一种碳纤维波形梁护栏及其制备方法与流程

本技术涉及道路工程领域，具体是一种碳纤维波形梁护栏及其制备方法。

背景技术：

1、波形梁护栏通常设置于公路路侧或中央分隔带，在车辆发生偏离并与护栏碰撞时，波形梁通过弯曲、拉伸以及波形截面的逐步展开吸收碰撞能量，并对车辆进行导向。现有波形梁护栏主要采用钢材冲压成形，钢制波形梁存在自重较大、易受雨水、盐雾及除冰盐腐蚀等问题。为降低护栏重量并提高耐腐蚀性能，现有技术开始采用碳纤维增强树脂基复合材料制作波形梁护栏。

2、现有碳纤维波形梁护栏通常采用碳纤维布逐层铺设、连续拉挤后模压成形，或者将三维编织预制体整体压制成波形截面，再进行树脂浸渍和固化。相较于二维铺层预制体，三维编织预制体通过厚度方向锁结纱将轴向纱、截面向纱和斜向纱连接成整体，能够提高复合材料的厚度方向强度并降低层间分离风险。

3、然而，波形梁护栏的截面并非单一曲率结构，而是沿截面宽度方向连续形成波峰、波形坡部和波谷，相邻波峰与波谷的曲率方向相反。碳纤维预制体由准平直状态或小曲率状态形成目标波形截面时，位于曲率区外侧的纱束路径长度增加，位于曲率区内侧的纱束路径长度减小；当纱束由波峰曲率区延伸至相邻的波谷曲率区时，纱束所处的内外侧位置发生转换，其所需的路径补偿方向随之反转。

4、对于已经通过厚度方向锁结纱完全锁定的三维编织预制体，截面向纱和斜向纱难以在相邻曲率区之间进行相对迁移。预制体被强制压制成波形后，外弧区域的纱束容易被过度拉紧，内弧区域的纱束容易向曲率换向位置聚集，进而在曲率换向位置形成局部厚度减小、纱束拥挤、纤维起伏或树脂富集等缺陷。由于波形梁的截面形状沿其长度方向连续延伸，上述缺陷还可能沿波形梁长度方向形成连续的曲率错配区域。

5、车辆碰撞波形梁护栏时，波峰和波谷逐渐展开，相邻反向曲率区之间的曲率换向位置通常也是截面转动、剪切传递和波形展开较为集中的区域。制造过程中形成的曲率错配区域与碰撞过程中波形截面的曲率释放区域相重合时，容易使局部纤维损伤提前产生，并使裂纹沿波形梁长度方向扩展，影响碳纤维波形梁护栏的吸能稳定性。

6、现有技术通常通过提高局部纤维密度、改变铺层角度、采用分段加压或者增加厚度方向增强纤维等方式提高复合材料曲面构件的成形质量。但是，单纯提高纤维密度会进一步限制纱束迁移，分段加压也难以改变三维编织预制体内部已经形成的锁结关系；在波形成形前直接增加厚度方向增强纤维，还可能加剧相邻反向曲率区之间的纱束路径错配。因此，现有方法难以同时满足波形成形阶段的纱束迁移需求和成形完成后的整体锁结需求。

7、因此，有必要提供一种碳纤维波形梁护栏的制作方法，在波形成形过程中为相邻反向曲率区之间的纱束提供受控迁移空间，并在目标波形形成后重新建立厚度方向锁结关系，以降低曲率换向位置的纤维拥挤、拉紧和树脂富集，同时保证成品波形梁护栏的整体强度及碰撞吸能稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种碳纤维波形梁护栏的制作方法及碳纤维波形梁护栏，以解决三维编织碳纤维预制体在形成连续起伏的波形截面时，由于相邻曲率区域所需纱束路径长度不同，而主体纱束又受到厚度方向锁结限制，导致波形外侧纱束过度拉紧、波形内侧纱束松弛聚集以及曲率换向位置纱束分布不均的问题。

2、本技术提供的一种碳纤维波形梁护栏制备方法采用如下的技术方案：

3、包括以下步骤：s1、根据碳纤维波形梁护栏的目标波形截面，确定曲率方向相反的第一曲率区和第二曲率区，以及位于所述第一曲率区与第二曲率区之间的曲率换向区；选取连续经过所述第一曲率区、曲率换向区和第二曲率区的参考纱束，并根据所述参考纱束在初始状态和目标波形截面状态下的路径长度变化，确定所述参考纱束在曲率换向区内的目标迁移方向和目标迁移区间；

