一种定向加强的管材及其制备方法

摘要

本发明公开一种定向加强的管材及其制备方法，其中，该管材包括相套接的内管部、外管部和过渡连接管部，所述过渡连接管部用于连接所述内管部的外壁和所述外管部的内壁，以在设定方向上对所述管材进行加强。相比于传统的各向同性的管材，本发明所提供管材在内管部和外管部之间设置了过渡连接管部，可以在设定方向上对管材进行加强，使得管材在设定方向的强度和刚度可以大于其他方向，如此，在单方向(主承载方向)强度和刚度需求较大的场合使用时，可以避免非主承载方向上管材强度和刚度的浪费，而且，可以更大程度地提高产品的轻量化水平，以满足当前轻量化的发展需求。

权利要求

1.一种定向加强的承载管材的加工方法，其特征在于，所述承载管材包括相套接的内管部(1)、外管部(2)和过渡连接管部(3)，所述过渡连接管部(3)用于连接所述内管部(1)的外壁和所述外管部(2)的内壁，以在设定方向上对所述承载管材进行加强，所述加工方法包括：步骤S1，配置内模(A)；

步骤S2，使用预浸料绕所述内模(A)缠绕以形成所述内管部(1)；

步骤S3，根据所述过渡连接管部(3)的截面形状在所述内管部(1)的外侧配置过渡模(B)，并使用所述预浸料绕所述过渡模(B)缠绕以形成所述过渡连接管部(3)；

步骤S4，在所述过渡连接管部(3)的外侧配置外模(C)；

步骤S5，使用预浸料绕所述外模(C)缠绕以形成所述外管部(2)；

其中，所述过渡连接管部(3)包括多个相套接的分管时，所述过渡模(B)包括多个分模(B1)，各所述分模(B1)分多次配置，所述预浸料依次绕各所述分模(B1)缠绕以形成所述过渡连接管部(3)的各所述分管。

2.根据权利要求1所述定向加强的承载管材的加工方法，其特征在于，在所述步骤S2、所述步骤S3以及所述步骤S5中，所述预浸料均以不断开的方式进行缠绕。

3.一种定向加强的承载管材，其特征在于，所述承载管材包括相套接的内管部(1)、外管部(2)和过渡连接管部(3)，所述过渡连接管部(3)用于连接所述内管部(1)的外壁和所述外管部(2)的内壁，以在设定方向上对所述承载管材进行加强，所述承载管材采用权利要求

1或2所述定向加强的承载管材的加工方法制备。

4.根据权利要求3所述定向加强的承载管材，其特征在于，所述过渡连接管部(3)包括一个椭圆管(31)，所述椭圆管(31)外套于所述内管部(1)；

所述椭圆管(31)以其短轴两端的内壁与所述内管部(1)相连、并以其长轴两端的外壁与所述外管部(2)相连；或者，所述椭圆管(31)以其长轴一端的内壁与所述内管部(1)相连、并以其长轴另一端的外壁与所述外管部(2)相连。

5.根据权利要求3所述定向加强的承载管材，其特征在于，所述过渡连接管部(3)包括两个以上的椭圆管(31)，各所述椭圆管(31)相互套接，最内层的所述椭圆管(31)外套于所述内管部(1)，所述过渡连接管部(3)以最内层的所述椭圆管(31)的内壁与所述内管部(1)相连、并以最外层的所述椭圆管(31)的外壁与所述外管部(2)相连，且相邻两层所述椭圆管(31)相连。

6.根据权利要求5所述定向加强的承载管材，其特征在于，各所述椭圆管(31)的长轴同向设置，最内层的所述椭圆管(31)以其短轴两端的内壁与所述内管部(1)相连，最外层的所述椭圆管(31)以其长轴两端的外壁与所述外管部(2)相连；

相邻两层所述椭圆管(31)中，位于外层的所述椭圆管(31)以其短轴两端的内壁与位于内层的所述椭圆管(31)的短轴两端的外壁相连。

7.根据权利要求5所述定向加强的承载管材，其特征在于，各所述椭圆管(31)的长轴同向设置，最内层的所述椭圆管(31)以其长轴一端的内壁与所述内管部(1)相连，最外层的所述椭圆管(31)以其长轴一端的外壁与所述外管部(2)相连，且相邻两层所述椭圆管(31)均以长轴端部相连。

