[发明专利]纤维复合材料承载杆/管及其成型方法

说明书

所属技术领域：

本发明涉及一种纤维复合材料承载杆件(或管件、筒体)。杆件主要功能是能够承载纵向的拉伸或压缩载荷，当然也包括比如筒形构件承载弯曲载荷时导致的筒体壁面一侧承受拉伸应力一侧承受压缩应力的受力状态。这种杆件包含纤维复合材料杆体和端部的金属接头两部分。这种杆件在复合材料桁架制造和众多需要轻质高强复合材料杆件连接的领域应用，例如风力发电机设备的叶片、塔架，汽车领域，油田塔架，以及航空航天领域。

本发明属于纤维复合材料应用技术领域。

背景技术：

在众多的杆件连接应用中，通常，钢结构通过焊接或螺栓连接可以很好的解决问题，于是各种型钢材获得普遍的应用。纤维复合材料天生轻质高强，耐腐蚀、抗疲劳、可设计性强等，还可以通过拉挤技术制成各种型材。但是由于在纤维复合材料杆体端部位置，要实现纤维断点的等强度变换并不简单，这需要相应的结构形式和补强技术来实现，这需要有个可靠的过渡接头结构方案，把杆体纤维的承载力能够很好地传递过渡到接头上，再由接头传递给连接结合部位。各向同性的金属材料是最合适的接头材料，但是仍然需要一种可行的结构来实现力的传递。

复合材料杆体通常是柱面的轮廓，它和金属接头之间如果依靠柱面胶接，界面的结合力非常有限，因为结构胶的剪切强度相对于金属来说非常低。对于截面实体较大的杆件，而粘接面有限的情况就更加不能使用胶接方案连接了，所以，简单的胶接结构只能适用于有限的应用场合。

如何避免或转换杆体端部受力时发生的沿树脂层面(或结构胶粘接层面)的剪切破坏，就成为本发明的主题。

这还需要从材料的细观结构分析入手，假设杆体受到轴向拉伸作用力，假设杆体的纵向纤维在杆端是离轴发散开来，无论是截面轮廓膨胀还是收缩，都可以改变杆体和金属接头的结合面的柱面形状成为一种锥面形状，假设纤维复合材料杆体断面是不变形的刚体，金属接头也是不变形的刚体，那么，杆体要突破锥面几何约束就不可能。这就是锥面约束化解杆体胶接面剪切破坏、或纤维层间树脂剪切破坏的原理。

以上从材料力学和材料结构出发，我们获知了这种结构的有效性。然而，要实现杆体纵向纤维在杆体端部的离轴发散，就会涉及到各种各样的方法。这就是本发明要实现的用不同的工艺方法来实现这种锥体连接结构。

复合材料杆体成型，和杆端锥体的实现，以及接头的锥体配合连接，三者是浑然一体的一次性过程，本发明的创造性就体现在这里。

发明内容：

本发明的目的是实现一种纤维复合材料杆体的端部锥面连接结构，能够等强度地承受和传递杆体的载荷。并指出完成这种杆件的工艺方法。

既然杆体的主要功能是承载纵向的拉伸或压缩载荷，那么，对于纤维复合材料杆体，肯定纤维的主体分布形式是纤维方向沿杆体的纵向施加的方式。也就意味着纤维无纬带或无纬布将是成型杆体的主要材料。

纤维是几何中的线，由线(单股纱)集合变成面(无纬布带)，由面(无纬布带)积层变成体(杆、或管、或筒)，这就是本发明中涉及的杆体制造思想。

要把这种无纬带铺敷在杆体上，形成纤维的积层，最终形成需要尺寸的杆体，所以，杆体成型必需要有一个初始的载体或芯模。载体可以是塑料、泡沫材料、木材、钢材、甚至气囊等形成的假体。

承载杆杆体当然可以是实心的，也可以是中空的，对于中空结构的杆件，细长的称管，短粗的称筒(甚至锥体的筒)。在本专利中，姑且我们都称作杆。承载杆可以具有各种形状的截面轮廓，比如实心或中空的多棱柱形，圆形，椭圆形，气动翼型等。对于可能承受压缩应力的承载杆杆体，其实，中部截面变大的纺锤体更具有稳定性。

在把这种无纬带铺敷在杆体上形成杆体纤维积层的同时，在杆体端部，在一定厚度的积层之间，可以引入层间间隔物，最简单最实用的材料莫过于本体无纬带了，通常，用这种无纬带环向绕包施工最简单易行，环向纤维还可以直接提供端截面径向的刚度，减小环向变形，提高约束的强度，一举两得。

当然，杆端纤维的离轴发散可以向内也可以向外发散，均可形成复合材料锥面轮廓。不同的锥面连接适合不同的应用场合，同时适用不同的工艺方法。自然，锥面连接的形式，相对于杆体外轮廓面来划分，可以是杆内锥面、杆外锥面、或者两者都有三种方式。

另外，单就金属接头而言，可能是预埋放置的，或者是在杆体成型后装配上去的，所以，金属接头可以是多变的结构形式，比如沿轴线分瓣，有端封盖，分块之间螺栓连接或者焊接。等等。

下面结合附图说明本发明阐述的承载杆的结构实施例和实施工艺。

图1是外锥面衔接结构的承载杆；

图2是内锥面衔接结构的承载杆