一种高效轻量化复合材料框架的制作方法

本发明主要涉及连续纤维增强复合材料隔栅和框架结构应用领域，具体涉及一种高效轻量化复合材料框架。

背景技术：

连续纤维增强复合材料相比金属材料具有高比强度、高比模量的优势，在轻量化结构上具有不可替代的应用优势。复合材料框架结构，为了保证重量更轻、刚度更大，一般使用管状、t形截面的型材，然后通过连接形成框架。

金属材料具有易于加工的特点，对于框架类结构可以采用焊接，工艺简单、结构强度优良。与金属材料相比，复合材料只能通过共固化、粘接、机械连接的方式进行，这些工艺往往需要专用模具、特殊的成型设备，造成工艺复杂、生产周期长、成本高的缺点。因此复合材料框架连接方式的设计对实现框架更高力学性能和生产效率具有重要作用。

传统由梁框组成的框架连接，在框与梁、臂的连接处一般是完全分开的部件，然后通过粘接、机械连接固定，这种固定方式往往导致连接处刚度和强度较弱。或者通过连接件，比如连接板、角盒等连接，这种结构会导致结构增重明显，同时连接部位有可能在使用过程中产生变形、震动等疲劳导致粘接面失效或机械连接处的松动，进而导致结构失效的风险。

还有一类框架，采用梁交叉层叠结构拼接，可以实现连续的梁结构，但为了保证连接部位刚度和抗剪性能，确保框架整体的稳定性，往往需要有角盒和带板加强和固定。因为在垂直于框方向上的厚度增加，限制了空间利用率，同时也不利于减重。

技术实现要素：

针对传统的梁框组成的连续纤维增强复合材料框架连接方式的不足，本发明提出了一种类似中国木结构的卯榫结构方式连接，使框架结构具有较高的材料发挥效率。

本发明采用的技术方案如下：

一种高效轻量化复合材料框架，包括至少两个复合材料管梁，复合材料管梁上设有卯孔槽，复合材料空心管梁之间通过卯孔槽固定连接。

进一步地，在同一方向的复合材料管梁上设置卯孔槽，另一个方向的复合材料管梁上不设置卯孔槽。

进一步地，相连接的两个复合材料管梁的连接部位是双开口，其中一个复合材料管梁的开口深度为管梁的壁厚，另一个复合材料管梁的开口深度为复合材料管梁整体厚度减去单侧壁厚，使两根复合材料管梁在连接的十字交叉部位的厚度与管梁厚度一致；在连接部位的开口内设置加强块。

进一步地，所述复合材料管梁的材质为连续纤维增强复合材料，其中纤维为有机纤维或无机纤维。

进一步地，所述复合材料管梁为树脂增强复合材料，其中树脂为热固性树脂或热塑性树脂。

进一步地，所述复合材料管梁的连接部位做胶结和铆接，保证连接部位足够的剪切、拉压强度和框架的整体刚度。

进一步地，相连接的两个复合材料管梁呈90°夹角。

进一步地，相连接的两个复合材料管梁的卯孔槽的装配公差为正，单层间隙小于0.15mm。

进一步地，所述复合材料管梁的制造方法为下列中的一种：卷管成型、气囊成型、真空袋压成型、模压成型、热压罐成型、rtm成型、拉挤成型、缠绕成型。

进一步地，所述复合材料管梁的外形为圆形或方形；所述复合材料管梁是等截面或不等截面的管梁。

本发明的有益效果如下：

本发明使用复合材料空心的管梁组成框架，在管梁的连接部位加工形成类似卯结构的卯孔槽，然后与另外的管梁卯孔槽形成90°夹角，通过胶粘拼接在一起，通过多个带有卯孔槽的管梁的拼接，可以形成复合材料框架。可以根据连接的梁的角度加工缺口部分的形状，利用连接部分的两个梁的配合固定装配角，并起到相互约束的作用。因为两个梁都是连续结构，不会因为截断形成的连接面导致框架刚度和强度降低的问题，从而提高材料的发挥效率。