4、s2、采用连续碳纤维纱编织碳纤维预制体，所述碳纤维预制体包括沿波形梁长度方向延伸的轴向承力纱、沿目标波形截面宽度方向延伸的截面向纱、与所述轴向承力纱和截面向纱交叉设置的斜向交织纱，以及沿碳纤维预制体厚度方向设置的预置锁结纱；

5、在与所述曲率换向区对应的位置沿碳纤维预制体长度方向间隔形成多个纱束迁移单元，所述纱束迁移单元内至少部分位置未设置所述预置锁结纱，相邻纱束迁移单元之间保留设置有所述预置锁结纱的预置锁结单元，所述轴向承力纱、截面向纱和斜向交织纱连续经过所述纱束迁移单元和预置锁结单元；

6、s3、将所述碳纤维预制体置于波形成型模具中，在所述纱束迁移单元处设置纱束导向件，所述纱束导向件限制所述参考纱束沿碳纤维预制体长度方向和厚度方向偏移，并允许所述参考纱束沿目标波形截面宽度方向移动；

7、s4、通过所述波形成型模具固定碳纤维预制体的截面基准区，并由所述截面基准区向两侧依次形成第一曲率区和第二曲率区；在形成第一曲率区和第二曲率区的过程中，使所述参考纱束在纱束迁移单元内沿目标迁移方向移动，并获取所述参考纱束相对于其初始位置的实际迁移量，直至所述实际迁移量处于目标迁移区间内，且所述碳纤维预制体达到目标波形截面状态；

8、s5、保持所述碳纤维预制体处于目标波形截面状态，通过设置于波形成型模具上的锁结操作通道向所述纱束迁移单元植入跨区锁结纱，使所述跨区锁结纱依次穿过第一曲率区、曲率换向区和第二曲率区内不同深度位置的主体纱束，并形成位于第一曲率区内的第一锚固段、跨过曲率换向区的跨区连接段以及位于第二曲率区内的第二锚固段，以限制发生迁移的纱束沿原迁移方向回移；

9、s6、在所述波形成型模具保持碳纤维预制体处于目标波形截面状态的情况下，将所述纱束导向件从碳纤维预制体中退出，对完成跨区锁结的碳纤维预制体进行树脂浸渍和固化，得到碳纤维波形梁护栏。

10、步骤s1中，分别获取所述参考纱束在初始状态下位于曲率换向区两侧的第一初始路径长度和第二初始路径长度，以及所述参考纱束在目标波形截面状态下位于曲率换向区两侧的第一目标路径长度和第二目标路径长度；根据第一目标路径长度与第一初始路径长度之间的差值，以及第二目标路径长度与第二初始路径长度之间的差值，确定所述目标迁移方向和目标迁移区间。

11、多个所述纱束迁移单元沿碳纤维预制体长度方向等间距或者不等间距分布；所述纱束迁移单元在目标波形截面宽度方向上的两侧分别延伸至第一曲率区和第二曲率区内，所述预置锁结单元用于在碳纤维预制体搬运及波形成形过程中保持相邻主体纱束之间的位置关系。

12、所述纱束导向件包括与参考纱束对应设置的导向槽或者滚动导向部；所述参考纱束穿过所述导向槽或者绕过所述滚动导向部，所述导向槽与参考纱束接触的表面为圆弧面，或者所述滚动导向部能够随参考纱束的移动发生转动。

13、所述波形成型模具包括与波峰对应设置的波峰成型件、与波谷对应设置的波谷成型件以及与波形坡部对应设置的坡部成型件；步骤s4中，先通过其中一个波谷成型件或者坡部成型件固定所述截面基准区，再依次驱动位于截面基准区两侧的波峰成型件、波谷成型件和坡部成型件，以使碳纤维预制体由截面基准区向两侧逐段形成目标波形截面。

14、在所述参考纱束上设置位置标记；步骤s4中，通过图像采集件获取所述位置标记相对于纱束导向件或者波形成型模具的位移，并根据所述位移确定所述参考纱束的实际迁移量。

15、步骤s5中，每一所述跨区锁结纱沿碳纤维预制体厚度方向往复穿设，所述第一锚固段和第二锚固段分别穿过碳纤维预制体厚度方向上不同深度位置的多组主体纱束；所述跨区连接段沿目标波形截面的宽度方向延伸，并跨过曲率方向发生转换的位置；多个所述跨区锁结纱沿碳纤维预制体长度方向间隔设置，并分别与多个纱束迁移单元对应。

