專(zhuān)利名稱(chēng)：超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到工程結(jié)構(gòu)中的桁架領(lǐng)域，特指一種超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架及其制備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了大結(jié)構(gòu)尺度和結(jié)構(gòu)超輕型化問(wèn)題。超輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件的低成本制造 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)各種大規(guī)模復(fù)雜工程任務(wù)的基礎(chǔ)，尤其是在對(duì)重量要求十分苛刻的航空航天領(lǐng)域。 輕質(zhì)高強(qiáng)的纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用于建筑及航空航天領(lǐng) 域。利用復(fù)合材料管或桿制造出的桁架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的金屬桁架結(jié)構(gòu)相比，在滿足強(qiáng)度及剛度 的前提下，至少能實(shí)現(xiàn)減重20%的目標(biāo)，同時(shí)還具有良好的抗疲勞、抗腐蝕性的特點(diǎn)。目前 國(guó)外的衛(wèi)星以及國(guó)際空間站廣泛采用這種結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料相比，利用復(fù)合 材料制成桁架結(jié)構(gòu)不僅能大幅度減重，更能充分發(fā)揮復(fù)合材料優(yōu)異的單向力學(xué)性能，大大提 高材料的利用率。
通常桁架式結(jié)構(gòu)的主體由桁架桿件和桁架接頭連接而成，主要依靠將作用力協(xié)調(diào)分布在 各桿件上來(lái)減輕構(gòu)件的重量，桿件主要承受軸向力的作用，通過(guò)接頭節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)力的合理 分配。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，這類(lèi)結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)成具有拉伸主導(dǎo)型細(xì)觀應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)即當(dāng)結(jié)構(gòu)承 受彎曲或剪切載荷時(shí)，桁架桿處于拉/壓狀態(tài)而不產(chǎn)生彎曲變形；可獲得相同載荷下的最小重 量指數(shù)；化塑性絞式破壞為擴(kuò)散式的整體破壞。但這種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料桁架接頭多，加工制 造困難，達(dá)不到理想的設(shè)計(jì)要求，并且接頭相對(duì)薄弱，限制了桁架中桿件承載能力的發(fā)揮。 從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、重量、可靠性和使用維護(hù)角度看，理想的桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求盡量減少連接接頭， 甚至不用接頭，即實(shí)現(xiàn)全復(fù)合材料的一體化桁架結(jié)構(gòu)。
一種全復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)具有在一維長(zhǎng)度方向上周期性出現(xiàn)相同胞元結(jié)構(gòu)的特征，屬于
輕質(zhì)高強(qiáng)的管柱狀梁式一維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，如國(guó)外的等代桁架(iso-tmss)。這類(lèi)結(jié)構(gòu)尺寸較大，