8.根据权利要求5所述定向加强的承载管材，其特征在于，相邻两层所述椭圆管(31)的长轴相互垂直，最内层的所述椭圆管(31)以其短轴两端的内壁与所述内管部(1)相连，最外层的所述椭圆管(31)以其长轴两端的外壁与所述外管部(2)相连；

相邻两层所述椭圆管(31)中，位于外层的所述椭圆管(31)以其短轴两端的内壁与位于内层的所述椭圆管(31)的长轴两端的外壁相连。

9.根据权利要求3所述定向加强的承载管材，其特征在于，所述过渡连接管部(3)包括过渡管(32)和两个以上的椭圆管(31)，各所述椭圆管(31)相互套接，相邻两层所述椭圆管(31)之间通过所述过渡管(32)相连。

10.根据权利要求3‑9中任一项所述定向加强的承载管材，其特征在于，所述内管部(1)与所述过渡连接管部(3)之间的缝隙和/或所述外管部(2)与所述过渡连接管部(3)之间的缝隙和/或所述过渡连接管部(3)内的缝隙设有填充材料。

说明书

一种定向加强的管材及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及管材制备技术领域，具体涉及一种定向加强的管材及其制备方法。

背景技术

[0002] 目前，常规管材的径向性能大都为各向同性，即管材在周向上具有相同或者基本相同的刚度和强度等特性，但是，在某些特定的场合内，往往要求管材在某一个径向(主承载方向)上具有较高的刚度和强度，此时，如果采用各向同性的管材，必然会导致非主承载方向上刚度以及强度的浪费，并且，也不利于产品的轻量化设计。

[0003] 因此，如何提供一种方案，以克服上述缺陷，仍是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种定向加强的管材及其制备方法，其中，该管材可以在设定方向上进行加强，以避免非主承载方向上管材强度以及刚度的浪费，并有利于产品的轻量化设计。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种定向加强的管材，包括相套接的内管部、外管部和过渡连接管部，所述过渡连接管部用于连接所述内管部的外壁和所述外管部的内壁，以在设定方向上对所述管材进行加强。

[0006] 相比于传统的各向同性的管材，本发明所提供管材在内管部和外管部之间设置了过渡连接管部，可以在设定方向上对管材进行加强，使得管材在设定方向的强度和刚度可以大于其他方向，如此，在单方向(主承载方向)强度和刚度需求较大的场合使用时，可以避免非主承载方向上管材强度以及刚度的浪费，而且，可以更大程度地提高产品的轻量化水平，以满足当前轻量化的发展需求。

[0007] 可选地，所述过渡连接管部包括一个椭圆管，所述椭圆管外套于所述内管部；所述椭圆管以其短轴两端的内壁与所述内管部相连、并以其长轴两端的外壁与所述外管部相连；或者，所述椭圆管以其长轴一端的内壁与所述内管部相连、并以其长轴另一端的外壁与所述外管部相连。

[0008] 可选地，所述过渡连接管部包括两个以上的椭圆管，各所述椭圆管相互套接，且最内层的所述椭圆管外套于所述内管部，所述过渡连接管部以最内层的所述椭圆管的内壁与所述内管部相连、并以最外层的所述椭圆管的外壁与所述外管部相连，且相邻两层所述椭圆管相连。

[0009] 可选地，各所述椭圆管的长轴同向设置，最内层的所述椭圆管以其短轴两端的内壁与所述内管部相连，最外层的所述椭圆管以其长轴两端的外壁与所述外管部相连；相邻两层所述椭圆管中，位于外层的所述椭圆管以其短轴两端的内壁与位于内层的所述椭圆管的短轴两端的外壁相连。

[0010] 可选地，各所述椭圆管的长轴同向设置，最内层的所述椭圆管以其长轴一端的内壁与所述内管部相连，最外层的所述椭圆管以其长轴一端的外壁与所述外管部相连，且相邻两层所述椭圆管均以长轴端部相连。

[0011] 可选地，相邻两层所述椭圆管的长轴相互垂直，最内层的所述椭圆管以其短轴两端的内壁与所述内管部相连，最外层的所述椭圆管以其长轴两端的外壁与所述外管部相连；相邻两层所述椭圆管中，位于外层的所述椭圆管以其短轴两端的内壁与位于内层的所述椭圆管的长轴两端的外壁相连。

[0012] 可选地，所述过渡连接管部包括过渡管和两个以上的椭圆管，各所述椭圆管相互套接，最内层的所述椭圆管以其短轴两端的内壁与所述内管部相连，最外层的所述椭圆管以其长轴两端的外壁与所述外管部相连，相邻两层所述椭圆管之间通过所述过渡管相连。

