纤维复合材料承压壳体接管或开孔补强方法

摘要

本发明公开了一种纤维复合材料承压壳体接管或开孔补强方法。在圆柱形、球形曲面的承压壳体需要开孔或接管的区域，敷设预浸胶的纤维布，纤维布直径从底部到最上面一层逐层减小1～5mm，以使补强区域形成坡度；将纤维布中心开孔，补强位置的纤维布切割成多边形的三角形并朝外翻出。当接管补强时：三角形翻边纤维贴紧在接管外圆柱面上；每一层纤维布贴在补强区域后，采用纤维丝束接近环向缠绕的方式螺旋缠绕到纤维布的厚度；直至所需的补强厚度；当开孔补强时：三角形纤维缺口朝接管外伸方向翻出后，贴在壳体孔边上；直至所需的补强厚度。本发明适用曲面或平面层合板的接管或开孔补强，由于纤维布得到全部合理使用于接管补强区域，节省材料。

说明书

技术领域

本发明涉及纤维复合材料技术，尤其是涉及一种纤维复合材料承压壳体接管或开孔补强方法。

背景技术

纤维增强的复合材料以其比强度高、比模量高、结构可设计性的特点，日益得到推广应用，目前几乎在航空航天、交通运输、航海、国防、汽车制造、化学工业、建筑桥梁、机械制造等多个领域均有广泛应用。由于其结构的可设计性和应用对象的多样性，复合材料构件的制造方法也有很大的差异，这类结构在实际应用中常常因为工艺需要，或者联接、检修等需要，会出现开孔、接管等几何突变区域，这其中一类复合材料管道、圆柱形压力容器以及球形容器由于壳体是曲面、且承受介质压力，其形状与受力均有别于一般的平面层合板结构。由于开孔、接管切断了基体纤维的连续性，而且由于几何发生突变，这类结构的开孔区域往往存在应力集中，大大降低了结构的承载能力，因此开孔、接管区域一般需要补强。

国内外对平面层合板的复合材料开孔和补强技术的研究较多，如201010517846.4郑州大学李成等提出的“一种用于层合复合材料承力结构开孔补强的方法”，通过芯模和阴模，用预制补强片对开孔区域进行补强，达到补强目的；如201210456975.6中国科学院宁波材料技术与工程研究所祝颖丹提出的“一种纤维复合材料开孔制件的补强片设计及补强方法”，在开孔区域分布敷设环向和径向的纤维，然后进行固化增强的方法，该方法纤维敷设灵活，不裁剪纤维，所以比较省料；再如200810137032.0哈尔滨玻璃钢研究院陈辉等提出的“纤维增强树脂复合材料构件的开孔补强方法及补强片”，提出了一种采用芯模和补强片，并敷设设计好的纤维层，最后压实固化的方法，对开孔区域进行补强；再如US7666493 B2“Locally reinforced core structure for composite sandwich structure and method of producing the same”提出了一种采用锯齿状互补的不同纤维敷设方向的加强方式对开孔区域进行加强。

发明内容

背景技术领域中的补强方法均是在平面层合板上实施的，且仅仅是对开孔的补强，没有对接管补强提出解决结构和方法，对于圆柱形或者球形等承压壳体的开孔、接管并不适用。本发明的目的在于提供一种纤维复合材料承压壳体接管或开孔补强方法，用于复合材料承压壳体接管或开孔的补强。

本发明采用的技术方案的步骤如下： 

步骤1）在圆柱形、球形曲面的承压壳体需要开孔或接管的区域，敷设直径D为2.0～5.0倍接管外径d的预浸胶的纤维布，纤维布直径从底部到最上面一层逐层减小1～5mm，以使补强区域形成坡度；由于纤维布为平面，将纤维布中心开孔，补强位置的纤维布由中心向外切割成多边形的三角形纤维，该三角形纤维朝外翻出；

a）当接管补强时：先将接管根部用粘结剂固定在壳体开孔处，根部打磨平整、与壳体外表面平齐，清洗干净；纤维布的中心孔套入接管，纤维布中心的三角形翻边纤维贴紧在接管外圆柱面上，同时，纤维布贴紧在壳体补强区域内的壳体曲面上；每一层纤维布贴在补强区域后，在接管上，采用纤维丝束接近环向缠绕的方式螺旋缠绕到纤维布的厚度；接着粘贴下一块纤维布，直至所需的补强厚度；

