纖維復合材料承壓殼體接管或開孔補強方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種纖維復合材料承壓殼體接管或開孔補強方法。在圓柱形、球形曲面的承壓殼體需要開孔或接管的區(qū)域，敷設預浸膠的纖維布，纖維布直徑從底部到最上面一層逐層減小1～5mm，以使補強區(qū)域形成坡度；將纖維布中心開孔，補強位置的纖維布切割成多邊形的三角形并朝外翻出。當接管補強時：三角形翻邊纖維貼緊在接管外圓柱面上；每一層纖維布貼在補強區(qū)域后，采用纖維絲束接近環(huán)向纏繞的方式螺旋纏繞到纖維布的厚度；直至所需的補強厚度；當開孔補強時：三角形纖維缺口朝接管外伸方向翻出后，貼在殼體孔邊上；直至所需的補強厚度。本發(fā)明適用曲面或平面層合板的接管或開孔補強，由于纖維布得到全部合理使用于接管補強區(qū)域，節(jié)省材料。
【專利說明】纖維復合材料承壓殼體接管或開孔補強方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及纖維復合材料技術，尤其是涉及一種纖維復合材料承壓殼體接管或開孔補強方法。
【背景技術】
[0002]纖維增強的復合材料以其比強度高、比模量高、結構可設計性的特點，日益得到推廣應用，目前幾乎在航空航天、交通運輸、航海、國防、汽車制造、化學工業(yè)、建筑橋梁、機械制造等多個領域均有廣泛應用。由于其結構的可設計性和應用對象的多樣性，復合材料構件的制造方法也有很大的差異，這類結構在實際應用中常常因為工藝需要，或者聯(lián)接、檢修等需要，會出現(xiàn)開孔、接管等幾何突變區(qū)域，這其中一類復合材料管道、圓柱形壓力容器以及球形容器由于殼體是曲面、且承受介質(zhì)壓力，其形狀與受力均有別于一般的平面層合板結構。由于開孔、接管切斷了基體纖維的連續(xù)性，而且由于幾何發(fā)生突變，這類結構的開孔區(qū)域往往存在應力集中，大大降低了結構的承載能力，因此開孔、接管區(qū)域一般需要補強。
[0003]國內(nèi)外對平面層合板的復合材料開孔和補強技術的研究較多，如201010517846.4鄭州大學李成等提出的“一種用于層合復合材料承力結構開孔補強的方法”，通過芯模和陰模，用預制補強片對開孔區(qū)域進行補強，達到補強目的；如201210456975.6中國科學院寧波材料技術與工程研究所祝穎丹提出的“一種纖維復合材料開孔制件的補強片設計及補強方法”，在開孔區(qū)域分布敷設環(huán)向和徑向的纖維，然后進行固化增強的方法，該方法纖維敷設靈活，不裁剪纖維，所以比較省料；再如200810137032.0哈爾濱玻璃鋼研究院陳輝等提出的“纖維增強樹脂復合材料構件的開孔補強方法及補強片”，提出了一種采用芯模和補強片，并敷設設計好的纖維層，最后壓實固化的方法，對開孔區(qū)域進行補強；再如US7666493B2 “Locally reinforced core structure for composite sandwich structure andmethod of producing the same”提出了一種采用鋸齒狀互補的不同纖維敷設方向的加強方式對開孔區(qū)域進行加強。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]背景【技術領域】中的補強方法均是在平面層合板上實施的，且僅僅是對開孔的補強，沒有對接管補強提出解決結構和方法，對于圓柱形或者球形等承壓殼體的開孔、接管并不適用。本發(fā)明的目的在于提供一種纖維復合材料承壓殼體接管或開孔補強方法，用于復合材料承壓殼體接管或開孔的補強。
[0005]本發(fā)明采用的技術方案的步驟如下:
步驟I)在圓柱形、球形曲面的承壓殼體需要開孔或接管的區(qū)域，敷設直徑D為2.0?
