的横向C型梁和纵向C型梁均是由碳纤维织物和碳纤维网胎通过针刺缝合制成，层间密度为28-32层/10mm。
再进一步地，所述的针刺缝合为：以10-20针/cm2的针刺密度先进行针刺定型，再采用3K或6K碳纤维以(4-7)mm×(4-7)mm的缝合间距进行缝合加固。
更进一步地，所述的纵向C型梁的第一腹板和横向C型梁的第二腹板的高度相同。
更进一步地，所述的搭接缝的缝长与第一腹板的高度的(0.6～1)倍。
更进一步地，所述的翻边的高度与搭接缝的缝长相匹配。
进一步地，在所述的十字交叉件预制体的横向还设有纤维连续加强布，所述的纤维连续加强布的一端从一个T字型预制体的搭接缝中贯穿而过，***相应的两个横向C型梁的第二腹板中间并与之缝合固定，另一端以同样的方式与另一个T字型预制体的两个横向C型梁的第二腹板缝合固定。
更进一步地，所述的纤维连续加强布的长度与十字交叉件预制体的横向长度相一致；所述的纤维连续加强布的宽度与横向C型梁的第二腹板的高度相一致。
再进一步地，所述的维连续加强布是由一层碳纤维织物和一层碳纤维网胎逐层针刺而成，针刺的密度为10-20针/cm2。
进一步地，所述的工字梁插件的两个搭接边的一端成直角连接在一起。
进一步地，在所述的米字结构的交叉处整体包裹一层纤维加强布。
更进一步地，所述的纤维加强布的材质与纤维连续加强布的材质相同。
本发明的第二个方面提供了上述纤维米字组合梁预制体的制备方法，包括如下步骤：
S1、根据产品尺寸准备2个纵向C型梁、4个横向C型梁以及4个工字梁插件，其中，2个纵向C型梁的第一腹板中部均预留有搭接缝，4个横向C型梁的一端沿其第二腹板均预留有翻边，4个工字梁插件的一端均设有两个搭接边，且两个搭接边的一端成直角连接在一起；
S2、取1个纵向C型梁和2个横向C型梁，先将2个横向C型梁的翻边于纵向C型梁的同一侧***其搭接缝并分别与搭接缝两侧的第一腹板完全缝合固定，然后将2个横向C型梁的第二腹板完全缝合在一起，形成T字型预制体；剩下的1个纵向C型梁和2个横向C型梁也参照上述方式处理成T字型预制体；
S3、将步骤S2中所制得的两个T字型预制体的第一腹板完全缝合在一起，形成十字交叉件预制体；
S4、将4个工字梁插件的两个搭接边分别与所述的十字交叉件预制体的四个交叉区域相对应的第一腹板和第二腹板完全缝合在一起，形成米字结构件，并在米字结构的交叉处采取整体缝合处理，即得所述的纤维米字组合梁预制体。
进一步地，为了提高米字组合梁预制体交叉处的连接强度，在其交叉处整体包裹一层纤维加强布。
进一步地，为了提高所述三维立体结构在横向的载荷传递连续性，根据十字交叉件预制体的横向尺寸准备纤维连续加强布，所述的纤维连续加强布的一端从一个T字型预制体的搭接缝中贯穿而过，***相应的两个横向C型梁的腹板中间并缝合固定，另一端从以同样的方式与另一个T字型预制体的两个横向C型梁的腹板缝合固定。
进一步地，所述的缝合的方式为：加捻单股双向缝合，双面锁边。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的纤维米字组合梁预制体从其部件纵向C型梁和横向C型梁着手拼装，先制成T字型预制体，再制成十字型预制体，然后通过在十字型预制体的四个区域设置工字梁插件的方式实现整体制备，相较于现有技术中采用铺层式的制备方法，本发明的方法在交叉处不会因为纵横交叉的叠加厚度而导致预制体平整性无法满足要求，且本发明这种组装式的制备方法，操作简便，各处尺寸可调可控，且节省了原材料，有利于可持续发展。
2、本发明在纵向C型梁和横向C型梁上分别作了预留搭接缝和预留翻边的处理，既降低了缝合难度，又提高了交叉连接处的连接强度，从而提升了交叉件预制体的整体的稳定性以及在交叉的两个方向的连续性。
