本發(fā)明涉及復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)：

雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)主要基于殼結(jié)構(gòu)，是指沿殼結(jié)構(gòu)表面的兩個(gè)方向上，在不同時(shí)間沿兩個(gè)方向可分別保持穩(wěn)定彎曲形變的狀態(tài)。兩個(gè)狀態(tài)的示意見圖1，雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)可以沿狀態(tài)1方向(即伸展方向)伸展并不斷彎曲、沿狀態(tài)2方向(即收卷方向)卷曲，且兩個(gè)狀態(tài)均可穩(wěn)定存在。雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)殼可以卷曲成管，當(dāng)處于狀態(tài)2時(shí)，結(jié)構(gòu)所占空間很小，因此非常便于攜帶。當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)處于狀態(tài)1時(shí)，結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮軸向的強(qiáng)度，提供高強(qiáng)度的支撐和優(yōu)良的抗彎折性能，因此在狀態(tài)1下結(jié)構(gòu)可以作為支撐結(jié)構(gòu)使用。故整體殼結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在便于攜帶的支撐結(jié)構(gòu)。

目前，大多數(shù)的雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)使用復(fù)合材料制造而成。因?yàn)閺?fù)合材料的密度較小，不到密度2kg/m³，便于攜帶。對(duì)于使用復(fù)合材料的雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)能主要是依靠材料發(fā)生變形后的材料形變，儲(chǔ)能大小主要依靠形變的大小，形變包括空間的三個(gè)方向。從狀態(tài)1收卷變?yōu)闋顟B(tài)2時(shí)，狀態(tài)1方向的開口邊緣部位形變最大，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能大于一定值，才能保證從狀態(tài)2轉(zhuǎn)自發(fā)轉(zhuǎn)換到狀態(tài)1。材料的厚度越大，同樣變形量時(shí)，材料的儲(chǔ)能越大，但是如果雙穩(wěn)態(tài)殼體的壁厚過大，在從伸展?fàn)顟B(tài)向卷曲狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，局部形變會(huì)大于材料的最大破壞形變，并導(dǎo)致殼體的破壞。同時(shí)壁厚增加會(huì)明顯提高結(jié)構(gòu)的重量。

因此無法通過加厚殼結(jié)構(gòu)的壁厚而提高邊雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的剛度，而增加殼結(jié)構(gòu)局部的厚度會(huì)更高效的提高結(jié)構(gòu)整體儲(chǔ)存能量和整體剛度。例如沿軸向方向1形成較厚的筋結(jié)構(gòu)可以提高整體的剛度，同時(shí)還可以控制整體重量。

因此，針對(duì)以上不足，需要提供一種既能提高結(jié)構(gòu)的整體剛度又不會(huì)使結(jié)構(gòu)重量明顯增加的雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何提高雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)的整體剛度又不會(huì)使殼結(jié)構(gòu)的重量明顯增加的問題。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)，所述雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)包括殼本體和筋結(jié)構(gòu)；

所述筋結(jié)構(gòu)埋覆于所述殼本體內(nèi)部或附著在所述殼本體至少一個(gè)表面上。

筋結(jié)構(gòu)能有效提高雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和形態(tài)轉(zhuǎn)變效率，而且因?yàn)槭蔷植吭O(shè)置的筋結(jié)構(gòu)，也不會(huì)大幅度增加雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)的重量。

對(duì)于筋結(jié)構(gòu)與殼本體的結(jié)合方式，在本發(fā)明中，筋結(jié)構(gòu)可以埋覆于殼本體的內(nèi)部，也可以附著在殼本體至少一個(gè)表面上，例如附著在殼本體的內(nèi)壁和/或外壁。

筋結(jié)構(gòu)的布置在設(shè)計(jì)時(shí)可以按照殼結(jié)構(gòu)的使用需要進(jìn)行，例如平行于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的伸展方向布置的筋結(jié)構(gòu)會(huì)提高殼結(jié)構(gòu)伸展的剛度和強(qiáng)度，與雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的伸展方向垂直地布置的筋結(jié)構(gòu)會(huì)提高橫向的剛度和強(qiáng)度，與雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的伸展方向斜向交叉地布置的筋結(jié)構(gòu)會(huì)提高整體的扭轉(zhuǎn)剛度。

優(yōu)選地，所述筋結(jié)構(gòu)沿所述殼本體的中心線對(duì)稱分布；

所述殼本體的中心線為：

所述殼本體的中心線為：當(dāng)所述雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)沿伸展方向展開，所述雙穩(wěn)態(tài)殼本體在長(zhǎng)度方向的對(duì)稱軸即殼本體的中心線。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述筋結(jié)構(gòu)的厚度等于所述中心線處殼本體的厚度。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述筋結(jié)構(gòu)的厚度大于所述中心線處殼本體的厚度。其中筋結(jié)構(gòu)與中心線處殼本體厚度的比值不大于5。

