[发明专利]一种纤维复合材料开孔制件的补强片设计及补强方法

说明书

技术领域

本发明涉及纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种提高纤维复合材料开孔制件性能的开孔部位补强片设计及补强方法。

背景技术

纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等一系列优异性能，已被广泛应用于航空航天、航海、国防、交通运输、化工机械等领域。然而，复合材料层合板在实际应用中由于部件连接、检修、减重等原因常常需要开孔。开孔切断了纤维，引起应力集中，大大降低了结构的承载能力。开孔部位成为复合材料结构中容易发生破坏的薄弱环节，因此一般需要对开孔部位进行局部补强。

纤维复合材料开孔制件常见的开孔补强方法包括传统纤维织物如纤维斜纹布结合树脂浸渍补强法、纤维缠绕补强法和机械连接补强法等。采用纤维织物制备开孔补强片时，开孔处纤维被打断，纤维的承载性能大幅下降，补强效果不佳，且纤维织物补强片在裁剪过程中纤维易散落和变形，纤维浪费量也较大；纤维缠绕补强法采用预浸树脂的纤维丝带直接对开孔处补强，避免打断纤维，但需要专用缠绕设备，工序比较繁琐，效率低，产品质量不易控制；机械连接补强法采用的金属零件多，工序多，应力集中较大，加固补强结构可靠性不高。

综上所述，本领域迫切需要一种纤维浪费量小、补强效果佳、设计和制造简单，适合实际应用的补强方法。

发明内容

本发明针对现有的纤维复合材料开孔制件开孔补强方法存在的补强效果不佳、补强结构可靠性不高、质量不易控制、工序繁琐、工作效率低、补强片设计繁琐耗时等问题，提供了一种设计简便、普遍适用、补强效果优异、无需裁剪、适合于批量化生产等优点的补强片。

本发明的一个目的是提供一种工程上能普遍适用的补强片设计方法。

本发明的另一个目的是提供一种纤维复合材料开孔制件的开孔补强方法。

本发明的第一方面，提供了一种纤维复合材料开孔制件的补强片，包括径向纤维轨迹层和螺旋线纤维轨迹层的未浸或预浸树脂的增强纤维丝束，

其中，所述径向纤维轨迹层与开孔周围的复合材料存在第一重叠区域而与开孔区域不存在重叠区域；

所述环向纤维轨迹层与开孔周围的复合材料存在第二重叠区域而与开孔区域不存在重叠区域；

所述径向纤维轨迹层的中心与所述环向纤维轨迹层的中心基本重合。

在另一优选例中，所述径向纤维轨迹层的总体形状为围绕开孔的环形。

在另一优选例中，所述第一重叠区域的内沿与开孔的边缘基本重合。

在另一优选例中，所述第二重叠区域的内沿与开孔的边缘基本重合。

在另一优选例中，所述的环向纤维轨迹层的纤维轨迹为圆形、近圆形、椭圆形、近椭圆形或螺旋线形，或其组合。

在另一优选例中，所述的环向轨迹层的纤维轨迹和/或总体形状与开孔相似或相同。

在另一优选例中，所述的每层径向纤维轨迹层由1-100根纤维构成，较佳地由1-20根纤维构成，更佳地由1-5根纤维构成，最佳地由1根纤维构成。

在另一优选例中，两层或多层径向纤维轨迹层由1根纤维构成。

所述的径向纤维轨迹层具有从中心向外分散的多个径向纤维轴。较佳地，各径向纤维层的径向纤维轴数量为10～10,000,000根，较佳地为15-1000根。

在另一优选例中，按开孔的周长计算，径向纤维层的径向纤维轴的密度通常为3-50根/cm，较佳地为5-25根/cm。

在另一优选例中，所述补强片包括多个径向纤维轨迹层和多个环向纤维轨迹层。

在另一优选例中，每个径向纤维轨迹层的径向纤维轨迹的取向可以相同，可以不同。例如，第一层取向45度，第二层取向-45度。

在另一优选例中，所述的径向纤维轴在补强片的各个位置具有相同或基本相同的分布密度。

在另一优选例中，所述的径向纤维轴在补强片的各个位置具有不同的分布密度。

在另一优选例中，所述的径向纤维轴可以为直线、曲线，或其组合。

在另一优选例中，每层环向纤维轨迹层由1-100根纤维构成，较佳地由1-20根纤维构成，更佳地由1-5根纤维构成，最佳地由1根纤维构成。

在另一优选例中，两层或多层环向纤维轨迹层由1根纤维构成。

在另一优选例中，两层或多层的径向纤维轨迹层和环向纤维轨迹层都由1根纤维构成。

在另一优选例中，所述的环向纤维轨迹层的纤维轨迹呈螺旋形铺放。较佳地可为圆形、近圆形、椭圆、近椭圆形或螺旋线形，或其组合，较佳地为螺旋线形，且每一层环向纤维轨迹层的纤维圈数为3～1,000圈。