3、本发明还在交叉处整体包裹了一层纤维加强布，进一步提高了交叉处的连接强度，有效地降低了交叉处因外力作用而导致的变形或断裂的问题。
4、本发明在横向的纤维连续加强布的设计，提升了米字组合梁预制体横向的连续性，从而大大提升了预制体在受力作用下横向的载荷传递能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的米字组合梁预制体的整体示意图；
图2为本发明的十字交叉件预制体结构示意图；
图3为本发明的十字交叉件预制体的***图；
图4为本发明的T字型预制体的装配图；
图5为本发明的工字梁插件的结构示意图；
附图标记：十字交叉件预制体1、工字梁插件2、纵向C型梁11、横向C型梁12、纤维连续加强布13、搭接边21、第一腹板111、搭接缝112、第二腹板121、翻边122。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的一种纤维米字组合梁预制体的制备方法包括如下步骤：
S1、根据产品尺寸准备2个纵向C型梁11、4个横向C型梁12以及4个工字梁插件13，其中，2个纵向C型梁11的第一腹板111中部均预留有搭接缝112，4个横向C型梁12的一端沿其第二腹板121均预留有翻边122，4个工字梁插件2的一端均设有两个搭接边21；
S2、取1个纵向C型梁11和2个横向C型梁12，先将2个横向C型梁12的翻边122于纵向C型梁11的同一侧***其搭接缝112并分别与搭接缝112两侧的第一腹板111完全缝合固定，然后将2个横向C型梁12的第二腹板121完全缝合在一起，形成T字型预制体；剩下的1个纵向C型梁11和2个横向C型梁12也参照上述方式处理成T字型预制体；
S3、将步骤S2中所制得的两个T字型预制体的第一腹板111完全缝合在一起，形成十字交叉件预制体1；
S4、将4个工字梁插件2的两个搭接边21分别与所述的十字交叉件预制体1的四个交叉区域相对应的第一腹板111和第二腹板121完全缝合在一起，形成米字结构件，并在米字结构的交叉处采取整体缝合处理，即得所述的纤维米字组合梁预制体，如图1～4所示。
进一步地，所述的纵向C型梁11和横向C型梁12均是由碳纤维织物和碳纤维网胎通过针刺缝合制成，层间密度为28-32层/10mm。
更进一步地，所述的针刺缝合为：以10-20针/cm2的针刺密度先进行针刺定型，再采用3K或6K碳纤维以(4-7)mm×(4-7)mm的缝合间距进行缝合加固。
进一步地，所述的纵向C型梁11的第一腹板111和横向C型梁12的第二腹板121的高度相同。
进一步地，所述的搭接缝112的缝长为第一腹板111高度的(0.6～1)倍。
进一步地，所述的翻边122的高度与搭接缝112的缝长相匹配。
进一步地，为了提高所述的纤维米字组合梁预制体在横向的载荷传递连续性，在所述的十字交叉件预制体1的横向还设有纤维连续加强布13，所述的纤维连续加强布13的一端从一个T字型预制体的搭接缝112中贯穿而过，***相应的两个横向C型梁12的第二腹板121中间并与之缝合固定，另一端以同样的方式与另一个T字型预制体的两个横向C型梁12的第二腹板121缝合固定。
更进一步地，所述的纤维连续加强布13的长度与十字交叉件预制体1的横向长度相一致；所述的纤维连续加强布13的宽度与横向C型梁12的第二腹板121的高度相一致。
再进一步地，所述的纤维连续加强布13是由一层碳纤维织物和一层碳纤维网胎逐层针刺而成，针刺的密度为10-20针/cm2。
进一步地，所述的工字梁插件2的两个搭接边的一端成直角连接在一起
进一步地，为了提高米字组合梁预制体交叉处的连接强度，在其交叉处整体包裹一层纤维加强布(常规部件，图中未展示)。
更进一步地，所述的纤维加强布的材质与纤维连续加强布13的材质相同。
