专利名称：无支撑的复合桅杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有复合结构的立柱及其制造方法。
背景技术：
当今的立柱一般很坚固但是同时很重。杆一般用于支撑或者支持物体，因此必须 能够承受一定的应力。灯柱应当能够承受大风而不会倒塌。桅杆必须能够承受当风充满帆 时所产生的力，同时应当足够轻以允许船前行。虽然仍能看到木质结构的灯柱和桅杆，但是当今的灯柱和桅杆通常都由金属制 成。灯柱还可以由混凝土制成。所有这些材料大体上都满足强度要求，但是金属可能是当 今用于建造立柱、桅杆和杆的最普遍的材料。但是，金属的问题是重量。尽管越来越多地使 用作为较轻的金属的铝，但是其密度仍为大约3吨/m3，这使得当今的具有IOm桅杆的船索 具(boat rig)重约100kg。重的桅杆不仅意味着将索具自身的重量增加到帆船，而且船需 要在龙骨/船体增加配重，以避免翻船，在这种情况下需要大约1600kg的配重。这不仅昂 贵而且使船的性能变差。已经研发了例如可以减小重量的若干结构。US 3，429，758包含具有中空芯的灯柱结构。所述芯被玻璃纤维壁包围，玻璃纤维 壁反过来在外侧具有泡沫(聚氨基甲酸酯泡沫)层。最外侧是与基体(matrix) —起应用 的玻璃纤维层。在模具芯的外侧建造立柱，当基体固化时移除模具芯而留下中空芯。GBl, 316，798公开了用于批量生产桅杆的建造方法。桅杆结构具有首先制造的泡 沫芯，然后利用纤维材料和基体一起覆盖泡沫芯。转舵槽(luff groove)可以容易地结合 到该结构中。由于桅杆不主要包括金属或其它重材料，因此结构轻。由于该结构优选地应当轻，但是同时仍存在如何获得足够强度的问题。本发明包 括的结构包括泡沫芯和复合纤维材料，复合纤维材料包括纤维和聚合物材料的基体，这赋 予了所期望的轻质性，该结构还包括位于中央的预张紧的金属丝、纤维绳、杆或管，这赋予 了所需的强度。在另一实施方式中，本发明的结构在战略位置具有阻止材料疲劳和复合纤维材料 的剪切的抗剪切装置。
发明内容
本发明的目的是提供如下结构该结构以简单的方式提供轻且坚固的立柱。该结 构不仅能够使得立柱轻而且还满足所需的强度要求。立柱具有聚合物泡沫制成的芯和复合 纤维材料制成的外壳。在本申请中，词语“立柱”被定义为用于承托、支持或支撑物体的长的结构。术语 “立柱”包括但不限于桅杆、梁、立柱和杆。本发明的竖立结构的优选实施方式是如下形状具有第一端和第二端，外周从所 述第一端朝向第二端逐渐变细。由于减少了材料的用量，所以产生了更轻的结构。第一端 即具有最大外周的端是指使用时最低的端。通过将预张紧的金属丝、纤维绳、杆或管布置在该结构中，由此用于加强该结构，可以获得所需的强度。由于管还可以用作内部的升降索通 道，因此，在帆船桅杆中，管是优选的。由于复合纤维材料在压缩过程中不如在拉伸过程中 强度高，因此，预张紧的管有助于将剪切力转换成压缩力。使用实心杆作为预张紧装置将产 生至少同等良好的机械特性。纤维绳可以包括使用适当的技术纺成的聚乙烯和/或聚丙烯 和/或聚酰胺和/或聚(四氟乙烯)和/或聚(对苯二甲酸乙二酯)的纤维。在本发明的另一实施方式中，该结构包含若干预张紧装置，以进一步加强该结构。在本发明的另一实施方式中，该结构包括一个以上的预张紧装置和多个抗剪切装 置。有利地，将抗剪切装置中的两个布置成该结构的一端有一个，而其它的抗剪切装置沿着 桅杆均勻地分布。当这些抗剪切装置被预张紧时，能够抑制材料的剪切、材料的疲劳，并且 能吸收来自基座(mounting)的压缩力。在又一实施方式中，该结构由包括如下纤维的复合纤维材料构成该纤维与结构 一样长并且没有接头。由于没有接头或只有少量接头，因此增强了强度。各纤维有利地以 相对于该结构的纵向成0°、90°、右旋60°或者左旋60地应用，并且各纤维优选地是由玻 璃纤维制成，或更优选由碳纤维制成。基体优选地包括聚酯，更优选地包括环氧树脂。在另一优选实施方式中，泡沫由聚氨基甲酸酯、聚乙烯酯和/或环氧树脂构成。在 线固化的泡沫为该结构提供额外的刚性，并且减小共振的危险。在本发明的一个方法中，可以通过首先制造复合纤维材料制成的外壳，然后用聚 合物泡沫的起始材料(starting material)填充外壳，聚合物泡沫的起始材料然后在线膨 胀且固化，由此制造立柱。通过使泡沫在线膨胀和固化，材料向外壳施加相反的力，这增加 了耐久性。
图1示意性示出根据本发明的一个实施方式在中央具有预张紧管的截面。图2示意性示出根据本发明的一个实施方式。图3示意性示出根据本发明的一个实施方式在中央具有一个或多个预张紧装置 的截面。
