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超强钢梁——钢与碳纤维共用,掀起结构钢革命新浪潮

采纳碳纤维加强塑料(CFRP)来加固钢梁的这种新方法将使得钢梁承载才干前进75%以上,然后在坚持传统的螺栓联接和焊接附件的一起完成显着的小型化。
用碳纤维来加强钢梁的设法主见并不新颖。加强钢梁的方法包含在工字钢上涂覆碳纤维和环氧树脂,以及波音公司的专利,即使用碳纤维加强塑料(CFRP)板来加强工字钢。
Wingman Industries(美国弗吉尼亚州卡拉威)创始人AJ Cesternino的专利采纳的是与以上不合的做法。在凸缘中使用碳纤维加强塑料切当应当将材料放置在梁应力最高的区域中,然后能够在强度方面能取得最年夜的优势。然则,它并没有处理若安在不穿过纤维的景象下装置该梁的问题,而且也不克不及处理潜在的分层问题。但是,经由进程将碳纤维加强塑料嵌入到工字钢的腹板中分娩的新式超强钢梁不只能够对法兰进行标准螺栓联接,而且假设将其与未加强的工字钢比较极限载荷会增加75%以上。
碳纤维加强塑料强化的超等钢梁与未强化的工字型钢梁的试验效果
生长超强钢梁的设法主见由来
超强钢梁的创造者AJ Cillinino在货车职业工作了40多年。他说:“像很多人一样,我一贯在等待碳纤维给我们这个职业所带来的有利之处。”当然现已有相干的拓荒项目,如沃尔玛的制造前辈车辆经历和美国能源部的“超等货车”谋划,但在拖车底盘中还没有更多运用碳纤维加强塑料。
Cesternino厌恶了等待,便着手改进了货车拖车底盘中使用的钢梁,但很快就创造到了相同的问题:若安在防止发作会穿过纤维的螺栓孔的景象下加强钢梁;以及若何联接碳纤维加强塑料才不会发作分层的危险。
Cesternino的设法主见是使用带有两个腹板的工字型钢。然后将碳纤维加强塑料等强化元素刺进两个腹板之间,坚持凸缘自在以进行标准螺栓联接。为了在内部创建双幅梁,Cesternino简略地将两个工字钢焊在一路。
下一步是拓荒碳纤维加强塑料强化元素。拉伸碳纤维加强工字钢能够从多个供应商那儿轻松取得,而且长度上可知足于拖车底盘。虽然Cesternino在后期极力中切当使用了这些,但他开始是从零开始的,制造了由Hexcel(斯坦福,美国康奈提格州,美国)供应的220层碳纤维/环氧树脂预浸料的矩形梁和一个克己的高压釜。
之后Cesternino规划了将碳纤维加强梁联接在钢梁双腹板内的处理方案。 在该空间注入0.125和0.25英寸(3.2-6.4毫米)之间的环氧化合物,能够将碳纤维加强塑料粘合到工字钢上,包裹并保护碳纤维加强塑料免受损坏,并接纳钢与碳纤维加强塑料之间由于温度和载荷所带来的的胀大、变形等任何不同。
Wingman Industries的超等钢梁使用环氧化合物将碳纤维复合强化梁粘合在双腹板的工字钢的腹板之间 来源:Wingman Industries
对超强钢梁规划理念的测验
2009年,Cesternino将他原始的超等钢梁试验件送到华盛顿州立年夜学复合材料与工程中心(CMEC)进行测验和评价。测验梁长约9英尺(2.7米),深度为5.375英寸(137毫米),宽度为4英寸(102毫米),由两块年夜小为4×7.7不锈钢工字钢组合在一路制成,预浸料碳纤维加强塑料梁年夜致为 2英寸×3英寸(51毫米×76毫米),其坐落钢梁腹板之间,使用环氧弹性体化合物与钢梁腹板接合。该碳纤维加强塑料钢超等钢梁使用三点负载和简略的梁弯曲设置进行了测验,支撑设置为100.8125英寸(2.56米)。单点载荷以0.5英寸(12.7mm)每分钟的速度施加到最年夜载荷为43409磅,中心线偏转为4.17英寸(106mm),终究碳纤维加强塑料梁中发作剪切损坏。
华盛顿州立年夜学复合材料与工程中心(CMEC)报道说,碳纤维加强塑料强化的超强钢梁自己的屈服强度比不锈钢钢梁赶过92%,而其承载才干比不锈钢钢梁赶过103%。
2009年来自CMEC在WSU的超光束测验效果。数据来源:Wingman Industries和CMEC,华盛顿州立年夜学。
遭到开始测验效果的鼓动,Cesternino继续拓荒超等钢梁的理念,并在2016年使用自力的测验公司运用技巧就事公司(Chesapeake,VA,US)进行了第二轮测验。 将三点弯曲再次运用于来自Strongwell(Bristol,VA,US)的拉挤成型的碳纤维加强塑料工字钢,以及使用环氧化合物将拉挤成型的碳纤维加强塑料与钢联合的超强钢梁。支撑间隔为9英尺(2.7米),横梁使用2.5英寸(63.5毫米)铝辊,并以0.125英寸(3.2毫米)每分钟的速度装载。