且構(gòu)型復(fù)雜，目前主要采用手工加機(jī)械輔助的方法制造。從已發(fā)表的相關(guān)工作來(lái)看，這類(lèi)復(fù) 合材料結(jié)構(gòu)及其制備工藝存在諸多不足，如桁架肋條所包圍形成的內(nèi)部空間不規(guī)則，不能通
過(guò)套接等連接方式實(shí)現(xiàn)可伸縮的機(jī)構(gòu)；對(duì)構(gòu)成桁架肋條的纖維束進(jìn)行致密化處理時(shí)，采用加
熱后能收縮的膠帶進(jìn)行綁束，但這種膠帶由高分子材料制備，加熱后的收縮力有限，纖維束
固化后致密化程度不高，因此桁架肋條的承載能力有限，難以實(shí)現(xiàn)超輕質(zhì)化；纖維束固化后 需花費(fèi)大量時(shí)間和人力將綁束膠帶從固化后的纖維束(肋條)上去除，增加制備成本；成型 工裝復(fù)雜，成型工序繁瑣，且一套成型工裝只適用于制備一種結(jié)構(gòu)尺寸的桁架結(jié)構(gòu)，造成制 造成本偏高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題就在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、 重量輕、力學(xué)性能優(yōu)異、成本低廉，且加工簡(jiǎn)單、效率高的超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架及其制備 方法。
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出的解決方案為 一種超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架，其特征在于 它包括三根以上軸向復(fù)合材料桿以及若干組環(huán)向肋條和螺旋向交叉形肋條，所述三根以上軸 向復(fù)合材料桿平行布置，所述環(huán)形肋條呈正多邊形并繞設(shè)于軸向復(fù)合材料桿的外側(cè)，若干組 環(huán)形肋條呈等間距平行布置，所述螺旋向交叉形肋條布置于相鄰兩組環(huán)形肋條之間。為便于 說(shuō)明，本發(fā)明將沿桁架長(zhǎng)度方向的復(fù)合材料支撐桿稱(chēng)為軸向復(fù)合材料桿，將垂直于桁架長(zhǎng)度 方向的肋條稱(chēng)為環(huán)向肋條，將相鄰環(huán)向肋條之間相互交叉的肋條稱(chēng)為螺旋向交叉形肋條。
所述三根以上軸向復(fù)合材料桿與若干組環(huán)向肋條繞設(shè)的空間為中空狀。
所述環(huán)向肋條和螺旋向交叉形肋條由纏繞于軸向復(fù)合材料桿上的預(yù)浸纖維束通過(guò)加熱固 化一體成型，所述預(yù)浸纖維束外周側(cè)、預(yù)浸纖維束之間的交叉點(diǎn)處以及預(yù)浸纖維束與軸向復(fù) 合材料桿之間的交匯點(diǎn)處均纏繞有纖維束。所述預(yù)浸纖維束和纖維束為玻璃纖維束、或碳纖 維束、或凱夫拉纖維束、或碳化硅纖維束、或硼纖維束。
一種超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架的制備方法，其特征在于步驟為
① 、固定芯模將芯模旋轉(zhuǎn)軸固定于支撐板的中部，將三根以上軸向復(fù)合材料桿固定于 支撐板的周邊；
② 、纏繞芯模；通過(guò)纏繞機(jī)使芯模旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)使纏繞用纖維束通過(guò)盛有聚合物基 質(zhì)的膠槽形成預(yù)浸纖維束，然后通過(guò)人工引導(dǎo)將預(yù)浸纖維束纏繞在軸向復(fù)合材料桿上；
③ 、綁束用纖維束對(duì)纏繞在芯模上的預(yù)浸纖維束、預(yù)浸纖維束之間的交叉點(diǎn)以及纖維 束與軸向復(fù)合材料桿之間的交匯點(diǎn)進(jìn)行綁束；
④ 、加熱、固化對(duì)完成綁束后的纏繞芯模通過(guò)加熱裝置進(jìn)行加熱固化；
⑤ 、脫模固化后脫去芯模，形成超輕質(zhì)桁架。
所述步驟②中，在軸向復(fù)合材料桿上的纏繞節(jié)點(diǎn)處設(shè)有可拆卸的卡槽，預(yù)浸纖維束依次 纏繞在卡槽內(nèi)，固化后拆除卡槽。
所述卡槽由粘接于軸向復(fù)合材料桿上的兩個(gè)木塊組成。
