一种仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁及其制备方法，仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁包括：工字梁本体；纤维层，所述纤维层包覆在所述工字梁本体外，并与所述工字梁本体连接；所述纤维层采用仿羽轴纤维排布的纤维层。本发明专利技术将具有仿羽轴纤维排布的纤维层连接在工字梁的表面，充分发挥不同角度纤维层的力学性能各向异性，在增强工字梁抗弯扭变形能力的同时，可以减少工字梁的用量，实现了工字梁的大幅减重。

【技术实现步骤摘要】
一种仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁及其制备方法
本专利技术涉及工字梁
，尤其涉及的是一种仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁及其制备方法。
技术介绍
作为一种广泛应用的承力结构，工字梁结构被广泛应用于建筑和汽车船舶制造行业，由于工字梁主要用于承受弯曲和扭转载荷，在工作时如果载荷超过了工字梁的损伤容限，工字梁会出现永久性形变甚至断裂，造成极大的经济损失和安全隐患。随着碳纤维复合材料的发展，用碳纤维增强工字梁的方法已经得到了广泛的应用，在增强工字梁抗弯扭变形能力的同时，可以减少工字梁的用量，实现了工字梁的大幅减重。现有技术中，碳纤维增强工字梁等构件的方法，并未采取详尽的纤维排布方式，只是简单的铺层技术，将纤维材料铺覆在工字梁表面，未能够充分发挥碳纤维在防止结构破环方面的优势，造成了纤维材料的浪费。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁及其制备方法，旨在解决现有技术中将纤维材料铺覆在工字梁表面，未能够充分发挥碳纤维在防止结构破环方面的优势的问题。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案如下：一种仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁，其中，包括：工字梁本体；纤维层，所述纤维层包覆在所述工字梁本体外，并与所述工字梁本体连接；其中，所述纤维层采用仿羽轴纤维排布的纤维层。所述的仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁，其中，所述工字梁本体包括：上翼板、下翼板以及腹板；所述上翼板和所述下翼板分别连接在所述腹板的两端；所述纤维层包括：第一纤维层，所述第一纤维层包覆在所述上翼板外；第二纤维层，所述第二纤维层包覆在所述下翼板外；第三纤维层，所述第三纤维层包覆在所述腹板外；其中，所述第一纤维层中的纤维和所述第二纤维层中的纤维均沿所述工字梁本体的轴向延伸设置；所述第三纤维层中的纤维与所述工字梁本体的轴向呈一夹角。所述的仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁，其中，所述第三纤维层包括：相互交织的第一组纤维和第二组纤维；所述第一组纤维垂直于所述第二组纤维。所述的仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁，其中，所述第一组纤维与所述工字梁本体的轴向之间的夹角为45°。所述的仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁，其中，所述工字梁本体与所述纤维层通过纤维胶粘接。所述的仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁，其中，所述纤维胶包括氟化物强力胶。所述的仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁，其中，所述纤维层中的纤维选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或几种；和/或，所述工字梁为工字钢。所述的仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁，其中，所述纤维层的厚度为2-10mm。一种仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁的制备方法，其中，包括步骤：提供一工字梁本体和纤维层，并对所述工字梁本体进行预处理得到预处理的工字梁本体；其中，所述纤维层采用仿羽轴纤维排布的纤维层；将所述纤维层包覆连接在所述预处理的工字梁本体上。所述的仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁制备方法，其中，所述工字梁本体包括：上翼板、下翼板以及腹板；所述上翼板和所述下翼板分别连接在所述腹板的两端；所述纤维层包括：第一纤维层，第二纤维层以及第三纤维层；所述将所述纤维层包覆连接在所述预处理的工字梁本体上，包括：将所述第一纤维层包覆在所述上翼板外，将所述第二纤维层包覆在所述下翼板外，将所述第三纤维层包覆在所述腹板外；其中，所述第一纤维层中的纤维和所述第二纤维层中的纤维均沿所述工字梁本体的轴向延伸设置；所述第三纤维层中的纤维与所述工字梁本体的轴向呈一夹角。有益效果：本专利技术将具有仿羽轴纤维排布的纤维层连接在工字梁的表面，充分发挥不同角度纤维层的力学性能各向异性，在增强工字梁抗弯扭变形能力的同时，可以减少工字梁的用量，实现了工字梁的大幅减重。附图说明图1是本专利技术中仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁的结构示意图。图2是本专利技术中仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁的截面图。图3是本专利技术中第一纤维层的结构示意图。图4是本专利技术中仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁的侧视图。图5是本专利技术中猫头鹰羽毛的截面照片。附图标记说明：10、工字梁本体；11、上翼板；12、下翼板；13、腹板；20、纤维层；21、第一纤维层；22、第二纤维层；23、第三纤维层；231、第一组纤维；232、第二组纤维。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。请同时参阅图1-图5，本专利技术提供了一种仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁的一些实施例。本专利技术结合了仿生学与材料力学理论，通过对比分析，选取鸟类羽轴为纤维排布工字梁增强方法设计的生物原型，通过试验确定影响羽轴弯曲力学性能的主要结构特征，并合理应用到工字梁增强设计中，以此来制备出一种仿鸟类羽轴纤维排布工字梁。如图1-图2所示，本专利技术的一种仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁，包括：工字梁本体10；纤维层20，所述纤维层20包覆在所述工字梁本体10外，并与所述工字梁本体10连接；其中，所述纤维层20采用仿羽轴纤维排布的纤维层20。仿生学研究发现，鸟类在飞行过程中，羽轴的背腹方向主要用于承受气动载荷引起的弯曲应力，而且羽轴皮质材料主要集中在背侧和腹侧，羽轴侧壁的皮质层相对较薄，这与工字梁的材料分布十分契合。羽轴背侧和腹侧皮质层，纤维呈轴向排布，增强了羽轴的抗弯能力，侧壁处皮质层纤维交叉排布，与轴向呈±45°，这与羽轴扭转的最大应力方向相同，允许羽轴发生扭转，从而分散背腹方向的弯曲应力，增强抗弯抗扭能力。如图5所示，羽轴包括皮质层和髓质层，皮质层位于外层，包裹着髓质层，二者均由坚硬的角蛋白组成，本专利技术中采用工字梁本体10仿鸟类羽轴髓质层，采用纤维层20仿鸟类羽轴皮质层，形成仿鸟羽轴纤维排布的工字梁，纤维层20仿羽轴纤维排布，通过工字梁本体10和纤维层20相互配合，充分利用纤维层20提高工字梁的抗弯能力。值得说明的是，仿羽轴纤维排布的纤维层20是指纤维排布仿造羽轴皮质层的纤维层20，本专利技术将具有仿羽轴纤维排布的纤维层20连接在工字梁的表面，充分发挥不同角度纤维层20的力学性能各向异性，在增强工字梁抗弯扭变形能力的同时，可以减少工字梁的用量，实现了工字梁的大幅减重。在本专利技术实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述工字梁本体10包括：上翼板11、下翼板12以及腹板13；所述上翼板11和所述下翼板12分别连接在所述腹板13的两端。具体地，以工字梁本体10中上翼板11和下翼板12分别仿羽轴的背侧和腹侧，以工字梁本体10中腹板13仿羽轴的侧壁。所述纤维层20包括：第一纤维层21，所述第一纤维层21包覆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁，其特征在于，包括：/n工字梁本体；/n纤维层，所述纤维层包覆在所述工字梁本体外，并与所述工字梁本体连接；/n其中，所述纤维层采用仿羽轴纤维排布的纤维层。/n