16、步骤s6中，采用树脂传递模塑工艺或者真空辅助树脂传递模塑工艺对碳纤维预制体进行树脂浸渍；树脂浸渍完成后，在保持第一曲率区、第二曲率区和曲率换向区相对位置不变的状态下进行固化，并在树脂达到脱模强度后解除波形成型模具对碳纤维预制体的限制。

17、一种碳纤维波形梁护栏，包括沿长度方向延伸的波形梁本体，所述波形梁本体具有连续起伏的波形截面，所述波形截面包括曲率方向相反的第一曲率区和第二曲率区，以及位于所述第一曲率区与第二曲率区之间的曲率换向区，所述波形梁本体包括沿其长度方向连续延伸的轴向承力纱、沿波形截面宽度方向连续延伸的截面向纱，以及与所述轴向承力纱和截面向纱交叉设置的斜向交织纱；所述曲率换向区设置有多个沿波形梁本体长度方向间隔分布的跨区锁结纱；每一所述跨区锁结纱均包括位于第一曲率区内的第一锚固段、位于第二曲率区内的第二锚固段以及连接第一锚固段和第二锚固段的跨区连接段，所述第一锚固段和第二锚固段分别穿过波形梁本体厚度方向上不同深度位置的多组主体纱束，所述跨区连接段沿波形截面的宽度方向跨过所述曲率换向区；所述轴向承力纱、截面向纱、斜向交织纱和跨区锁结纱共同浸渍于树脂基体内并固化形成一体结构。

18、所述波形截面包括多个沿波形截面宽度方向依次交替设置的波峰和波谷，至少一个波峰与相邻波谷之间设置有所述曲率换向区及跨区锁结纱；多个所述跨区锁结纱沿波形梁本体长度方向间隔分布，并形成沿波形梁本体长度方向延伸的跨曲率锁结结构。

19、对比现有技术，本技术的有益效果在于：

20、1.本技术通过在碳纤维预制体对应波形梁曲率换向区域设置纱束迁移单元，使部分主体纱束在波形成形过程中具有有限的位置调整空间，从而能够根据波峰、波谷形成过程中不同曲率区域产生的路径长度变化进行重新分布，避免传统三维锁结结构在成形过程中因纱束位置固定而导致局部纱束过度拉紧或者纱束聚集的问题，提高了碳纤维预制体与目标波形截面的适配性。

21、2.本技术通过在纱束迁移单元之间设置预置锁结单元，使碳纤维预制体在保留局部纱束调整能力的同时，仍能够利用预置锁结纱保持不同方向纱束之间的位置关系，避免由于局部减少锁结结构导致长尺寸碳纤维预制体在搬运、放置以及成形过程中发生散束、扭曲或者整体变形，实现了纱束可调整性与预制体整体稳定性的兼顾。

22、3.本技术通过采用分段成型件对碳纤维预制体进行分段波形成形，使第一曲率区和第二曲率区能够按照预定顺序逐渐形成，利用相邻曲率区域依次产生的路径长度差驱动参考纱束在纱束迁移单元内进行定向移动，避免整体压合过程中不同曲率区域同时作用导致纱束迁移方向相互干扰的问题，使纱束迁移过程更加可控。

23、4.本技术通过设置纱束导向件，在允许参考纱束沿目标迁移方向移动的同时，对参考纱束沿其他方向的位移进行限制，使波形成形过程中产生的路径补偿作用转化为预定方向的受控迁移，减少纱束无序偏移，提高纤维组织调整的准确性。

24、5.本技术通过在主体纱束完成迁移后植入跨区锁结纱，使跨区锁结纱的第一锚固段和第二锚固段分别连接第一曲率区和第二曲率区，并通过跨区连接段跨越曲率换向区，从而重新建立曲率换向区域内的锁结关系，限制已经完成位置调整的主体纱束发生回移，提高成品碳纤维波形梁护栏内部纤维组织的稳定性。

25、6.本技术通过将纱束迁移过程设置于树脂浸渍和固化之前，使纱束位置调整与复合材料固化过程相互配合，在完成纤维路径优化后，再利用树脂基体将主体纱束、预置锁结纱以及跨区锁结纱固定为整体结构，避免传统制造方式中纤维组织在成形后难以调整的问题。

26、7.本技术最终形成的碳纤维波形梁护栏中，轴向承力纱、截面向纱和斜向交织纱保持连续结构，且曲率换向区域通过跨区锁结纱进行加强，使波形梁不同曲率区域之间形成稳定连接关系，在保证碳纤维轻量化优势的同时，提高波形梁结构的一致性和长期服役可靠性。