所述步驟①中所使用的支撐板包括板狀本體和用來(lái)支撐軸向復(fù)合材料桿的三個(gè)以上的支 撐腳，所述板狀本體的中部開(kāi)設(shè)軸孔，芯模旋轉(zhuǎn)軸穿設(shè)于軸孔中并通過(guò)定位螺栓定位；所述 支撐腳固定于板狀本體上，支撐腳上開(kāi)設(shè)有滑動(dòng)槽，支撐腳通過(guò)穿設(shè)于滑動(dòng)槽內(nèi)的鎖緊螺栓 固定于板狀本體上。所述預(yù)浸纖維束和纖維束為玻璃纖維束、或碳纖維束、或凱夫拉纖維束、或碳化硅纖維 束、或硼纖維束。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
1、 本發(fā)明的超輕質(zhì)復(fù)合材料桁架為全復(fù)合材料整體構(gòu)件，肋條的致密化程度高、纖維體 積分?jǐn)?shù)大、且有環(huán)向纖維增強(qiáng)，承載能力高；
2、 本發(fā)明的超輕質(zhì)復(fù)合材料桁架具有更大的中空空間，不同截面尺寸的復(fù)合材料桁架可 以通過(guò)套裝的方式收納于一體，便于運(yùn)輸，并可以通過(guò)巻揚(yáng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)桁架軸向伸展與收縮， 應(yīng)用更廣，通用性更強(qiáng)；
3、 本發(fā)明的超輕質(zhì)復(fù)合材料桁架的環(huán)向肋條和螺旋向交叉形肋條由預(yù)浸纖維束組成，預(yù) 浸纖維束環(huán)向纏繞綁束纖維束，綁束纖維束在桁架固化過(guò)程中與肋條固結(jié)在一起，對(duì)桁架肋 條起到環(huán)向增強(qiáng)作用，使得肋條的承載能力提高，由此可實(shí)現(xiàn)桁架結(jié)構(gòu)的超輕質(zhì)化；同時(shí)， 在桁架固化后無(wú)需將綁束纖維束從桁架上去除，減少了制備工序，節(jié)省了人力，從而降低制 備成本；
4、 本發(fā)明的超輕質(zhì)復(fù)合材料桁架實(shí)現(xiàn)了的結(jié)構(gòu)超輕質(zhì)化，節(jié)約了材料用量，從而降低了 使用成本；
5、 本發(fā)明的超輕質(zhì)復(fù)合材料桁架可采用纖維纏繞工藝制備、工裝簡(jiǎn)單，制得的復(fù)合材料 桁架質(zhì)量穩(wěn)定性高，因此其具有產(chǎn)品的合格率較高、制造效率高、適合于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)；
6、 本發(fā)明的超輕質(zhì)復(fù)合材料桁架制備方法，采用新穎的芯模工裝， 一套纏繞芯模工裝可 制備出不同截面尺寸的復(fù)合材料桁架，減少了模具工裝，從而降低制備成本。


圖1是本發(fā)明具體實(shí)施例中正三角形截面桁架的立體結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例中正三角形截面桁架的截面示意圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例中正六邊形截面絎架的立體結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架制備方法的流程示意圖5是本發(fā)明將芯模旋轉(zhuǎn)軸固定于支撐板上的結(jié)構(gòu)示意圖6是本發(fā)明中支撐板的主視結(jié)構(gòu)示意圖7是本發(fā)明中支撐板的后視結(jié)構(gòu)示意圖8是本發(fā)明將軸向復(fù)合材料桿固定于支撐板上的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖9是本發(fā)明中安裝有卡槽的軸向復(fù)合材料桿的局部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖IO是人工輔助引導(dǎo)纖維束纏繞工藝示意圖11-1是預(yù)浸纖維束纏繞路徑的第一步示意圖；圖11-2是預(yù)浸纖維束纏繞路徑的第二步示意圖； 圖11-3是預(yù)浸纖維束纏繞路徑的第三步不意圖； 圖11-4是預(yù)浸纖維束纏繞路徑的第四歩示意圖； 圖11-5是預(yù)浸纖維束纏繞路徑的第五步示意圖； 圖12是用纖維束綁束預(yù)浸漬纖維束的示意圖13是用纖維束綁束預(yù)浸漬纖維束之間交點(diǎn)以及預(yù)浸纖維束與軸向復(fù)合材料桿之間的 交匯點(diǎn)的示意圖14是完成纏繞和綁束后的芯模結(jié)構(gòu)示意圖15-1是三個(gè)不同截面尺寸的復(fù)合材料桁架通過(guò)套接方式連接形成伸縮機(jī)構(gòu)呈收攏狀態(tài) 時(shí)的示意圖15-2是三個(gè)不同截面尺寸的復(fù)合材料桁架通過(guò)套接方式連接形成伸縮機(jī)構(gòu)呈展開(kāi)狀態(tài) 時(shí)的示意圖。 圖例說(shuō)明
