一种连续纤维增强树脂基复合材料层合管件及加工方法技术

本发明专利技术公开了一种连续纤维增强树脂基复合材料层合管件及加工方法，包括由中间向两端依次设置的测试段、过渡段和夹持段，在纤维缠绕复合材料加工方法的基础上，将纤维束替换为0°单向布，并按照各层的铺层角度、铺层序号及芯轴直径计算对应的0°单向布宽度，按照各铺层角度将裁剪好的单向布缠绕于芯轴之上，并在试件两端缠绕纤维布以加强夹持部分，本发明专利技术提出的复合材料层合管件的加工只需要芯轴和加热炉等简易设备，加工方便，操作简单，经济性好，可以在航空及民用领域广泛推广应用。

A continuous fiber reinforced resin based composite laminating pipe and processing method

The invention discloses a continuous fiber reinforced resin matrix composite pipe and processing method, including the test section, which are sequentially arranged from the middle to both ends of the transition section and a clamping section, based on the composite processing method of filament winding, the fiber bundle is replaced with 0 DEG and 0 DEG with unidirectional cloth, one-way the width of cloth layer angle, layer number and core diameter calculation corresponding to each layer, according to the angle of layer will cut the unidirectional cloth around the core axis, and the specimen ends of winding fiber cloth to reinforce the clamping part, the composite layer provided by the invention only needs machining fittings the core shaft furnace and other simple equipment, convenient processing, simple operation, good economic performance, can be widely applied in the field of civil aviation and.