进一步地，所述的缝合的方式为：加捻单股双向缝合，双面锁边。
在本发明所述的纤维米字组合梁预制体的结构中，其十字交叉件预制体1具有双向连续性。为了进一步说明，采用本发明的方法与现有技术的方法分别制备600mm(长)×600mm(宽)×100mm(高)的十字交叉件预制体试验件进行验证说明。具体见下述实施例和对比例：
实施例
参照本发明所述的方法制备十字交叉件预制体，所制备的十字交叉件预制体的主体采用碳纤维织物和碳纤维网胎通过针刺缝合制成，层间密度为30层/10mm；其中，所述的针刺的密度为20针/cm2；所述的缝合的方式为：采用6K碳纤维以5mm×5mm的缝合间距进行加捻单股双向缝合，双面锁边；第一腹板、第二腹板、翻边及其第一腹板和第二腹板上下翼缘的厚度均为3mm。
对比例1
取一个纵向工字梁，在其腹板的中部预留有交叉缝，所述交叉缝的缝长与其腹板的高度相一致；另取一横向工字梁，其高度及厚度与交叉缝的缝长和缝宽相一致。
将所述横向工字梁穿过交叉缝后，以90度交叉角进行缝合固定，即得到对比例1的十字交叉件预制体试验件。所述十字交叉件预制体试验件所有工艺参数均与实施例相同。
对比例2
取一个纵向工字梁，另取两个横向工字梁，将2个横向工字梁以90度交叉角对称地缝合在纵向工字梁的腹板两侧，即得到对比例2的十字交叉件预制体试验件。所述十字交叉件预制体试验件所有工艺参数均与实施例相同。
性能测试
将实施例与对比例1-2所得到的交叉件预制体进行承力测试，本次测试是在10cm深的凹槽模具的辅助下，以50mm/min的速度对预制体交叉面施加作用力使其变形至交叉处下底面刚接触到凹槽底部时所需的力即为预制体所能承受的最大载荷，测试结果如表1所示：
表1
测试项目 实施例1 对比例1 对比例2
最大载荷(N) 228.51 141.02 169.2
从表1可以看出，本发明的方法所制备的十字交叉件预制体承载强度更高，表明双向连续性更好。
进一步地，本发明的米字组合梁预制体是在十字交叉件预制体的基础上设置工字梁插件，且在交叉处采取了整体缝合加固，而现有技术的米字梁也只是在对比例1或对比例2的技术上进行简单的拼接缝合，经验证，本发明的米字组合梁预制体的整体稳定性和各个方向的载荷传递连续性能比现有技术的米字梁的更优越。此处验证的方式同上述十字交叉件预制体试验件的方法，测试结果如下表2：
表2
Figure BDA0004005029850000091
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (18)

1.一种纤维米字组合梁预制体，其特征在于，包括：
双向连续的十字交叉件预制体，由两个T字型预制体通过其第一腹板完全缝合而成；
四个工字梁插件，每个所述的工字梁插件的一端均预留有两个搭接边，每个所述的工字梁插件的两个搭接边分别与所述的十字交叉件预制体的四个交叉区域相对应的腹板完全缝合在一起，形成米字结构，并在米字结构的交叉处采取整体缝合处理，即得所述的米字组合梁预制体。
2.根据权利要求1所述的一种纤维米字组合梁预制体，其特征在于，所述的T字型预制体包括一个纵向C型梁和两个横向C型梁，其中，所述的纵向C型梁的第一腹板的中部预留有搭接缝，每个所述的横向C型梁的一端沿其第二腹板均设有翻边，两个所述的横向C型梁的翻边于纵向C型梁的同一侧***其搭接缝并分别与搭接缝两侧的第一腹板完全缝合固定。
3.根据权利要求2所述的一种纤维米字组合梁预制体，其特征在于，两个所述的横向C型梁的第二腹板完全缝合在一起。
4.根据权利要求3所述的一种纤维米字组合梁预制体，其特征在于，所述的横向C型梁和纵向C型梁均是由碳纤维织物和碳纤维网胎通过针刺缝合制成，层间密度为28-32层/10mm。
