一种复合材料夹层圆柱壳结构的制作工艺的制作方法

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种复合材料夹层圆柱壳结构及其制作方法。

背景技术：

目前，树脂基复合材料制作的各类圆柱壳结构如管道、储罐等具有轻质高强、耐腐蚀等显著优势，比传统的混凝土材料和金属材料制作的圆柱壳结构拥有更加优异的力学性能，但由于树脂基复合材料自身弹性模量较低，导致其结构刚度偏低，在外荷载的作用下容易产生较大的变形。如常用的树脂基复合管道(玻璃钢管)如果刚度不够将会导致大的径向变形进而出现破坏，导致严重的工程事故发生。如果想提高刚度，常用的方法有两种，一种是单纯的增加壁厚，这样势必会大大增加材料成本；另外一种方法就是采用夹层结构。夹层结构能够在保持经济性的同时提高结构截面惯性矩从而提高结构刚度，复合材料夹层板材结构已经在各行业得到应用，包括航空航天上应用的蜂窝结构也是一种夹层结构。但当前的夹层结构主要应用于板材。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高刚度、低成本、易于实现的复合材料夹层圆柱壳结构制作工艺。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

复合材料夹层圆柱壳结构的制作工艺，其圆柱壳结构由内向外依次为内衬层、内结构层、夹层结构、外结构层；内衬层、内结构层、外结构层均采用树脂基复合材料以传统缠绕工艺制作；所述夹层结构为上下两条薄片采用分割块间隔后形成骨架结构，缠绕在内结构层上制作而成。

按上述方案，还包括在骨架结构上采用树脂基复合材料进行环向缠绕形成缠绕结构。

按上述方案，上下两条薄片为带状结构或网状结构，材质为金属材料、高分子材料或复合材料；其形状和材质相同或者不同，宽度相同。

按上述方案，所述分割块为空心或者实心结构；截面包括圆形、多边形、工字型；宽度不大于上下薄片的宽度；材质为金属材料、高分子材料或复合材料。

按上述方案，所述分割块自由夹持在两块薄片之间，或者粘接在其中一块薄片上；缠绕制作夹层结构时，上下薄片的相对位置能够自由错动。

本发明相对于现有技术有益效果如下：

本发明片-块-片的骨架结构允许上下薄片之间相互错动，更容易缠绕到管道上。

缠绕结构和内外结构层采用同种材料制作，可以有效的结合在一起，避免了界面问题。

由于骨架结构为中空结构，在提高圆柱壳结构壳壁厚度的同时可以极大降低材料用量，减小结构自重，从而实现提高刚度降低成本的目的。

附图说明

图1：本发明复合材料夹层圆柱壳结构壳壁示意图；

图2：单层骨架夹层结构纵剖面示意图；

图3：双层骨架夹层结构纵剖面示意图；

图4：制备系统示意图；

图5：夹层结构制作示意图；

图6：骨架结构制作及缠绕示意图；

其中，1-内衬层；2-内结构层；3-夹层结构；4-缠绕结构；5-骨架结构；6-外结构层；7-骨架结构制作及拉出系统；8-夹层结构制作缠绕系统；9-骨架结构缠绕系统；10-管道制作缠绕系统；11-管道缠绕主机及模具；12-内衬层缠绕系统；13-内结构层缠绕系统；14-外结构层缠绕系统；15-薄片a；16-薄片b；17-分隔块传递装置；18-分隔块；19-纱架底盘；20-连续纤维纱或织物。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

实施例1

本发明复合材料夹层圆柱壳结构壳壁示意图如图1所示，由内衬层1、内结构层2、夹层结构3、外结构层6组成，内衬层1、内结构层2、外结构层6的材料均为树脂基复合材料。夹层结构3采用二次缠绕的工艺进行制作。

参照附图1、5和6，其制作方法主要包括如下步骤：

1)按传统工艺缠绕制作树脂基内衬层1及内结构层2；

2)薄片a15和薄片b16为金属薄带，分隔块18为空心金属圆柱体，在由两条薄片和分隔块组合形成的骨架结构5，分隔块18由分隔块传递装置17传递于两条薄片之间，玻璃纤维装于纱盘底架19中，然后拉出连续纤维纱或织物20环向缠绕于骨架结构5上制成缠绕结构4，将骨架结构5和缠绕结构4按纤维缠绕的方法进行环向缠绕到内结构层2的表面，形成完整的夹层结构3。

3)按传统工艺缠绕制作树脂基外结构层6。

制作得到单层骨架夹层结构纵剖面示意图如图2所示。

制作得到双层骨架夹层结构纵剖面示意图如图3所示。

本发明复合材料夹层圆柱壳结构制备系统示意图如图4所示：骨架结构制作及拉出系统7和骨架结构缠绕系统9组成夹层结构制作缠绕系统8，管道缠绕主机及模具11、内衬层缠绕系统12、内结构层缠绕系统13及外结构层缠绕系统14组成管道缠绕系统10。骨架结构5和缠绕结构4通过夹层结构制作缠绕系统8制作并缠绕于由管道制作缠绕系统10制作的管道上。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是步骤2)，在实施例1的步骤2)采用复合材料制作两条薄片。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是步骤2)，在实施例1的步骤2)采用高分子材料制作两条薄片。

实施例4：

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是步骤2)，在实施例1的步骤2)薄片a15和薄片b16采用塑料网格。

实施例5：

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是步骤2)，在实施例1的步骤2)分隔块采用实心金属圆柱体。

实施例6：

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是步骤2)，在实施例1的步骤2)分隔块采用实心复合材料圆柱体。

实施例7：

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是步骤2)，在实施例1的步骤2)分隔块采用实心高分子圆柱体。

本发明采用的片-块-片的夹层结构也同样适用于树脂基复合材料储罐等其他圆柱壳结构，制作方法和实施例与树脂基复合材料管道类似，其内衬层、内结构层、外结构层均采用传统制作工艺制作，夹层结构按纤维缠绕的方法进行环向缠绕缠绕到内结构层。

采用本发明制作的复合材料夹层圆柱壳结构，以管道为例，与同等刚度等级的采用传统工艺制作的实心管道相比，采用材料更少、质量更轻，具有低成本、高刚度、易于运输施工安装的优势，在满足工程要求的同时具有更好的经济效益。同理，采用本发明制作的储罐结构的刚度、成本也能够得到同等程度的优化。由于骨架结构的上下薄板之间错动，在进行环向缠绕时更容易缠绕在内结构层表面，易于工艺制作。由于采用片-块-片的夹层结构，中空部分可以预埋传感器来检测结构受力情况和破坏程度，更为安全可靠。因此该产品具有高刚度、低成本、高安全性、易于制作的特点，实现了本发明的目的。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种复合材料夹层圆柱壳结构的制作工艺。其圆柱壳结构由内向外依次为内衬层、内结构层、夹层结构、外结构层；内衬层、内结构层、外结构层均采用树脂基复合材料以传统缠绕工艺制作；所述夹层结构为上下两条薄片采用分割块间隔后形成骨架结构，缠绕在内结构层上制作而成。还包括在骨架结构上采用树脂基复合材料进行环向缠绕形成缠绕结构。本发明片‑块‑片的骨架结构允许上下薄片之间相互错动，更容易缠绕到管道上。缠绕结构和内外结构层采用同种材料制作，可以有效的结合在一起，避免了界面问题。由于骨架结构为中空结构，在提高圆柱壳结构壳壁厚度的同时可以极大降低材料用量，减小结构自重，从而实现提高刚度降低成本的目的。

技术研发人员：陈建中;朱央炫;吕泳
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2017.11.14
技术公布日：2018.04.13