【技术实现步骤摘要】
一种连续纤维增强树脂基复合材料层合管件及加工方法
本专利技术涉及一种拉扭复合加载试验件的设计方法，具体地说涉及一种适用于拉扭组合加载的连续纤维增强复合材料层合管件的加工方法。
技术介绍
树脂基复合材料凭借其优异的比强度和比刚度，已广泛应用于航空航天飞行器、船舶工程、武器装备及汽车工业等领域。随着复合材料在各领域越来越广泛的应用，其承受的载荷也越来越复杂，服役中的复合材料构件通常在复杂的多轴载荷下失效。因此，对复合材料进行多轴力学性能测试显得尤为重要。复合材料的多轴加载试验基本上都是通过十字型试件和管型试件进行的。对于十字型试件，众研究结果表明：即使对中心测试区及各加载臂连接区域的几何尺寸进行优化，加载臂连接区域的应力集中也只能弱化不能消除，试件的初始破坏均位于加载臂连接区域等几何突变处，因此，采用十字型试件不能准确获取复合材料在多轴载荷下的破坏强度。管型试件通过加强夹持部分，不仅可以在标距段内产生均匀的应力场，消除板条试件的边界效应，而且可以同时施加轴向载荷、扭矩和内外压力，可以准确测试复合材料在双轴及三轴载荷作用下的力学性能。在拉扭及内外压的组合载荷作用下，国内外目前主要对[±θ]n的纤维缠绕复合材料管件和编织管件进行静载及疲劳力学性能测试。在以上两种结构的复合材料管件中，纤维的走向均存在波动，因而不能充分发挥纤维的纵向承载能力。复合材料层合结构因其铺层的可设计性，已广泛应用于不同领域，然而，目前对复合材料层合结构的力学性能测试主要集中在单轴加载方面，尚未见到对连续纤维增强的复合材料层合结构进行多轴载荷下的力学性能测试的公开报道。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种适用于拉扭组合加载的连续纤维增强树脂基复合材料层合管件及加工方法。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种连续纤维增强树脂基复合材料层合管件，包括由中间向两端依次设置的测试段、过渡段和夹持段，所述测试段为层合结构，其中，层合结构根据各层的铺层角度、铺层序号及芯轴直径计算各层对应的0°单向纤维布宽度，将裁剪好的0°单向纤维布按照对应的铺层角度缠绕于芯轴之上，然后固化脱模取出芯轴得到层合管件，其中，0°单向纤维布的宽度为：Width＝πDcosθ＝π(Dinn+(n-1)*thick0)cosθ式中，Width为0°单向纤维布的宽度，D为第n-1层铺层的外径，Dinn为芯轴直径，thick0为单向纤维布的厚度，θ为第n层的铺层角度。各0°单向纤维布的长度大于单向纤维布的最小理论长度Lmin，式中，Lmin为单向纤维布的最小理论长度，L为复合材料层合管件的长度，Width为第n层0°单向纤维布的宽度，θ为第n层的铺层角度，D为第n-1层铺层的外径。优选的：所述过渡段采用圆弧过渡。优选的：所述过渡段通过采用与测试段同种材料的纤维布沿测试段边缘向外补强至夹持端外径形成。一种连续纤维增强树脂基复合材料层合管件的加工方法，包括以下步骤：步骤1，根据需要选定层合管件的铺层方式。步骤2，按照公式(1)及铺层方式计算各层对应的0°单向纤维布的宽度：Width＝πDcosθ＝π(Dinn+(n-1)*thick0)cosθ(1)式中，Width为第n层0°单向纤维布的宽度，D为第n-1层铺层的外径，θ为第n层的铺层角度，Dinn为芯轴直径，thick0为单向纤维布的厚度。步骤3，根据计算得到的各层纤维布的宽度裁剪0°单向纤维布，各0°单向纤维布的长度大于单向纤维布的最小理论长度Lmin，式中，Lmin为单向纤维布的最小理论长度，L为复合材料层合管件的长度，Width为第n层0°单向纤维布的宽度，θ为第n层的铺层角度，D为第n-1层铺层的外径。步骤4，对应各铺层，在每一层0°单向纤维布的一端画上直线AB，其中直线AB的长度为πD，其与0°单向纤维布的夹角为步骤5，在芯轴表面涂抹硅油脱模剂后，逐次将对应铺层的0°单向纤维布缠绕于芯轴上，直线AB沿芯轴周向，保证缠绕于芯轴上的各单向纤维布的A点与B点重合。步骤6，标出复合材料层合管件的测试段，然后采用同种材料的纤维布沿测试段边缘向外补强至夹持端外径。步骤7，缠绕成型的层合管件经高温固化后，脱模，切除两端周向不封闭的材料，便可得到连续纤维增强的复合材料层合管件。优选的：所述步骤5中芯轴上缠绕1/3宽度单向纤维布的铺层角度为45°和70°。本专利技术相比现有技术，具有以下有益效果：本专利技术提供的连续纤维增强复合材料层合管件及加工方法，不需要专用的大型设备即可完成试验件的制作，加工方便，操作简单，经济性好。加工得到的层合管件无重叠区域、无间隙、无接缝，可以对连续纤维增强的复合材料层合管件进行多轴载荷作用下的力学性能测试。附图说明图1为适用于拉扭组合加载的复合材料层合管件剖面图；图2为对应于铺层角度为θ的0°单向纤维布的尺寸示意图；图3为芯轴上缠绕1/3宽度0°单向纤维布的铺层角度为45°的正视图和背视图(示意图)；图4为芯轴上缠绕1/3宽度0°单向纤维布的铺层角度为70°的正视图和背视图(示意图)，其中，1为测试段，2为过渡段，3为夹持段。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。一种连续纤维增强树脂基复合材料层合管件，如图1所示，包括由中间向两端依次设置的测试段1、过渡段2和夹持段3，管件夹持段的外径应根据试验机夹块的夹持直径进行选定，管件的内径则根据夹持段的外径及所需的补强厚度进行选定。过渡段采用圆弧过渡以降低应力集中，保证试件的破坏发生在测试段。所述测试段层合结构，其中，层合结构根据各层的铺层角度、铺层序号及芯轴直径计算各层对应的0°单向纤维布宽度，将裁剪好的0°单向纤维布按照对应的铺层角度缠绕于芯轴之上，固化脱模(取出芯轴)后，将两端周向不封闭区域切除，即可获得无重叠区域、无间隙、无接缝的连续纤维增强复合材料层合管件。其中0°单向纤维布的宽度：Width＝πDcosθ＝π(Dinn+(n-1)*thick0)cosθ式中，Width为0°单向纤维布的宽度，D为第n-1层铺层的外径，Dinn为芯轴直径，thick0为单向纤维布的厚度，θ为第n层的铺层角度。各0°单向纤维布的长度大于单向纤维布的最小理论长度Lmin，式中，Lmin为单向纤维布的最小理论长度，L为复合材料层合管件的长度，Width为第n层0°单向纤维布的宽度，θ为第n层的铺层角度，D为第n-1层铺层的外径。本专利技术在纤维缠绕复合材料加工方法的基础上，将纤维束替换为0°单向纤维布，并按照各层的铺层角度、铺层序号及芯轴直径计算对应的0°单向纤维布宽度，按照各铺层角度将裁剪好的单向纤维布缠绕于芯轴之上，并在试件两端缠绕纤维布以加强夹持部分。对应于各铺层角度、铺层序号的0°单向纤维布宽度等于πDcosθ(D为第n-1铺层的外径，θ为第n层的铺层角度)，长度应保证将0°单向纤维布缠绕于芯轴之后，周向封闭区域的轴向长度大于试件的轴向标定长度。本专利技术为一种连续纤维增强树脂基复合材料层合管件的加工方法，试验件的具体加工步骤为：(1)根据需要选定层合管件的铺层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连续纤维增强树脂基复合材料层合管件，其特征在于：包括由中间向两端依次设置的测试段、过渡段和夹持段，所述测试段为层合结构，其中，层合结构根据各层的铺层角度、铺层序号及芯轴直径计算各层对应的0°单向纤维布宽度，将裁剪好的0°单向纤维布按照对应的铺层角度缠绕于芯轴之上，然后固化脱模取出芯轴得到层合管件，其中，0°单向纤维布的宽度为：Width＝πDcosθ＝π(Dinn+(n‑1)*thick0)cosθ式中，Width为0°单向纤维布的宽度，D为第n‑1层铺层的外径，Dinn为芯轴直径，thick0为单向纤维布的厚度，θ为第n层的铺层角度；各0°单向纤维布的长度大于单向纤维布的最小理论长度Lmin，