5.根据权利要求4所述的一种纤维米字组合梁预制体，其特征在于，所述的针刺缝合为：以10-20针/cm2的针刺密度先进行针刺定型，再采用3K或6K碳纤维以4～7mm×4～7mm的缝合间距进行缝合加固。
6.根据权利要求3所述的一种纤维米字组合梁预制体，其特征在于，所述的纵向C型梁的第一腹板和横向C型梁的第二腹板的高度相同。
7.根据权利要求3所述的一种纤维米字组合梁预制体，其特征在于，所述的搭接缝的缝长为第一腹板的高度的0.6～1倍。
8.根据权利要求3所述的一种纤维米字组合梁预制体，其特征在于，所述的翻边的高度与搭接缝的缝长相匹配。
9.根据权利要求3所述的一种纤维米字组合梁预制体，其特征在于，在所述的十字交叉件预制体的横向还设有纤维连续加强布，所述的纤维连续加强布的一端从一个T字型预制体的搭接缝中贯穿而过，***相应的两个横向C型梁的第二腹板中间并与之缝合固定，另一端以同样的方式与另一个T字型预制体的两个横向C型梁的第二腹板缝合固定。
10.根据权利要求9所述的一种纤维米字组合梁预制体，其特征在于，所述的纤维连续加强布的长度与十字交叉件预制体的横向长度相一致；所述的纤维连续加强布的宽度与横向C型梁的第二腹板的高度相一致。
11.根据权利要求10所述的一种纤维米字组合梁预制体，其特征在于，所述的维连续加强布是由一层碳纤维织物和一层碳纤维网胎逐层针刺而成，针刺的密度为10-20针/cm2。
12.根据权利要求1所述的一种纤维米字组合梁预制体，其特征在于，所述的工字梁插件的两个搭接边的一端成直角连接在一起。
13.根据权利要求1所述的一种纤维米字组合梁预制体，其特征在于，在所述的米字结构的交叉处整体包裹一层纤维加强布。
14.根据权利要求13所述的一种纤维米字组合梁预制体，其特征在于，所述的纤维加强布的材质与纤维连续加强布的材质相同。
15.根据上述权利要求1～14中任意一项所述的一种纤维米字组合梁预制体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据产品尺寸准备2个纵向C型梁、4个横向C型梁以及4个工字梁插件，其中，2个纵向C型梁的第一腹板中部均预留有搭接缝，4个横向C型梁的一端沿其第二腹板均预留有翻边，4个工字梁插件的一端均设有两个搭接边；
S2、取1个纵向C型梁和2个横向C型梁，先将2个横向C型梁的翻边于纵向C型梁的同一侧***其搭接缝并分别与搭接缝两侧的第一腹板完全缝合固定，然后将2个横向C型梁的第二腹板完全缝合在一起，形成T字型预制体；剩下的1个纵向C型梁和2个横向C型梁也参照上述方式处理成T字型预制体；
S3、将步骤S2中所制得的两个T字型预制体的第一腹板完全缝合在一起，形成十字交叉件预制体；
S4、将4个工字梁插件的两个搭接边分别与所述的十字交叉件预制体的四个交叉区域相对应的第一腹板和第二腹板完全缝合在一起，形成米字结构件，并在米字结构的交叉处采取整体缝合处理，即得所述的纤维米字组合梁预制体。
16.根据权利要求15所述的一种纤维米字组合梁预制体的制备方法，其特征在于，在所述的米字结构件的交叉处整体包裹一层纤维加强布。
17.根据权利要求15所述的一种纤维米字组合梁预制体的制备方法，其特征在于，在所述的十字交叉件预制体的横向尺寸准备纤维连续加强布，所述的纤维连续加强布的一端从一个T字型预制体的搭接缝中贯穿而过，***相应的两个横向C型梁的腹板中间并缝合固定，另一端从以同样的方式与另一个T字型预制体的两个横向C型梁的腹板缝合固定。
18.根据权利要求15所述的一种纤维米字组合梁预制体的制备方法，其特征在于，所述的缝合的方式为：加捻单股双向缝合，双面锁边。
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