5.0倍接管外徑d的預浸膠的纖維布，纖維布直徑從底部到最上面一層逐層減小I?5_，以使補強區(qū)域形成坡度；由于纖維布為平面，將纖維布中心開孔，補強位置的纖維布由中心向外切割成多邊形的三角形纖維，該三角形纖維朝外翻出；
a)當接管補強時:先將接管根部用粘結劑固定在殼體開孔處，根部打磨平整、與殼體外表面平齊，清洗干凈；纖維布的中心孔套入接管，纖維布中心的三角形翻邊纖維貼緊在接管外圓柱面上，同時，纖維布貼緊在殼體補強區(qū)域內(nèi)的殼體曲面上；每一層纖維布貼在補強區(qū)域后，在接管上，采用纖維絲束接近環(huán)向纏繞的方式螺旋纏繞到纖維布的厚度；接著粘貼下一塊纖維布，直至所需的補強厚度；
b)當開孔補強時:三角形纖維朝接管外伸方向翻出后，貼在殼體孔邊上；接著粘貼下一塊纖維布，直至所需的補強厚度；
步驟2)纖維布的纖維方向與殼體纖維方向排列相同或采用±90°或±45°或0°的角度對稱分布敷設，所述角度指的是纖維與殼體對稱軸的夾角；
步驟3)對補強區(qū)域進行壓緊、固化，壓緊時，采用同樣曲率的剛性物件進行壓緊，固化后將補強區(qū)域的凸緣打磨成光滑過渡，避免應力集中。
[0006]所述纖維是碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維或鵬纖維。
[0007]所述預浸膠是環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、聚酰胺類樹脂、聚對苯二甲酸環(huán)丁二醇脂樹脂或聚乳酸樹脂。
[0008]與【背景技術】相比，本發(fā)明具有的有益的效果是:
I)現(xiàn)有復合材料層合板補強方法均適用于平面的，對于承壓殼體曲面并不適用，本發(fā)明很好地解決了曲 面承壓殼體的接管或開孔補強問題。
[0009]2)本發(fā)明在接管補強區(qū)域內(nèi)接管與殼體連接處纖維保持連續(xù)，對改善該幾何突變處的應力集中、增強該區(qū)域的抗剪切、抗拉伸等性能均十分有效。
[0010]3)制造方便，節(jié)約纖維用量。本發(fā)明不僅可以適用于曲面承壓殼體的開孔補強，也適用于平面層合板的接管或開孔補強，由于纖維得到全部合理使用于接管補強區(qū)域，故沒有造成纖維浪費現(xiàn)象。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明接管補強后的結構示意圖。
[0012]圖2是圖1的側視圖。
[0013]圖3是圖1的俯視圖。
[0014]圖4是圖1的單層纖維布的俯視圖。
[0015]圖5是圖4的三角形纖維外翻成90°角后的側視圖。
[0016]圖中:1、承壓殼體，2、補強結構，3、接管，4、補強纖維布，5、三角形纖維。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0018]如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明補強方法的步驟如下:
步驟I)在圓柱形、球形曲面的承壓殼體需要開孔或接管的區(qū)域，敷設直徑D為2.0~
5.0倍接管外徑d的預浸膠的纖維布，纖維布直徑從底部到最上面一層逐層減小I~5_，以使補強區(qū)域形成坡度；由于纖維布為平面，將纖維布中心開孔，補強位置的纖維布由中心向外切割成多邊形的三角形纖維，該三角形纖維朝外翻出；如圖4所示，是單層纖維布的俯視圖；如圖5所示，是三角形纖維外翻成90°角后的側視圖。
[0019]當接管補強時:先將接管根部用粘結劑固定在殼體開孔處，根部打磨平整、與殼體外表面平齊，清洗干凈；纖維布的中心孔套入接管，纖維布中心的三角形翻邊纖維貼緊在接管外圓柱面上，同時，纖維布貼緊在殼體補強區(qū)域內(nèi)的殼體曲面上；每一層纖維布貼在補強區(qū)域后，在接管上，采用纖維絲束接近環(huán)向纏繞的方式螺旋纏繞到纖維布的厚度，接著粘貼下一塊纖維布；根據(jù)不同壓力，計算所需要的補強厚度，逐成敷設纖維布，直至所需的補強厚度。