【技术特征摘要】
1.一种连续纤维增强树脂基复合材料层合管件，其特征在于：包括由中间向两端依次设置的测试段、过渡段和夹持段，所述测试段为层合结构，其中，层合结构根据各层的铺层角度、铺层序号及芯轴直径计算各层对应的0°单向纤维布宽度，将裁剪好的0°单向纤维布按照对应的铺层角度缠绕于芯轴之上，然后固化脱模取出芯轴得到层合管件，其中，0°单向纤维布的宽度为：Width＝πDcosθ＝π(Dinn+(n-1)*thick0)cosθ式中，Width为0°单向纤维布的宽度，D为第n-1层铺层的外径，Dinn为芯轴直径，thick0为单向纤维布的厚度，θ为第n层的铺层角度；各0°单向纤维布的长度大于单向纤维布的最小理论长度Lmin，式中，Lmin为单向纤维布的最小理论长度，L为复合材料层合管件的长度，Width为第n层0°单向纤维布的宽度，θ为第n层的铺层角度，D为第n-1层铺层的外径。2.根据权利要求1所述连续纤维增强树脂基复合材料层合管件，其特征在于：所述过渡段采用圆弧过渡。3.根据权利要求1所述连续纤维增强树脂基复合材料层合管件，其特征在于：所述过渡段通过采用与测试段同种材料的纤维布沿测试段边缘向外补强至夹持端外径形成。4.一种加工如权利要求1所述的连续纤维增强树脂基复合材料层合管件的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据需要选定层合管件的铺层方式；步骤2，按照公式(1)及铺...

【专利技术属性】
技术研发人员：温卫东，翁晶萌，吴福仙，陈波，刘光涛，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32