b）当开孔补强时：三角形纤维朝接管外伸方向翻出后，贴在壳体孔边上；接着粘贴下一块纤维布，直至所需的补强厚度；

步骤2）纤维布的纤维方向与壳体纤维方向排列相同或采用±90°或±45°或0°的角度对称分布敷设，所述角度指的是纤维与壳体对称轴的夹角；

步骤3）对补强区域进行压紧、固化，压紧时，采用同样曲率的刚性物件进行压紧，固化后将补强区域的凸缘打磨成光滑过渡，避免应力集中。

所述纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或鹏纤维。

所述预浸胶是环氧树脂、聚氨酯树脂、聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸环丁二醇脂树脂或聚乳酸树脂。

与背景技术相比，本发明具有的有益的效果是：

    1）现有复合材料层合板补强方法均适用于平面的，对于承压壳体曲面并不适用，本发明很好地解决了曲面承压壳体的接管或开孔补强问题。

2）本发明在接管补强区域内接管与壳体连接处纤维保持连续，对改善该几何突变处的应力集中、增强该区域的抗剪切、抗拉伸等性能均十分有效。

3）制造方便，节约纤维用量。本发明不仅可以适用于曲面承压壳体的开孔补强，也适用于平面层合板的接管或开孔补强，由于纤维得到全部合理使用于接管补强区域，故没有造成纤维浪费现象。

附图说明

图1是本发明接管补强后的结构示意图。

图2是图1的侧视图。

图3是图1的俯视图。

图4是图1的单层纤维布的俯视图。

图5是图4的三角形纤维外翻成90°角后的侧视图。

图中：1、承压壳体，2、补强结构，3、接管，4、补强纤维布，5、三角形纤维。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2、图3所示，本发明补强方法的步骤如下：

步骤1）在圆柱形、球形曲面的承压壳体需要开孔或接管的区域，敷设直径D为2.0～5.0倍接管外径d的预浸胶的纤维布，纤维布直径从底部到最上面一层逐层减小1～5mm，以使补强区域形成坡度；由于纤维布为平面，将纤维布中心开孔，补强位置的纤维布由中心向外切割成多边形的三角形纤维，该三角形纤维朝外翻出；如图4所示，是单层纤维布的俯视图；如图5所示，是三角形纤维外翻成90°角后的侧视图。

当接管补强时：先将接管根部用粘结剂固定在壳体开孔处，根部打磨平整、与壳体外表面平齐，清洗干净；纤维布的中心孔套入接管，纤维布中心的三角形翻边纤维贴紧在接管外圆柱面上，同时，纤维布贴紧在壳体补强区域内的壳体曲面上；每一层纤维布贴在补强区域后，在接管上，采用纤维丝束接近环向缠绕的方式螺旋缠绕到纤维布的厚度，接着粘贴下一块纤维布；根据不同压力，计算所需要的补强厚度，逐成敷设纤维布，直至所需的补强厚度。

本实施例中纤维布的厚度为0.2mm，接管上也缠绕0.2mm的纤维丝束，接管上的缠绕高度H是接管直径d的1～2倍。

当开孔补强时：三角形纤维缺口朝接管外伸方向翻出后，贴在壳体孔边上；直至所需的补强厚度。

步骤2）纤维布的纤维方向与壳体纤维方向排列相同或采用±90°或±45°或0°的角度对称分布敷设，所述角度指的是纤维与壳体对称轴的夹角；

步骤3）对补强区域进行压紧、固化，压紧时，采用同样曲率的刚性物件进行压紧，固化后将补强区域的凸缘打磨成光滑过渡，避免应力集中。

本发明所述纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或鹏纤维。

本发明所述预浸胶是环氧树脂、聚氨酯树脂、聚酰胺类树脂、聚对苯二甲酸环丁二醇脂树脂或聚乳酸树脂。

下面介绍一个实施例，直径为250mm的碳纤维复合材料圆柱形壳体，设计承压能力为70MPa，在圆柱形筒体上接一个25mm的接管，补强纤维布采用东丽公司T700碳纤维布，环氧树脂为固化树脂，补强纤维布外径D选择100mm，接管上的纤维缠绕高度H取50mm，补强结构厚度20mm，0.2mm的预浸胶碳纤维布100层。经过该补强的容器经过87.5MPa的试验，没有发生泄漏和结构失效现象，证明这种补强结构是可靠的。