运用技巧就事公司的3点弯曲试验配备中的工字钢 图片来源:Wingman Industries及运用技巧就事公司 在第二轮测验中,碳纤维加强塑料强化钢超等钢梁的载荷才干比非强化钢梁增加了76%。当然在WSU的初始测验中由预浸料制成的碳纤维加强塑料矩形梁的机能比在ATS测验的拉挤成型碳纤维加强塑料工字钢要高得多,但前者是比较贵重的。

运用技巧就事公司2016年测验的超等钢梁测验效果 数据来源:Wingman Industries和ATS
走向贸易化
Cesternino阐明晰在使用机能上更超强钢梁可能带来的利益:“您能够使用16或18英寸钢梁来处置相同的负载,而不是使用标准的36英寸钢梁。较小的钢梁也就意味着需要更少的钢材,然后分量更轻、更易于运送而且也更易于装置。”他还补偿说,也能够保存今朝划定的尺度,但负载才干会年夜年夜增加。

由于超等钢梁凸缘易于螺栓联接到现有的结构,是以可用于变革桥梁和其他底子行动办法,延伸使用韶光而不会在装置进程中间断交通 图片来源:Wingman Industries
Cesternino说:“我们拓荒了一个桥梁变革系统,能够将超强钢梁焊接或锚定到当时的年夜梁上,而不会阻碍交通,并将桥梁的使用寿数延伸至少五十到六十年。”超强钢梁正在探索的其他运用还包含高负载减重货车拖车和多层拖车、RV和露营车底盘等。其所包含的底子理念也扩大到杆、桁架结构和铁路联接中。

超等钢梁的概念现已扩大到为桁架结构和铁路联接减轻分量、前进承载才干中 图片来源:Wingman Industries
Cesternino现在专心于与职业同伴协作,将超强钢梁的分娩工业化,并经由进程改进分量、负载才干和装置方面的问题,完成与传统钢梁的本钱平价。他还在继续探索将碳纤维加强工字钢简化成简略的矩形梁、板。Cesternino指出,任何侧向载荷都能够经由进程钢制的工字钢凸缘来有用地处置。他等待着复合材料供应商和制造商能就若何最具本钱效益地分娩这些碳纤维加强塑料钢梁提出自身的设法主见。

原文来自:compositesworld,由材料科技在线团队翻译整理。
“本文由新材料在线渠道入驻媒体号材料科技在线供应,不雅观点仅代表作者自己,不代表新材料在线态度。本站只供应参阅并不组成任何出资及运用主张。本站具有对此声明的终究阐明权。”

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