l-軸向復(fù)合材料桿；2-環(huán)向肋條；3-螺旋向交叉形肋條；4-預(yù)浸纖維束；5-綁束纖維束； 6-芯模旋轉(zhuǎn)軸；7-支撐板；701-板狀本體；702-軸孔；8-支撐腳；9-定位螺栓；10-滑動(dòng)槽；11-鎖緊螺栓；12-卡槽；13-木塊；14-導(dǎo)絲輥；15-膠槽；16-導(dǎo)絲嘴；17-張力；18-外部桁架；19-中間桁架；20-內(nèi)部桁架。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖l、圖2和圖3所示，本發(fā)明的一種超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架，它包括三根以上軸向 復(fù)合材料桿1以及若干組環(huán)向肋條2和螺旋向交叉形肋條3，該三根以上軸向復(fù)合材料桿1 平行布置，該環(huán)形肋條2呈等邊多邊形并繞設(shè)于軸向復(fù)合材料桿1的外側(cè)，若干組環(huán)形肋條 2呈平行布置，該螺旋向交叉形肋條3布置于相鄰兩組環(huán)形肋條2之間。超輕質(zhì)全復(fù)合材料 桁架的截面與環(huán)形肋條2的形狀一致，也為等邊多邊形。軸向復(fù)合材料桿1也可為管狀構(gòu)件 為通過(guò)拉擠工藝制得的連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物基質(zhì)復(fù)合材料桿或管。由復(fù)合材料拉擠工藝制得 的桿或管件具有優(yōu)異的力學(xué)特性，用其作為桁架的軸向構(gòu)件能大大提高桁架的整體力學(xué)性。 三根以上軸向復(fù)合材料桿1與若干組環(huán)向肋條2繞設(shè)的空間為中空狀，這樣不同截面尺寸大 小的桁架可以通過(guò)套接的方式實(shí)現(xiàn)桁架軸向伸縮，大大提高了其應(yīng)用范圍。本發(fā)明中，環(huán)向 肋條2和螺旋向交叉形肋條3由纏繞于軸向復(fù)合材料桿1上的預(yù)浸纖維束4通過(guò)加熱固化一 體成型，預(yù)浸纖維束4外周側(cè)、預(yù)浸纖維束4之間的交叉點(diǎn)處以及預(yù)浸纖維束4與軸向復(fù)合材料桿1之間的交匯點(diǎn)處均纏繞有綁束纖維束5。預(yù)浸纖維束4和綁束纖維束5為玻璃纖維 束、或碳纖維束、或凱夫拉纖維束、或碳化硅纖維束、或硼纖維纖維束。 如圖4所示，本發(fā)明超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架的制備方法，其步驟為
① 、固定芯模參見(jiàn)圖5和圖8所示，將芯模旋轉(zhuǎn)軸6固定于支撐板7的中部，將三根 以上軸向復(fù)合材料桿l固定于支撐板7的周邊；其中，參見(jiàn)圖6和圖7所示，所使用的支撐 板7包括板狀本體701和用來(lái)支撐軸向復(fù)合材料桿1的三個(gè)以上的支撐腳8，所述板狀本體 701的中部開(kāi)設(shè)軸孔702，芯模旋轉(zhuǎn)軸6穿設(shè)于軸孔702中并通過(guò)定位螺栓9定位；所述支撐 腳8固定于板狀本體701上，支撐腳8上開(kāi)設(shè)有滑動(dòng)槽10，支撐腳8通過(guò)穿設(shè)于滑動(dòng)槽10 內(nèi)的鎖緊螺栓11固定于板狀本體701上。在較佳實(shí)施例中，所使用的支撐板7包括板狀本體 701和用來(lái)支撐軸向復(fù)合材料桿1的三個(gè)以上的支撐腳8，所述板狀本體701的中部開(kāi)設(shè)軸孔 702，芯模旋轉(zhuǎn)軸6穿設(shè)于軸孔702中并通過(guò)定位螺栓9定位；所述支撐腳8固定于板狀本體 701上，支撐腳8上開(kāi)設(shè)有滑動(dòng)槽10，支撐腳8通過(guò)穿設(shè)于滑動(dòng)槽10內(nèi)的鎖緊螺栓11固定 于板狀本體701上。