具体实施例方式为了有助于实现轻且耐久的立柱结构，有利的是使材料的用量最小化、使用低密 度的材料，同时优化材料的机械特性。根据本发明的一个实施方式可以具有传统的笔直(straight)的结构，但是优选 的具有从宽的第一端1向窄的第二端3逐渐变细的形状。第一端是指使用时朝下的一端。 锥状的优点在于使该结构更轻。该结构的横截面可以是任何形状并且可以沿着该结构变 化。立柱的内部存在至少一个纵向预张紧装置，该预张紧装置包括管、纤维绳或金属 丝5或者杆5’，预张紧装置可以利用立柱两端的两个基座13预张紧。基座还可以调节和定 位预张紧装置。可以在聚合物泡沫固化过程中或聚合物泡沫固化之后进行预张紧。预张紧 装置用作加强件并且增强了桅杆的耐久性。代替金属丝而使用管作为预张紧装置的优点在 于管可以用作桅杆内部的升降索通道，和/或可以在管内布置电缆，而不必将它们布置在该结构的外侧。预张紧装置可以由任意合适的材料制成，例如金属和/或聚合物和/或复 合纤维材料。为了在该结构中获得更大的刚性，可以在制造过程中引入扭转力。这可以通过将 预张紧装置的两端在各自的方向上转动预定的度数来实现，例如，第一端顺时针转动5”，且 第二端逆时针转动5”。可选地，一端保持固定，而另一端转动。当使用一个以上的预张紧 装置时，也可以引入该扭转张力。预张紧装置被保持在被扭转的姿态直到聚合物泡沫固化。 这种保持可以通过被置于预张紧装置(一个或多个)和该结构上的一个以上的固定位置之 间或两个以上的预张紧装置之间的杆、梁、配件(fitting)等实现。这种保持可以是永久的 或暂时的。在不同的预张紧装置中，相应的第一端和第二端优选地沿不同的方向转动5”。预张紧装置被固化的泡沫11包围。该泡沫可以是但不限于聚氨基甲酸酯泡沫。泡 沫不仅用作赋予稳定性的填充材料，而且，由于泡沫在线固化，因此泡沫将对外壳施加永久 的压力，这使该结构更耐久。泡沫还具有防止预张紧装置在该结构中移动的功能并且使共 振的风险最小化。外壳15包括复合纤维材料，其中，纤维优选由玻璃纤维制成，更优选由芳族聚酰 胺纤维制成，更优选由S玻璃纤维(一种玻璃纤维)制成，最优选由碳纤维制成。也可以使 用这些纤维材料的组合。复合纤维材料中的基体优选由聚酯构成，更优选由聚乙烯酯构成， 最优选由环氧树脂构成。也可以使用这些基体的组合。在外壳的内侧，或者优选地在外壳的外侧，或者更优选地在外壳的内外两侧，可以 布置大量的抗剪切装置7和9。这些抗剪切装置的目的是防止复合纤维材料的剪切、材料 的疲劳，吸收和分配在预张紧预张紧装置时来自基座的压力，以及吸收当该结构例如在风 的作用下弯曲时产生的力。这些抗剪切装置适当地由钛、不锈钢、铝和/或复合纤维材料构 成，该复合纤维材料例如与外壳的复合纤维材料相同，优选为玻璃纤维，更优选为芳族聚酰 胺纤维，最优选为S玻璃纤维成，最优选为碳纤维，基体优选为聚酯，更优选为聚乙烯酯，最 优选为环氧树脂。也可以使用所指定的材料的组合。这些抗剪切装置优选被布置在该结构 的各端1和3，然后沿着该结构均勻地分布。抗剪切装置的数量应当为至少两个，一端一个， 以及位于该结构的承受横向施加于该结构的点载荷的位置处。在优选实施方式中，10米的 桅杆具有至少三个抗剪切装置，一端一个，以及甲板支承件(bearing) —个。抗剪切装置之 间的距离优选为5米以下，更优选为3米以下，再优选为2米以下。端部的抗剪切装置的宽 度应当至少与立柱的最小直径相同。在该结构被施加过大载荷处，例如桅杆用的甲板支承 件处，抗剪切装置的宽度应当至少是立柱的最宽的端部的对应宽度的两倍。当抗剪切装置由复合纤维材料构成时，层数应当优选为3层以上，更优选为4层以 上，最优选为5层以上。使用的纤维优选不具有接头或具有少量接头。可以通过首先制造外壳而制造该结构。呈针织的或编织的布料或长袜(stocking) 的形式或者可以被应用若干层的纤维15a、15b的方向相对于该结构的纵向优选为0°、 90°、右旋60°或者左旋60°。纵向纤维(0°和60°方向的纤维)优选不具有接头或具 有少量接头，并且至少与该结构一样长。纤维和基体被应用到靠模(master form)上，并且 在固化处理过程中，优选通过将复合纤维材料加热到升高的温度并且然后进行受控的冷却 来进行固化。在固化之后，移除靠模，并且留下复合纤维材料管。基体和纤维的含量优选分 别占重量的20 40%和占重量的60 80%。预张紧装置被布置在复合纤维材料管的中心并且被预张紧。在最小端3处布置盖14，以防止泡沫材料流出，并产生反作用力以在预张 紧过程中将预张紧力传递到外壳。盖可以由金属和/或聚合体和/或复合纤维材料制成。 然而，盖应当有孔且该孔应当大到足够有助于排气，且小到足够防止泡沫材料流出。然后将 泡沫的起始材料添加到复合纤维材料管。优选通过使最宽的端1向上移动而使该管倾斜 10° 30°，更优选倾斜15° 25°。