優(yōu)選地，所述殼本體兩側(cè)邊的厚度與所述中心線處的厚度相同；或，所述殼本體兩側(cè)邊的厚度大于所述中心線處的厚度。且殼本體兩側(cè)邊的厚度與中心線處的厚度比值不大于5。

優(yōu)選地，所述筋結(jié)構(gòu)的制作材料的熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)溫度要高于所述殼本體的制作材料的成型溫度。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述殼本體的制作材料主要由增強(qiáng)纖維和基體材料復(fù)合而成；

所述增強(qiáng)纖維為有機(jī)纖維或無機(jī)纖維；

所述基體材料為熱固性樹脂、熱塑性樹脂或橡膠中的任一種。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述有機(jī)纖維包括棉、麻、芳綸、氨綸、腈綸、黏膠、聚苯醚或聚對(duì)苯撐苯并二噁唑中的任一種；

所述無機(jī)纖維包括玻璃纖維、碳纖維、藍(lán)寶石纖維、硼纖維或玄武巖纖維中的任一種。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述熱固性樹脂包括環(huán)氧、不飽和聚酯、乙烯基樹脂、聚氨酯、聚氰酸脂、苯并噁嗪、雙馬來酰亞胺或熱固性聚酰亞胺中的任一種；

所述熱塑性樹脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚芳咪酮或熱塑性聚酰亞胺中的任一種；

所述橡膠包括天然橡膠、乙烯基橡膠、聚異戊二烯、氟橡膠或硅橡膠中的任一種。

本發(fā)明還提供了一種該雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)的制造方法，包括筋結(jié)構(gòu)成型和殼本體成型；

所述筋結(jié)構(gòu)成型的方法包括預(yù)埋材料成型或通過模具預(yù)成型；

所述殼本體成型的方法包括模壓、拉擠、纏繞、真空輔助、熱壓罐或樹脂注射模塑中的任一種。

(三)有益效果

本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

通過筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效提高雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，提高作為支撐結(jié)構(gòu)時(shí)的使用效率。

附圖說明

圖1是雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向的截面示意圖；

圖3是本發(fā)明提供的雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)的筋結(jié)構(gòu)的形狀示意圖；

圖4是本發(fā)明提供的雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)的切向角示意圖。

圖中：1：雙穩(wěn)態(tài)殼機(jī)構(gòu)的伸展方向；2：雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)的卷曲方向；3：截面開口邊緣；4-1：凸出于內(nèi)壁的筋結(jié)構(gòu)；4-2：凸出于外壁的筋結(jié)構(gòu)；5：切向角。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1-圖4所示，

本發(fā)明提供的雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)可以沿狀態(tài)1方向(即伸展方向)伸展并不斷彎曲，形成了管狀支撐結(jié)構(gòu)，也可以沿狀態(tài)2方向(即收卷方向)卷曲，卷曲成卷，且兩個(gè)狀態(tài)均可穩(wěn)定存在。狀態(tài)1和狀態(tài)2在受到一個(gè)外部激勵(lì)作用下可以相互轉(zhuǎn)換。

具體來說：本發(fā)明提供的雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)包括殼本體和筋結(jié)構(gòu)；

所述筋結(jié)構(gòu)埋覆于所述殼本體內(nèi)部或凸出于在所述殼本體至少一個(gè)表面上。

設(shè)置筋結(jié)構(gòu)既能提高雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，又不會(huì)大幅度增加雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)的重量。

如圖2所示，當(dāng)把雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)沿狀態(tài)1方向展開后，從a-a剖面的截面圖中可以看出，本發(fā)明提供的雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)的截面為非等厚度的截面。

對(duì)于筋結(jié)構(gòu)與殼本體的結(jié)合方式，在本發(fā)明中，筋結(jié)構(gòu)可以埋覆于殼本體的內(nèi)部，也可以凸出于殼本體至少一個(gè)表面上，例如：如圖2所示，4-1為設(shè)置在殼本體內(nèi)壁并凸出于內(nèi)壁的筋結(jié)構(gòu)，4-2為設(shè)置在殼本體外壁并凸出于外壁的筋結(jié)構(gòu)。

