具有抗疲劳特性的FRP增强增材制造金属构件组件及其加工方法

摘要

本发明公开了具有抗疲劳特性的FRP增强增材制造金属构件组件及其加工方法，包括增材制造金属构件本体，其具有承载疲劳荷载的部位，且承载疲劳荷载的部位含有内部微观缺陷，表现为有裂纹或无裂纹；FRP抗疲劳贴，其经胶粘剂层胶黏设置在承载疲劳荷载的部位。通过喷砂、打磨对增材制造金属构件本体表面进行粗糙处理，并用酒精或丙酮清除表面杂质，再根据受拉方向将FRP抗疲劳贴胶黏在承载疲劳荷载的部位，纤维方向与受拉方向平行。本发明中FRP抗疲劳贴通过胶黏剂与增材制造金属构件共同变形，减小构件表面和内部缺陷处的应力强度因子，延缓疲劳裂纹，所得组件具有良好的抗疲劳特性。

说明书

技术领域

本发明涉及具有抗疲劳特性的FRP增强增材制造金属构件组件及其加工方法，属于增材制造技术领域。

背景技术

增材制造技术也被称为3D打印技术，不同于传统的制造技术，其运用粉末状黏合材料，通过逐层堆叠的“增加材料”的方式构造物件，具有生产周期短、生产的零件几何形状复杂和材料加工种类繁多等优势，可满足多种工业用途。在金属结构领域主要用在复杂节点的打印、拓扑优化设计等，可应用于生物医学、飞机和航天工业、土木工程等领域，已在铁路、钢铁桥梁等工程中得到实际应用。

增材制造金属可由激光束或电子束产生的聚焦热源熔化粉末或金属丝，逐层堆叠后冷却形成金属零件。由于复杂的几何形状和特殊制造过程的影响，增材制造金属的表面和内部容易出现缺陷，如未熔合缺陷、未熔化颗粒以及气孔等。在疲劳荷载下，缺陷处会产生应力集中，形成疲劳裂纹源并发生疲劳裂纹扩展，最终出现疲劳破坏。此外，残余应力和微观组织不均匀性也会严重影响增材制造金属的疲劳性能。对于含有大量初始缺陷的增材制造金属构件而言，虽然可通过优化制造过程和后处理等手段在一定程度上减少缺陷和残余应力、改变微观组织，但不能完全消除以上因素的影响，同时成本较高、实施较难。

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)主要包括碳纤维增强复合材料(CFRP)和玻璃纤维增强复合材料(GFRP)等。FRP加固金属结构疲劳性能的相关研究始于21世纪初，主要包含FRP加固板材、工字型梁、焊接附件、焊接管节点等形式。大量研究和工程应用证明FRP抗疲劳加固金属的有效性和实用性，其优势为：(1)材料自重轻，增强后不增加原构件的尺寸和重量；(2)施工便捷，仅需外贴便可完成增强，不对母材造成损伤；(3)疲劳性能好，由于自身在高强度范围内保持弹性，在金属结构应力幅度内不出现疲劳破坏；(4)抗腐蚀性能好，相比于普通金属更适宜在酸性、碱性等环境中长期使用；(5)柔性材料，可适用于曲面加固等柔性加固。将FRP应用于增强具有较多内部缺陷的增材制造金属构件，可显著提升其抗疲劳特性。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种具有抗疲劳特性的FRP增强增材制造金属构件，FRP抗疲劳贴外贴于增材制造金属构件需要承载疲劳荷载的部位，所得组件具有良好的抗疲劳特性。

为实现上述第一目的，本发明采用的技术方案如下：

具有抗疲劳特性的FRP增强增材制造金属构件组件，包括：增材制造金属构件本体，其具有承载疲劳荷载的部位，且所述承载疲劳荷载的部位含有内部微观缺陷，表现为有裂纹或无裂纹；

FRP抗疲劳贴，其经胶粘剂层胶黏设置在所述承载疲劳荷载的部位。

本发明的一些实施例，所述FRP抗疲劳贴为FRP布或FRP板。

本发明的一些实施例，所述FRP抗疲劳贴采用的纤维选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维。

本发明的一些实施例，所述增材制造金属构件本体为增材制造金属梁、增材制造正交异性桥面板或增材制造金属板。

本发明的一实施例，所述FRP增强增材制造金属构件组件为FRP增强增材制造金属梁，包含增材制造金属梁和FRP抗疲劳贴，且所述FRP抗疲劳贴位于所述增材制造金属梁的受拉下翼缘。

本发明的一实施例，所述FRP增强增材制造金属构件组件为FRP增强增材制造正交异性桥面板，包含增材制造桥面盖板、纵肋、横隔板和FRP布，所述纵肋和横隔板垂直固定分布于所述增材制造桥面盖板下方，且所述FRP布位于所述增材制造桥面盖板、纵肋和横隔板相互之间的弯折连接面。

本发明的一优选实施例，所述FRP布为多个，且以层叠或并排的形式胶黏设置在所述增材制造桥面盖板、纵肋和横隔板相互之间的弯折连接面。

本发明的一实施例，所述FRP增强增材制造金属构件组件为真空辅助固化FRP增强增材制造金属板，包含增材制造金属板和FRP抗疲劳贴，所述FRP抗疲劳贴经真空加压固化胶黏设置在所述增材制造金属板承载疲劳荷载的部位。本发明的一优选实施例，所述真空辅助固化FRP增强增材制造金属板包括平面板材或异型板材。