[0013] 可选地，所述内管部与所述过渡连接管部之间的缝隙和/或所述外管部与所述过渡连接管部之间的缝隙和/或所述过渡连接管部内的缝隙设有填充材料。

[0014] 本发明还提供一种定向加强的管材的加工方法，适用于上述的定向加强的管材，所述加工方法包括：步骤S1，配置内模；步骤S2，使用预浸料绕所述内模缠绕以形成所述内管部；步骤S3，根据所述过渡连接管部的截面形状在所述内管部的外侧配置过渡模，并使用所述预浸料绕所述过渡模缠绕以形成所述过渡连接管部；步骤S4，在所述过渡连接管部的外侧配置外模；步骤S5，使用预浸料绕所述外模缠绕以形成所述外管部；其中，所述过渡连接管部包括多个相套接的分管时，所述过渡模包括多个分模，各所述分模分多次配置，所述预浸料依次绕各所述分模缠绕以形成所述过渡连接管部的各所述分管。

[0015] 可选地，在所述步骤S2、所述步骤S3以及所述步骤S5中，所述预浸料均以不断开的方式进行缠绕。

附图说明

[0016] 图1为本发明所提供定向加强的管材的第一种具体实施方式的截面图；

[0017] 图2为本发明所提供定向加强的管材的第二种具体实施方式的截面图；

[0018] 图3为本发明所提供定向加强的管材的第三种具体实施方式的截面图；

[0019] 图4为本发明所提供定向加强的管材的第四种具体实施方式的截面图；

[0020] 图5为本发明所提供定向加强的管材的第五种具体实施方式的截面图；

[0021] 图6为本发明所提供定向加强的管材的第六种具体实施方式的截面图；

[0022] 图7为本发明所提供定向加强的管材的第七种具体实施方式的截面图；

[0023] 图8为本发明所提供定向加强的管材的第八种具体实施方式的截面图；

[0024] 图9为本发明所提供定向加强的管材的制备方法的流程图。

[0025] 图1‑图9中的附图标记说明如下：

[0026] 1内管部；

[0027] 2外管部；

[0028] 3过渡连接管部、31椭圆管、32过渡管；

[0029] A内模、B过渡模、B1分模、C外模。

具体实施方式

[0030] 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

[0031] 实施例一

[0032] 请参考图1‑图8，图1为本发明所提供定向加强的管材的第一种具体实施方式的截面图，图2为本发明所提供定向加强的管材的第二种具体实施方式的截面图，图3为本发明所提供定向加强的管材的第三种具体实施方式的截面图，图4为本发明所提供定向加强的管材的第四种具体实施方式的截面图，图5为本发明所提供定向加强的管材的第五种具体实施方式的截面图，图6为本发明所提供定向加强的管材的第六种具体实施方式的截面图，图7为本发明所提供定向加强的管材的第七种具体实施方式的截面图，图8为本发明所提供定向加强的管材的第八种具体实施方式的截面图。

[0033] 如图1‑图8所示，本发明提供一种定向加强的管材，包括相套接的内管部1、外管部2和过渡连接管部3，过渡连接管部3用于连接内管部1的外壁和外管部2的内壁，以在设定方向上对管材进行加强。

[0034] 相比于传统的各向同性的管材，本发明所提供管材在内管部1和外管部2之间设置了过渡连接管部3，可以在设定方向上对管材进行加强，使得管材在设定方向的强度和刚度可以大于其他方向，如此，在单方向(主承载方向)强度和刚度需求较大的场合使用时，可以避免非主承载方向上管材强度以及刚度的浪费，而且，可以更大程度地提高产品的轻量化水平，以满足当前轻量化的发展需求。

[0035] 这里，本发明实施例并不限定上述单方向强度和刚度需求较大的场合具体是指哪种场合，换而言之，本发明实施例并不限定上述管材的应用场景；举例说明，对于无人机机翼主梁而言，其在垂直于翼面方向的抗弯性能要求比沿航向的抗弯性能要求要高，针对这种应用场景，采用本发明所提供定向加强的管材即可以很好的满足其在垂直于翼面方向的抗弯性能需求，并且，还能够大幅减轻主梁的重量，以满足轻量化的设计要求，对于降低负载、延长续航等均具有积极的意义。

[0036] 另外，上述的设定方向可以为单一方向，也可以为多个方向，当为多个方向时，可以是对多个方向所组合形成的一片区域进行整体加强，也可以是对多个相互独立的方向进行加强，这具体要结合实际的应用场景进行确定。