筋結(jié)構(gòu)的布置在設(shè)計(jì)時(shí)可以按照殼結(jié)構(gòu)的使用需要進(jìn)行，例如平行于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的伸展方向布置的筋結(jié)構(gòu)會(huì)提高殼結(jié)構(gòu)伸展的剛度和強(qiáng)度，與雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的伸展方向垂直地布置的筋結(jié)構(gòu)會(huì)提高橫向的剛度和強(qiáng)度，與雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的伸展方向斜向交叉地布置的筋結(jié)構(gòu)會(huì)提高整體的扭轉(zhuǎn)剛度。

進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)中，筋結(jié)構(gòu)沿殼本體的中心線對(duì)稱分布；

所述殼本體的中心線為：當(dāng)所述雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)沿伸展方向展開，所述雙穩(wěn)態(tài)殼本體在長(zhǎng)度方向的對(duì)稱軸即殼本體的中心線。

如圖2中的虛線，即為殼本體的中心線。

5為切向角，是指殼結(jié)構(gòu)在伸展方向展開時(shí)，在垂直截面方向，殼結(jié)構(gòu)的弧形底部切線與截面開口邊緣3切線的逆時(shí)針夾角，切向角的大小可以在0至180度之間，當(dāng)切向角大于等于50度時(shí)可以視為雙穩(wěn)態(tài)管，在0度到50度之間視為曲面結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，筋結(jié)構(gòu)的厚度等于中心線處殼本體的厚度。

進(jìn)一步地，筋結(jié)構(gòu)的厚度大于所述中心線處殼本體的厚度。其中筋結(jié)構(gòu)與中心線處殼本體厚度的比值不大于5。

進(jìn)一步地，殼本體兩側(cè)邊的厚度與所述中心線處的厚度相同；或，殼本兩側(cè)邊的厚度大于所述中心線處的厚度。且殼本體兩側(cè)邊的厚度與中心線處的厚度比值不大于5。

進(jìn)一步地，筋結(jié)構(gòu)的制作材料的熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)溫度要高于殼本體的制作材料的成型溫度。

進(jìn)一步地，殼本體的制作材料主要由增強(qiáng)纖維和基體材料復(fù)合而成；

所述增強(qiáng)纖維為有機(jī)纖維或無機(jī)纖維；

所述基體材料為熱固性樹脂、熱塑性樹脂或橡膠中的任一種。

進(jìn)一步地，所述有機(jī)纖維包括棉、麻、芳綸、氨綸、腈綸、黏膠、聚苯醚或聚對(duì)苯撐苯并二噁唑中的任一種；

所述無機(jī)纖維包括玻璃纖維、碳纖維、藍(lán)寶石纖維、硼纖維或玄武巖纖維中的任一種。

進(jìn)一步地，所述熱固性樹脂包括環(huán)氧、不飽和聚酯、乙烯基樹脂、聚氨酯、聚氰酸脂、苯并噁嗪、雙馬來酰亞胺或熱固性聚酰亞胺中的任一種；

所述熱塑性樹脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚芳咪酮或熱塑性聚酰亞胺中的任一種；

所述橡膠包括天然橡膠、乙烯基橡膠、聚異戊二烯、氟橡膠或硅橡膠中的任一種。

本發(fā)明還提供了一種該雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)的制造方法，包括筋結(jié)構(gòu)成型和殼本體成型；

所述筋結(jié)構(gòu)成型的方法包括預(yù)埋材料成型或通過模具預(yù)成型；

所述殼本體成型的方法包括模壓、拉擠、纏繞、真空輔助、熱壓罐或樹脂注射模塑中的任一種。

實(shí)施例1：所述筋結(jié)構(gòu)的成型以模壓為例，加工出具有筋結(jié)構(gòu)的模具。采用纖維預(yù)浸料作為原料，首先將預(yù)浸料按照設(shè)計(jì)的尺寸裁剪，然后將外層鋪層鋪設(shè)到入模具中，沿筋結(jié)構(gòu)鋪設(shè)筋所用材料，再將其他材料逐層鋪方在模具中，和模后按照材料的要求溫度、和壓力進(jìn)行模壓成型。

實(shí)施例2：所述筋結(jié)構(gòu)的成型以拉擠為例，首先按照狀態(tài)1方向的橫截面為尺寸，加工擠出模頭，主要采用拉擠設(shè)備制備。如果采用預(yù)浸料，在外牽引力的作用下將預(yù)浸料通過預(yù)熱，送入模腔加熱成型，然后再經(jīng)過冷卻定型后形成成品。若為干紗，在預(yù)熱階段需要經(jīng)過浸膠，然后成型。此實(shí)施辦法的特點(diǎn)在于，開口邊緣3部位需要加厚，使得材料成型過程中能夠固定形狀，加厚部位可以視為筋結(jié)構(gòu)。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。