由于有助于起始材料向下流动到该结构中，因此一 定的倾斜是有好处的，但是由于材料可能发泡过度，因此倾斜不应当过大。在添加起始材料 的同时转动该结构，并且在最宽的端1中布置管或喷嘴，用于将气体倾斜向下地吹向该结 构的内部。通过在结构内部产生气体涡流，优选是空气的气体使得发泡过程中的气体交换 更容易。对于底部孔的可替换方案是如下的实施方式沿着整个长度具有孔，例如象在桅杆 上具有外部转舵槽那样，或者沿着侧部具有孔且在底部具有孔。在这两种情况下，由于气体 交换通过多个孔发生，因此在添加起始材料时不需要转动结构。 如前所述，本发明可以有利地用作但不限于立柱、桅杆和灯柱，也可以用于不竖立 的如管、梁、马达叶片、推进器叶片、飞机机翼、风轮机翼、龙骨或方向舵。
权利要求
1.一种立柱，其包括被复合纤维材料制成的外壳所包围的芯，所述芯包括聚合物泡沫， 所述立柱的特征在于，所述立柱还包括预张紧装置，所述预张紧装置包括所述立柱内部的 能预张紧的金属丝、纤维绳、杆或管。
2.根据权利要求1所述的立柱，其特征在于，所述立柱的纵向形状具有第一端和第二 端，所述立柱的外周从所述第一端向所述第二端逐渐变细。
3.根据权利要求1或2所述的立柱，其特征在于，所述立柱包括位于各端的抗剪切装置。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的立柱，其特征在于，所述立柱具有位于承受点载 荷的各个位置处的抗剪切装置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的立柱，其特征在于，所述立柱在各端具有能够调 节和/或定位以及预张紧所述预张紧装置的配件。
6.根据前述权利要求中任一项所述的立柱，其特征在于，各纤维的纵向相对于所述立 柱的纵轴向为0°、90°、右旋60°或者左旋60°。
7.根据前述权利要求中任一项所述的立柱，其特征在于，所述立柱包括抗剪切装置，所 述抗剪切装置包含玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、S玻璃纤维或碳纤维和/或铝、钢或钛或者 上述材料的组合。
8.根据前述权利要求中任一项所述的立柱，其特征在于，所述立柱包括抗剪切装置，所 述抗剪切装置包含聚酯、聚乙烯酯或环氧树脂或者上述材料的组合。
9.根据权利要求3、4、7或8中任一项所述的立柱，其特征在于，两端处的抗剪切装置在 所述立柱的轴线方向上的宽度不小于结构的最小直径。
10.根据前述权利要求中任一项所述的立柱，其特征在于，纵向纤维相对于所述立柱的 纵轴向的长度不短于所述立柱的长度。
11.一种用于制造根据权利要求1-10中任一项所述的立柱的方法，其特征在于，在泡 沫材料固化和膨胀之前，将所述泡沫材料添加到所述立柱，并且所述立柱包括用于气体交 换的孔。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述立柱优选地倾斜10° 30°，更优 选地倾斜15° 25°。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在添加起始材料的过程中，转动所 述立柱。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，其特征在于，在所述结构的最大端的开 口中布置用于吹入气体的管或喷嘴。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的方法，其特征在于，在所述立柱中布置预张紧 装置，并且将所述预张紧装置放置成处于扭转应力的作用下。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在泡沫固化期间或固化后，预张紧所述 预张紧装置。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，使用杆、梁或配件等将所述预张紧装置 的端部固定成被扭转的姿态。
18.根据权利要求1-10中任一项所述的结构的使用，所述结构能够作为立柱、桅杆、 管、灯柱、梁、马达叶片、推进器叶片、翼、方向舵、龙骨等。
全文摘要
一种新的、轻且耐久的立柱结构，其内部包括预张紧的管、杆、金属丝或纤维绳。该结构包括复合纤维材料制成的外壳和被添加到外壳所形成的管状轮廓中的聚合物泡沫，所述聚合物泡沫膨胀并且在线固化。
文档编号E01F9/011GK102149886SQ200980133923
公开日2011年8月10日 申请日期2009年6月30日 优先权日2008年6月30日
发明者波·布罗维斯特 申请人:波·布罗维斯特