[0037] 以下本发明实施例将结合几种具体的实施方式对本发明所提供定向加强的管材的结构进行描述，其中，管材的加强位置可以参照附图中箭头所指向的管壁。

[0038] 如图1所示，过渡连接管部3可以仅包括一个椭圆管31，椭圆管31可以外套于内管部1，该椭圆管31可以其短轴两端的内壁与内管部1相连、并以其长轴两端的外壁与外管部2相连，此时，可以对椭圆管31长轴方向所在的管壁进行加强。

[0039] 再结合图2，图2为图1的变形方案，椭圆管31可以其长轴一端的内壁与内管部1相连、并以其长轴另一端的外壁与外管部2相连，此时，可以对管材单侧的管壁进行加强。

[0040] 除仅存在一个椭圆管31的方案外，过渡连接管部3也可以采用包括两个以上椭圆管31的方案，此时，各椭圆管31可以相互套接，且最内层的椭圆管31可以外套于内管部1，过渡连接管部3可以最内层的椭圆管31的内壁与内管部1相连、并可以最外层的椭圆管31的外壁与外管部2相连，且相邻两层椭圆管31可以相连。相比于一个椭圆管31的方案，多个椭圆管31的方案更适用于管壁相对较厚的情形，由于管壁较厚，通过多个尺寸逐渐增大的椭圆管31进行逐步叠加，可提高管材的局部抗失稳性能，同时，也可以保证对于管材的加强效果。

[0041] 在一种实施方式中，如图3所示，各椭圆管31的长轴可以同向设置，最内层的椭圆管31可以其短轴两端的内壁与内管部1相连，最外层的椭圆管31可以其长轴两端的外壁与外管部2相连；在相邻两层椭圆管31中，位于外层的椭圆管31可以其短轴两端的内壁与位于内层的椭圆管31的短轴两端的外壁相连，此时，管材的加强位置仍是椭圆管31的长轴方向所在的两处侧壁。

[0042] 在另一种实施方式中，各椭圆管31的长轴仍可以同向设置，最内层的椭圆管31以其长轴一端的内壁与内管部1相连，最外层的椭圆管31以其长轴一端的外壁与外管部2相连，且相邻两层椭圆管31均可以长轴端部相连。

[0043] 此种实施方式又可以包括如下两种情形：其一，如图4所示，各椭圆管31均以长轴的同一端(附图中为下端)相连，并以该端与内管部1相连，各椭圆管31的长轴的另一端(附图中为上端)相互之间不连接，且最外层的椭圆管31的长轴的另一端(附图中为上端)的外壁可以与外管部2相连；其二，椭圆管31可以其长轴的两端分别与内外侧的管或者管部相连，以图5所示出的存在两个椭圆管31的方案为例，最内层椭圆管31可以其长轴下端与内管部1相连，并以其长轴上端与最外层椭圆管31的长轴上端相连，最外层椭圆管31可以其长轴下端与外管部2相连。

[0044] 在又一种实施方式中，相邻两层椭圆管31的长轴可以相互垂直，最内层的椭圆管31可以其短轴两端的内壁与内管部1相连，最外层的椭圆管31可以其长轴两端的外壁与外管部2相连；相邻两层椭圆管31中，位于外层的椭圆管31可以其短轴两端的内壁与位于内层的椭圆管31的长轴两端的外壁相连。采用这种实施方式，管材的主加强位置为最外层椭圆管31的长轴方向所在的两处侧壁。

[0045] 进一步地，如图7、图8所示，过渡连接管部3还可以包括过渡管32和两个以上的椭圆管31，各椭圆管31可以相互套接，最内层的椭圆管31可以与内管部1相连，最外层的椭圆管31可以与外管部2相连，相邻两层椭圆管31之间可以设有上述的过渡管32，且相邻两层椭圆管31均与二者之间的过渡管32相连。采用这种结构，通过过渡管32的设置，实际上相当于对内管部1和外管部2之间的管壁进行了分层设计，然后，在过渡管32和内管部1之间以及过渡管32与外管部2之间的分层(如果存在多个相套接的过渡管32，这里的分层还可以包括相邻两过渡管32之间的空间)内分别设置椭圆管31进行加强，这种方案更适应于管壁较厚的情形，有利于提高管材的局部抗失稳性能。

[0046] 在上述的包括过渡管32的方案中，椭圆管31与过渡管32、内管部1、外管部2的连接结构可以参照前述仅存在椭圆管31部分的描述进行设计，在此不做重复性的说明。