[0020]本實施例中纖維布的厚度為0.2mm，接管上也纏繞0.2mm的纖維絲束，接管上的纏繞高度H是接管直徑d的I?2倍。
[0021]當開孔補強時:三角形纖維缺口朝接管外伸方向翻出后，貼在殼體孔邊上；直至所需的補強厚度。
[0022]步驟2)纖維布的纖維方向與殼體纖維方向排列相同或采用±90°或±45°或0°的角度對稱分布敷設，所述角度指的是纖維與殼體對稱軸的夾角；
步驟3)對補強區(qū)域進行壓緊、固化，壓緊時，采用同樣曲率的剛性物件進行壓緊，固化后將補強區(qū)域的凸緣打磨成光滑過渡，避免應力集中。
[0023]本發(fā)明所述纖維是碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維或鵬纖維。
[0024]本發(fā)明所述預浸膠是環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、聚酰胺類樹脂、聚對苯二甲酸環(huán)丁二醇脂樹脂或聚乳酸樹脂。
[0025]下面介紹一個實施例，直徑為250mm的碳纖維復合材料圓柱形殼體，設計承壓能力為70MPa，在圓柱形筒體上接一個25mm的接管，補強纖維布采用東麗公司T700碳纖維布，環(huán)氧樹脂為固化樹脂，補強纖維布外徑D選擇100mm，接管上的纖維纏繞高度H取50mm，補強結構厚度20mm，0.2mm的預浸膠碳纖維布100層。經(jīng)過該補強的容器經(jīng)過87.5MPa的試驗，沒有發(fā)生泄漏和結構失效現(xiàn)象，證明這種補強結構是可靠的。
【權利要求】
1.一種纖維復合材料承壓殼體接管或開孔補強方法，其特征在于，該方法的步驟如下: 步驟I)在圓柱形、球形曲面的承壓殼體需要開孔或接管的區(qū)域，敷設直徑D為2.0?5.0倍接管外徑d的預浸膠的纖維布，纖維布直徑從底部到最上面一層逐層減小I?5_，以使補強區(qū)域形成坡度；由于纖維布為平面，將纖維布中心開孔，補強位置的纖維布由中心向外切割成多邊形的三角形纖維，該三角形纖維朝外翻出； a)當接管補強時:先將接管根部用粘結劑固定在殼體開孔處，根部打磨平整、與殼體外表面平齊，清洗干凈；纖維布的中心孔套入接管，纖維布中心的三角形翻邊纖維貼緊在接管外圓柱面上，同時，纖維布貼緊在殼體補強區(qū)域內(nèi)的殼體曲面上；每一層纖維布貼在補強區(qū)域后，在接管上，采用纖維絲束接近環(huán)向纏繞的方式螺旋纏繞到纖維布的厚度；接著粘貼下一塊纖維布，直至所需的補強厚度； b)當開孔補強時:三角形纖維朝接管外伸方向翻出后，貼在殼體孔邊上；接著粘貼下一塊纖維布，直至所需的補強厚度； 步驟2)纖維布的纖維方向與殼體纖維方向排列相同或采用±90°或±45°或0°的角度對稱分布敷設，所述角度指的是纖維與殼體對稱軸的夾角； 步驟3)對補強區(qū)域進行壓緊、固化，壓緊時，采用同樣曲率的剛性物件進行壓緊，固化后將補強區(qū)域的凸緣打磨成光滑過渡，避免應力集中。
2.根據(jù)權利I所述的一種纖維復合材料承壓殼體接管或開孔補強方法，其特征在于:所述纖維是碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維或鵬纖維。
3.根據(jù)權利I所述的一種纖維復合材料承壓殼體接管或開孔補強方法，其特征在于:所述預浸膠是環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、聚酰胺類樹脂、聚對苯二甲酸環(huán)丁二醇脂樹脂或聚乳酸樹脂。
【文檔編號】B29C70/88GK103753833SQ201310702634
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月19日 優(yōu)先權日:2013年12月19日
【發(fā)明者】鄭傳祥 申請人:浙江大學