芯模旋轉(zhuǎn)軸6為金屬等材質(zhì)的管或桿，要求具有足夠的剛度保證在兩端固定時(shí)無(wú)明顯下 垂。通過(guò)定位螺栓9可以調(diào)整芯模旋轉(zhuǎn)軸6與軸孔702之間的間距并進(jìn)行定位，脫模時(shí)，通 過(guò)松開(kāi)定位螺栓9可以進(jìn)行快速脫模。支撐腳8可以通過(guò)鎖緊螺栓11和滑動(dòng)槽10的配合在 支撐板7上運(yùn)動(dòng)，調(diào)整好距離后通過(guò)鎖緊螺栓ll鎖定，從而滿足不同截面尺寸桁架的要求。 軸向復(fù)合材料桿1通過(guò)支撐腳8支撐。
② 、纏繞芯模如圖10以及圖11-1至圖11-6所示，通過(guò)纏繞機(jī)使芯模旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同 時(shí)使纏繞用纖維束通過(guò)盛有聚合物基質(zhì)的膠槽形成預(yù)浸纖維束4，然后通過(guò)人工引導(dǎo)將預(yù)浸 纖維束4纏繞在軸向復(fù)合材料桿1上；步驟②中，在軸向復(fù)合材料桿1上的纏繞節(jié)點(diǎn)處設(shè)有 可拆卸的卡槽12，保證纏繞過(guò)程中預(yù)浸漬纖維束4在軸向復(fù)合材料桿1上不會(huì)滑動(dòng)，然后預(yù) 浸纖維束依次纏繞在卡槽12內(nèi)，固化后拆除卡槽12。本實(shí)例中采用粘接劑將磨有圓角的小 木塊13粘接在纏繞落點(diǎn)兩側(cè)以形成卡槽12，待固化后再將木塊13去除(參見(jiàn)圖9所示)。支 撐板7的支撐腳8應(yīng)在軸向復(fù)合材料桿1上的位置應(yīng)與纏繞時(shí)預(yù)浸纖維束4的落點(diǎn)保持一定 距離以保證固化后芯模能順利脫下。預(yù)浸纖維束4為玻璃纖維束、或碳纖維束、或凱夫拉纖 維束、或芳綸纖維束、或碳化硅纖維束、或硼纖維束。在具體實(shí)施例中，將芯模兩端固定在 纏繞機(jī)兩夾持端，由纏繞機(jī)帶動(dòng)芯模旋轉(zhuǎn)軸6轉(zhuǎn)動(dòng)，將纏繞用纖維束依次通過(guò)導(dǎo)絲輥14、膠 槽15和導(dǎo)絲嘴16，最后固定在芯模旋轉(zhuǎn)軸6上。隨著芯模的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)手工引導(dǎo)的方式使 預(yù)浸聚合物基質(zhì)的預(yù)浸纖維束4纏繞在芯模上的卡槽12內(nèi)。該聚合物基質(zhì)為環(huán)氧樹(shù)脂、或乙
烯基酯、或聚酯等熱固性基質(zhì)，與之配合使用的固化劑應(yīng)保證聚合物基質(zhì)在室溫環(huán)境中能放置24小時(shí)以上而不發(fā)生凝膠等變化，以提供足夠的時(shí)間對(duì)預(yù)浸纖維束及纏繞節(jié)點(diǎn)用綁束纖維 束進(jìn)行手工綁束。綁束過(guò)程中綁束纖維束將被從預(yù)浸纖維束中擠出的聚合物基質(zhì)浸潤(rùn)，最終 與桁架肋條固結(jié)形成整體。為制得高性能的復(fù)合材料桁架，纏繞過(guò)程中，應(yīng)使預(yù)浸纖維束始 終保持一定的張力。纖維束的纏繞路徑如圖11-1至11-6所示，其中圖11-1至11-3為基本纏 繞路徑，圖11-4、 11-5、 11-6為從不同的起點(diǎn)開(kāi)始重復(fù)圖11-1至11-3的過(guò)程。圖11-1至11-6 的纏繞過(guò)程稱(chēng)為一個(gè)纏繞周期，根據(jù)桁架肋條直徑的不同， 一般纏繞過(guò)程由若千個(gè)纏繞周期 構(gòu)成。如采用多根纖維束同時(shí)纏繞，則相應(yīng)地減少纏繞周期。人工引導(dǎo)纖維束纏繞工藝為連 續(xù)、 一次性整體成型工藝，采用該工藝成型本發(fā)明超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架，能有效提高桁架 整體的力學(xué)性能及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。