[0047] 需要指出，上述的有关过渡连接管部3结构形式的描述仅为本发明实施例的一种示例性说明，并不能够作为本发明所提供定向加强的管材的实施范围的限定，在实际应用中，过渡连接管部3的结构形式可以多种多样，只要保证过渡连接管部3的各管(如果包括多个管时)之间存在连接、且过渡连接管部3还与内管部1和外管部2之间存在连接、并能够对管材设定方向的强度和刚度进行加强即可。

[0048] 另外，本发明实施例并不限定内管部1、外管部2以及过渡管32的截面形状，在附图方案中，内管部1、外管部2以及过渡管32的截面形状均为圆形，实际上，也可以为方形或者其他形状；在上述的各方案中，作为过渡连接管部3的核心部件的椭圆管31，其实际上仅是一种可以产生定向加强效果的具体示例，除此之外，也可以采用其他与椭圆管31结构相类似的加强管结构，如截面形状为腰圆形、条形、鼓形等的管子。

[0049] 进一步地，内管部1与过渡连接管部3之间的缝隙和/或外管部2与过渡连接管部3之间的缝隙和/或过渡连接管部3内的缝隙(过渡连接管部3内的缝隙产生于存在多个管时)可以设有填充材料，该填充材料具体可以为硬质泡沫、3D打印形成的空间网架等，以对上述的缝隙进行填充，进而可提高管材的局部抗失稳性能。

[0050] 上述的定向加强的管材可以是通过预浸料以不断开的方式一次缠绕成型，这样所形成的管材的集成程度更高，可以减少结构系统的零件数量，能够极大地缩短制造周期，并降低制作成本。

[0051] 实施例二

[0052] 请参考图9，图9为本发明所提供定向加强的管材的制备方法的流程图。

[0053] 如图9所示，本发明还提供一种定向加强的管材的加工方法，适用于实施例一中各实施方式所涉及的定向加强的管材，加工方法包括：

[0054] 步骤S1，配置内模A；

[0055] 内模A为可拆除的模具，其外表面可以涂覆有脱模剂，内模A的截面形状可以根据内管部1的截面形状要求进行设定。

[0056] 步骤S2，使用预浸料绕内模A缠绕以形成内管部1；

[0057] 上述预浸料可以为碳纤维预浸料，在内模A的外侧可以缠绕多层预浸料，以形成具有设定厚度的内管部1，该设定厚度的具体值在此不做限定，实际应用中，本领域技术人员可以根据实际需求进行设定。

[0058] 步骤S3，根据过渡连接管部3的截面形状在内管部1的外侧配置过渡模B，并使用预浸料绕过渡模B缠绕以形成过渡连接管部3；

[0059] 过渡模B可以为可拆除的模具，此时，其外表面可以涂覆脱模剂，或者，过渡模B也可以为不可拆除的模具，此时，过渡模B可以作为填充材料存在。

[0060] 结合图3，过渡连接管部3实际上可能包括多个相套接的分管，此时，各分管要分别形成，相应地，过渡模B也可以包括多个分模B1，在具体生产时，可以先在内管部1的外侧配置内层的分模B1，并由预浸料绕该内层的分模B1缠绕以形成内层的椭圆管31，然后，可以在该内层的椭圆管31的外侧配置外层的分模B1，并由预浸料绕该外层的分模B1缠绕以形成外层的椭圆管31。过渡连接管部3所涉及的各分管的厚度在此也不做限定。

[0061] 步骤S4，在过渡连接管部3的外侧配置外模C；

[0062] 同样地，外模C可以为可拆除的模具，此时，其外表面可以涂覆脱模剂，或者，外模C也可以为不可拆除的模具，此时，外模C可以作为填充材料存在。

[0063] 步骤S5，使用预浸料绕外模C缠绕以形成外管部2，然后，利用树脂对复合材料管材进行固化即可得到最终的管材，具体的固化方式可以为热固化等。

[0064] 采用这种方法，即可以形成实施例一所涉及的定向加强的管材，定向加强管材的技术效果可参照实施例一，在此不做重复性的描述。

[0065] 在步骤S2、步骤S3以及步骤S5中，预浸料均可以不断开的方式进行缠绕，如此，本发明所提供定向加强的管材为一次性缠绕成型，集成程度更高，可以减少结构系统的零件数量，能够极大地缩短制造周期，并降低制作成本。

[0066] 以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。