【技术特征摘要】
1.一种仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁，其特征在于，包括：
工字梁本体；
纤维层，所述纤维层包覆在所述工字梁本体外，并与所述工字梁本体连接；
其中，所述纤维层采用仿羽轴纤维排布的纤维层。


2.根据权利要求1所述的仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁，其特征在于，所述工字梁本体包括：
上翼板、下翼板以及腹板；所述上翼板和所述下翼板分别连接在所述腹板的两端；
所述纤维层包括：
第一纤维层，所述第一纤维层包覆在所述上翼板外；
第二纤维层，所述第二纤维层包覆在所述下翼板外；
第三纤维层，所述第三纤维层包覆在所述腹板外；
其中，所述第一纤维层中的纤维和所述第二纤维层中的纤维均沿所述工字梁本体的轴向延伸设置；
所述第三纤维层中的纤维与所述工字梁本体的轴向呈一夹角。


3.根据权利要求2所述的仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁，其特征在于，所述第三纤维层包括：
相互交织的第一组纤维和第二组纤维；所述第一组纤维垂直于所述第二组纤维。


4.根据权利要求3所述的仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁，其特征在于，
所述第一组纤维与所述工字梁本体的轴向之间的夹角为45°。


5.根据权利要求1所述的仿鸟类羽轴纤维排布的工字梁，其特征在于，
所述工字梁本体与所述纤维层通过纤维胶粘接。


6.根据权利要求5所述的仿鸟类羽轴纤维排...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩志武，王宇飞，张芷嫣，张斌杰，宋文达，李玉姣，穆正知，李博，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22