本发明的第二目的是提供上述任一所述FRP增强增材制造金属构件组件的加工方法，包括：

(1)使用喷砂、打磨方法对所述增材制造金属构件本体表面进行粗糙处理，并用酒精或丙酮清除表面杂质；

(2)根据受拉方向将所述FRP抗疲劳贴经胶粘剂层胶黏在所述增材制造金属构件本体需要承载疲劳荷载的部位，且所述FRP抗疲劳贴的纤维方向与受拉方向平行。

本发明的一实施例，还包括真空辅助固化的步骤，具体为：将真空袋套于所述增材制造金属构件本体上并密封，留出一孔与导管密封连接，所述导管另一端连接真空泵，抽真空，三维加压固化。

一优选实施例，所述FRP抗疲劳贴外表面设有脱模布。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明中增材制造金属构件本身具有生产周期短、几何形状多样的优势，FRP抗疲劳贴通过胶黏剂与其构件共同变形，减小增材制造金属构件表面和内部缺陷处的应力强度因子，延缓疲劳裂纹，所得组件具有良好的抗疲劳特性。

(2)本发明的FRP抗疲劳贴可外贴于易出现疲劳裂纹的增材制造金属构件表面，方便、简单且快速。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是本发明中FRP增强增材制造金属构件组件的结构示意图。

图2是一较佳实施例中FRP增强增材制造金属梁的结构示意图。

图3是一较佳实施例中FRP增强增材制造正交异性桥面板的结构示意图。

图4是一较佳实施例中真空辅助固化FRP增强增材制造金属板的结构示意图；

图5是FRP抗疲劳增强增材制造金属机理的示意图。

附图标记：

1增材制造金属构件本体、2胶粘剂层、3FRP抗疲劳贴；

100FRP增强增材制造金属梁、101增材制造金属梁本体、102FRP抗疲劳贴；

200FRP增强增材制造正交异性桥面板、201增材制造桥面盖板、202纵肋、203横隔板、204FRP布；

300真空辅助固化FRP增强增材制造金属板、301增材制造金属板本体、302FRP抗疲劳贴、303密封胶、304脱模布、305真空袋。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照图1至图5描述根据本发明实施例的FRP增强增材制造金属构件组件，包括：增材制造金属构件本体1，其具有承载疲劳荷载的部位，且该部位含有内部微观缺陷，表现为有裂纹或无裂纹；FRP抗疲劳贴3经胶粘剂层2胶黏设置在承载疲劳荷载的部位。

包括：增材制造金属构件本体1，其具有承载疲劳荷载的部位，且该部位含有内部微观缺陷，表现为有裂纹或无裂纹；FRP抗疲劳贴3经胶粘剂层2胶黏设置在承载疲劳荷载的部位。

一些实施例，FRP抗疲劳贴3可为FRP布或FRP板。

一些实施例，FRP抗疲劳贴3采用的纤维可选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维。

一实施例，FRP增强增材制造金属构件组件为FRP增强增材制造金属梁100，包含增材制造金属梁101和FRP抗疲劳贴102，且FRP抗疲劳贴102位于增材制造金属梁101的受拉下翼缘。

一实施例，FRP增强增材制造金属构件组件为FRP增强增材制造正交异性桥面板200，包含增材制造桥面盖板201、纵肋202、横隔板203和FRP布204，纵肋202和横隔板203垂直固定分布于增材制造桥面盖板201下方，且FRP布204位于增材制造桥面盖板201、纵肋202和横隔板203相互之间的弯折连接面。其中，FRP布204可选为多个，且以层叠或并排的形式胶黏设置在增材制造桥面盖板201、纵肋202和横隔板203相互之间的弯折连接面。

一实施例，FRP增强增材制造金属构件组件为真空辅助固化FRP增强增材制造金属板300，包含增材制造金属板301和FRP抗疲劳贴302，FRP抗疲劳贴302经真空加压固化胶黏设置在增材制造金属板301承载疲劳荷载的部位。其可以通过以下真空加压固化方法得到：将密封胶303置于增材制造金属板301上，分布于FRP抗疲劳贴302外周并与其存在一定间隙，增材制造金属板301外表面包裹真空袋305，抽真空加压固化。其中，增材制造金属板301可选为平面板材或异型板材，FRP抗疲劳贴302外表面还可设置一层脱模布304。

上述FRP增强增材制造金属构件组件的加工方法，包括：

(1)使用喷砂、打磨方法对增材制造金属构件本体表面进行粗糙处理，并用酒精或丙酮清除表面杂质；

(2)根据受拉方向将FRP抗疲劳贴胶黏在增材制造金属构件本体需要承载疲劳荷载的部位，且FRP抗疲劳贴的纤维方向与受拉方向平行。

一实施例，还包括真空辅助固化的步骤，将真空袋套于增材制造金属构件本体上密封，留出一孔与导管密封连接，导管另一端连接真空泵，抽真空，加压固化。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对本领域的普通技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一些实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一些实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。