阅读说明：本技术 一种复合材料点阵圆柱壳结构及其制作工艺 (Composite material lattice cylindrical shell structure and manufacturing process thereof ) 是由 陈建中 郦博闻 吕泳 张小玉 黄莉 于 2019-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种复合材料点阵圆柱壳结构,包括从内到外的内衬层、内结构层、点阵结构层和外结构层,所述内衬层、内结构层和外结构层均采用树脂基复合材料制成的带状结构,所述点阵结构层包括骨架结构和缠绕结构,所述骨架结构包括薄片层和分隔块,所述薄片层包括上薄片层和下薄片层,所述分隔块等间距的设置在上、下薄片层之间,缠绕结构为采用纤维或织物按螺旋缠绕的方式缠绕在骨架结构外。其刚度高、成本低,并且易于实现。(The invention discloses a composite material lattice cylindrical shell structure which comprises an inner liner layer, an inner structure layer, a lattice structure layer and an outer structure layer from inside to outside, wherein the inner liner layer, the inner structure layer and the outer structure layer are all of belt-shaped structures made of resin matrix composite materials, the lattice structure layer comprises a framework structure and a winding structure, the framework structure comprises a slice layer and a separation block, the slice layer comprises an upper slice layer and a lower slice layer, the separation block is arranged between the upper slice layer and the lower slice layer at equal intervals, and the winding structure is formed by winding fibers or fabrics outside the framework structure in a spiral winding mode. It has high rigidity, low cost and easy realization.)

一种复合材料点阵圆柱壳结构及其制作工艺

技术领域

本发明属于树脂材料结构领域，尤其涉及一种复合材料点阵圆柱壳结构及其制作工艺。

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。

现有夹层结构高度不够高，成本比较高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种复合材料点阵圆柱壳结构及其制作工艺，其刚度高、成本低，并且易于实现。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种复合材料点阵圆柱壳结构，包括从内到外的内衬层、内结构层、点阵结构层和外结构层，所述内衬层、内结构层和外结构层均采用树脂基复合材料制成，所述点阵结构层包括骨架结构和缠绕结构，所述骨架结构包括薄片层和分隔块，所述薄片层包括上薄片层和下薄片层，所述分隔块等间距的设置在上、下薄片层之间，缠绕结构为采用纤维或织物按螺旋缠绕的方式缠绕在骨架结构外。

在上述技术方案中，所述上、下薄片层为带状或网状结构的薄片层，其材质为金属材料或复合材料或高分子材料。

在上述技术方案中，所述分隔块之间的间距为若干个螺距。

在上述技术方案中，所述分隔块为实心或空心结构，分隔块的宽度不大于薄片层的宽度，分隔块的截面为圆形、多边形、工字型中的一种。

在上述技术方案中，所述分隔块为金属材料、复合材料或高分子材料。

在上述技术方案中，所述外结构层外设有保护层。

一种复合材料点阵圆柱壳结构的制作工艺，包括以下步骤：

1)、在模具上缠绕制作内衬层，然后在内衬层外缠绕制作内结构层；

2)、通过骨架结构制作及拉出系统制作上、下薄片并拉出，在上、下薄片之间均匀的放置分隔块，形成骨架结构；

3)、骨架结构通过点阵结构缠绕系统，分隔块经过纱架底盘上的纤维束的若干次缠绕，在骨架结构外形成缠绕结构，然后进行下一个分隔块的缠绕；

4)、将包含缠绕结构的骨架结构按纤维缠绕的方法缠绕到内结构层的外部形成点阵结构层；

5)、在点阵结构层的表面制作外结构层。

在上述技术方案中，所述外结构层外表面设有保护层。

本发明的有益效果是：复合材料点阵圆柱壳结构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，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；骨架结构的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。

附图说明

图1为本发明的圆柱壳壳壁的结构示意图。

图2我本发明的单层骨架点阵结构纵剖面示意图。

图3为本发明的制备系统结构框图。

图4为圆柱壳的制作示意图。

图5为图4中的部分放大图。

其中：1.内衬层，2.内结构层，3.点阵结构层，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.点阵结构缠绕系统，9.骨架结构缠绕系统，10.管道缠绕系统，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.上薄片层，16.下薄片层，17.分隔块，18.纱架底盘，19.纤维束。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图4和图5所示的一种复合材料点阵圆柱壳结构，包括从内到外的内衬层1、内结构层2、点阵结构层3和外结构层6，所述内衬层1、内结构层2和外结构层6均采用树脂基复合材料制成，所述点阵结构层3包括骨架结构5和缠绕结构4，所述骨架结构5包括薄片层和分隔块17，所述薄片层包括上薄片层15和下薄片层16，所述分隔块17等间距的设置在上、下薄片层之间，缠绕结构4为采用纤维或织物按螺旋缠绕的方式缠绕在骨架结构5外。

在上述技术方案中，所述上、下薄片层为带状或网状结构的薄片层，其材质为金属材料或复合材料或高分子材料。

在上述技术方案中，所述分隔块17之间的间距为若干个螺距。

在上述技术方案中，所述分隔块17为实心或空心结构，分隔块17的宽度不大于薄片层的宽度，分隔块的截面为圆形、多边形、工字型中的一种。

在上述技术方案中，所述分隔块17为金属材料、复合材料或高分子材料。

在上述技术方案中，所述外结构层6外设有保护层。

如图3所示，一种复合材料点阵圆柱壳结构的制作工艺，包括以下步骤：

1)、在模具上缠绕制作内衬层1，即通过内衬层缠绕系统12制作内衬层1，然后在内衬层1外缠绕制作内结构层2，即通过内结构层缠绕系统13制作内结构层2；

2)、通过骨架结构制作及拉出系统7制作上、下薄片并拉出，在上、下薄片之间均匀的放置分隔块17，形成骨架结构5；

3)、骨架结构5通过点阵结构缠绕系统8，分隔块15经过纱架底盘18上的纤维束的若干次缠绕，在骨架结构5外形成缠绕结构4，然后进行下一个分隔块17的缠绕；

4)、将包含缠绕结构4的骨架结构5按纤维缠绕的方法缠绕到内结构层2的外部形成点阵结构层3；

5)、在点阵结构层3的表面制作外结构层6，即通过外结构层缠绕系统制作外结构层6。

骨架结构制作及拉出系统7、骨架结构缠绕系统9组成点阵结构缠绕系统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、外结构层缠绕系统14组成管道缠绕系统10，

在上述技术方案中，所述外结构层6外表面设有保护层。

本实施例的点阵结构同样适用于树脂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，点阵结构按纤维缠绕的方法进行环向缠绕到内结构层。

采用本发明制作的复合材料点阵圆柱壳结构，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；由于采用块-片的点阵结构，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。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。