附图说明

图1是高效轻量化复合材料框架结构图。

图2是卯榫结构的碳复材(碳纤维复合材料)梁通过拼装成框结构的示意图。

图3是拼接的加强块示意图。

图中：

1-复合材料管梁，2-卯孔槽，3-加强块，1-1、1-2是相连接的两个复合材料管梁

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明一个实施例的高效轻量化复合材料框架结构图。该复合材料框架包括若干复合材料管梁，在管梁间的连接部位设有类似卯榫结构的卯孔槽，各复合材料管梁通过卯孔槽拼接在一起，形成复合材料框架。

该复合材料框架在制作时，如图2所示，先加工出复合材料结构的管梁1，然后根据框架搭界尺寸加工出类似卯榫结构的卯孔槽2。卯孔槽2结构的大小依据管梁1的宽度和组合管梁1制件的角度有关。配合公差要小，确保卯孔槽2粘接后尺寸稳定。将卯孔槽2的接头部位使用胶粘接，可以采用装配工装保证组合框架的平面度。

该复合材料框架的一个实施例中，为了保证框架组装后的强度和刚度，对卯孔槽2连接部位可以使用机械连接，包括螺栓、铆接等方式加固连接部位。同时对两根管梁1的卯孔槽2连接部位进行胶接，提高连接部位的剪切强度。

该复合材料框架的一个实施例中，为了保证框架整体的刚度，或者加强以梁框组成某一个平面法向的刚度，可以将同一方向的管梁1加工出卯孔槽2结构，另一个方向的管梁1则不加工卯孔槽2，如图2所示。

该复合材料框架的一个实施例中，管梁1的连接部位是双开口，双开口是指呈直角连接的两个管梁在连接部分开口，如图3所示，一个管梁1-1的开口深度为管梁的壁厚，连接的另一个管梁1-2的开口深度为除去单侧壁厚的部分尺寸(即开口深度为管梁整体厚度减去单侧壁厚)，使连接的两根管梁连接后，在连接的十字交叉部位厚度与管梁厚度一致。连接部位加一个加强块3，加强块3放置于管梁1a的开口内，可以提高粘接面积和铆接强度。加强块可以为实心或夹心结构，与梁材料相同。

该复合材料框架的一个实施例中，复合材料管梁的材质为连续纤维增强复合材料，其中的纤维为有机纤维或无机纤维。用连续纤维增强复合材料制造出管梁，将相连接的两个管梁1分别加工出卯孔槽2结构，然后两者连接成框架结构。

该复合材料框架的一个实施例中，管梁1的材料为树脂增强复合材料结构。树脂包括各类热固性和热塑性树脂。

该复合材料框架的一个实施例中，其中相连接的两个管梁的卯孔槽2的装配公差为正，单层间隙小于0.15mm，保证两者的配合刚度。

该复合材料框架的一个实施例中，两个管梁1的连接部位需要做胶结和铆接，保证连接部位足够的剪切、拉压强度和框架的整体刚度。

该复合材料框架中，管梁1的制造方法包括卷管成型、气囊成型、真空袋压成型、模压成型、热压罐成型、rtm成型、拉挤成型、缠绕成型等工艺方式。

该复合材料框架中，管梁1的外形包括圆形、方形等，可以等截面或不等截面。

下面提供本发明的复合材料框架的一个具体制备实例。该实例中，原料使用t300级碳纤维环氧树脂预浸布，采用热压罐工艺制造尺寸600×20×20mm壁厚2mm的空心梁碳复材梁。设计框架为3×3方格，每根管梁每180mm等距加工出深度18mm的卯孔槽，卯孔槽横断面与梁长度方向的夹角为90°。再加工出9个20×16×16的加强块，加强块使用相同的预浸布，内部采用pu泡沫夹心，壁厚1mm。每一个加强块表面都涂覆胶液，填充到卯孔槽内，然后将梁拼装在一起，外部夹持固化。固化后在连接部位钻4个3.1mm直径的孔，使用m3的螺栓加固。最终组装成边长600mm的正方形框架。

以上公开的本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书的实施例和附图所公开的内容，本发明的保护范围以权利要求书界定的范围为准。