③、綁束用綁束纖維束5對(duì)纏繞在芯模上的預(yù)浸纖維束4、預(yù)浸纖維束4之間的交叉 點(diǎn)以及預(yù)浸纖維束4與軸向復(fù)合材料桿1之間的交匯點(diǎn)進(jìn)行綁束；綁束纖維束5為玻璃纖維 束、或碳纖維束、或凱夫拉纖維束、或芳綸纖維束、或碳化硅纖維束、或硼纖維束。參見(jiàn)圖 12和圖13，綁束時(shí)采用手工螺旋向綁束的方式，同時(shí)應(yīng)保證綁束過(guò)程中對(duì)綁束纖維束5施加 較大的張力17，以提高環(huán)向肋條和螺旋向交叉形肋條的致密化程度。綁束過(guò)程中，綁束纖維 束5被擠出的聚合物基質(zhì)浸潤(rùn)。加熱固化后，綁束纖維束5與桁架螺旋向肋條、纖維束交匯 點(diǎn)及纏繞節(jié)點(diǎn)固結(jié)形成整體，對(duì)桁架螺旋向肋條起到了環(huán)向增強(qiáng)的作用。采用高強(qiáng)度纖維束 進(jìn)行綁束，能有效提高桁架肋條纖維束的致密化程度及纖維體積含量，同時(shí)還能有效提高肋 條及其桁架整體的承載能力。
、加熱、固化對(duì)完成綁束后的芯模通過(guò)加熱裝置進(jìn)行加熱固化；
⑤、脫模脫去固化后的芯模，形成超輕質(zhì)桁架。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡 屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通
技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。 比如圖15-1為本發(fā)明不同截面尺寸的桁架可套裝收納于一體，其由外部桁架18、中間桁架 19和內(nèi)部桁架20組成，便于堆碼和運(yùn)輸；實(shí)際使用時(shí)，可通過(guò)伸縮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)收攏和展開(kāi)， 或采用機(jī)械連接的方法，將單個(gè)桁架兩兩相互連接，形成更長(zhǎng)或跨度更大的桁架結(jié)構(gòu)。圖15-2 所示為一組桁架的展開(kāi)狀態(tài)。這種可伸縮桁架和大跨度桁架在航空航天領(lǐng)域和民用工程領(lǐng)域 具有更廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1、一種超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架，其特征在于它包括三根以上軸向復(fù)合材料桿(1)以及若干組環(huán)向肋條(2)和螺旋向交叉形肋條(3)，所述三根以上軸向復(fù)合材料桿(1)平行布置，所述環(huán)形肋條(2)呈正多邊形并繞設(shè)于軸向復(fù)合材料桿(1)的外側(cè)，若干組環(huán)形肋條(2)呈等間距平行布置，所述螺旋向交叉形肋條(3)布置于相鄰兩組環(huán)形肋條(2)之間。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架，其特征在于所述三根以上軸向復(fù)合 材料桿(1)與若干組環(huán)向肋條(2)繞設(shè)的空間為中空狀。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架，其特征在于所述環(huán)向肋條(2) 和螺旋向交叉形肋條(3)由纏繞于軸向復(fù)合材料桿(1)上的預(yù)浸纖維束(4)通過(guò)加熱固化 一體成型，所述預(yù)浸纖維束(4)外周側(cè)、預(yù)浸纖維束(4)之間的交叉點(diǎn)處以及預(yù)浸纖維束(4)與軸向復(fù)合材料桿(1)之間的交匯點(diǎn)處均纏繞有綁束纖維束(5)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架，其特征在于所述預(yù)浸纖維束(4) 和綁束纖維束(5)為玻璃纖維束、或碳纖維束、或凱夫拉纖維束、或碳化硅纖維束、或硼纖維束。
5、 一種超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架的制備方法，其特征在十步驟為① 、固定芯模將芯模旋轉(zhuǎn)軸(6)固定于支撐板(7)的中部，將三根以上軸向復(fù)合材料桿(1)固定于支撐板(7)的周邊；② 、纏繞芯模；通過(guò)纏繞機(jī)使芯模旋轉(zhuǎn)軸(6)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)使纏繞用纖維束通過(guò)盛有聚合 物基質(zhì)的膠槽形成預(yù)浸纖維束(4)，然后通過(guò)人工引導(dǎo)將預(yù)浸纖維束(4)纏繞在軸向復(fù)合材 料桿(1)上;③ 、綁束用綁束纖維束(5)對(duì)纏繞在芯模上的預(yù)浸纖維束(4)、預(yù)浸纖維束(4)之 間的交叉點(diǎn)以及預(yù)浸纖維束(4)與軸向復(fù)合材料桿(1)之間的交匯點(diǎn)進(jìn)行綁束；④ 、加熱、固化對(duì)完成綁束后的纏繞芯模通過(guò)加熱裝置進(jìn)行加熱固化； 、脫模固化后脫去芯模，形成超輕質(zhì)桁架。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超輕質(zhì)桁架的制備方法，其特征在于所述步驟①中所使用的 支撐板(7)包括板狀本體(701)和用來(lái)支撐軸向復(fù)合材料桿(1)的三個(gè)以上的支撐腳(8)， 所述板狀本體(701)的中部開(kāi)設(shè)軸孔(702)，芯模旋轉(zhuǎn)軸(6)穿設(shè)于軸孔(702)中并通過(guò) 定位螺栓(9)定位；所述支撐腳(8)固定于板狀本體(701)上，支撐腳(8)上開(kāi)設(shè)有滑 動(dòng)槽(10)，支撐腳(8)通過(guò)穿設(shè)于滑動(dòng)槽(10)內(nèi)的鎖緊螺栓(11)固定于板狀本體(701) 上。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超輕質(zhì)桁架的制備方法，其特征在于所述步驟②中，在軸向 復(fù)合材料桿(1)上的纏繞節(jié)點(diǎn)處設(shè)有可拆卸的卡槽(12)，預(yù)浸纖維束(4)依次纏繞在卡槽(12)內(nèi)，固化后拆除卡槽(12)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的超輕質(zhì)桁架的制備方法，其特征在于所述卡槽(12)由粘接 于軸向復(fù)合材料桿(1)上的兩個(gè)木塊(13)組成。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5或7所述的超輕質(zhì)桁架的制備方法，其特征在于所述預(yù)浸纖維束(4) 為玻璃纖維束、或碳纖維束、或凱夫拉纖維束、或碳化硅纖維束、或硼纖維束。
10、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超輕質(zhì)桁架的制備方法，其特征在于所述步驟③中，所述 綁束纖維束(5)為玻璃纖維束、或碳纖維束、或凱夫拉纖維束、或碳化硅纖維束、或硼纖維 束。
全文摘要
一種超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架及其制備方法，它包括三根以上軸向復(fù)合材料桿以及若干組環(huán)向肋條和螺旋向交叉形肋條，所述三根以上軸向復(fù)合材料桿平行布置，所述環(huán)形肋條呈正多邊形并繞設(shè)于軸向復(fù)合材料桿的外側(cè)；若干組環(huán)形肋條呈等間距平行布置，所述螺旋向交叉形肋條布置于相鄰兩組環(huán)形肋條之間，與環(huán)向肋條一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)單元，其制備方法依次通過(guò)固定芯模、纏繞芯模、綁束、加熱、固化、脫模后形成超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架。本發(fā)明是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、重量輕、力學(xué)性能優(yōu)異、成本低廉，且加工簡(jiǎn)單、效率高的超輕質(zhì)全復(fù)合材料桁架及其制備方法。
文檔編號(hào)B29K307/02GK101418627SQ20081014305
公開(kāi)日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2008年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月7日
發(fā)明者曾竟成, 剛 杜, 江大志, 肖加余, 蘇 鞠 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)