CN102444652A - 一种复合材料管件接头 - Google Patents

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Abstract

一种复合材料管件接头，其设计方案在于：在复合材料管件至少一端的管壁上，沿周向均匀地设有若干条缝，各缝之间平行；设有配合使用的金属锥管与金属收紧锥套；金属锥管分为锥度部分、外螺纹部分及连接段部分；外螺纹部分底径稍大于复合材料管的外径；金属锥管小端直径等于复合材料管的内径；锥度部分长度等于或略长于复合材料管的管口加工的缝的深度；金属收紧锥套分两段：小端一段设有内锥度，和金属锥管的锥度一致；小端直径等于复合材料管的外径；金属收紧锥套大端设有内螺纹，与金属锥管中段的外螺纹相配合。本发明具有良好的经济性、适应性，工艺简单可靠、简单灵活。适用于复合材料管之间或与金属管的连接，特别适于复杂空间结构的建造。

Description

一种复合材料管件接头
 
技术领域
本发明涉及一种复合材料结构的管类构件接头的设计方案。适用和尤其适用于采用复合材料管构件设计的复杂空间桁架结构。本发明还涉及这种复合材料管件接头与其他零件/部件的连接方法。
背景技术
复合材料管材（如碳纤维管、玻璃纤维管等）已经大批量商业化生产，但复合材料管本身不适合机械加工，很难实现复杂结构所要求的接头。目前复合材料结构的管类构件接头的设计，按材料和成型工艺分，通常主要有四类：一是短纤维模塑接头，即在复合材料管构件成型时同时形成接头。这种方法可以成型复杂的接头形式，但传递的集中载荷不大；二是长纤维缠绕接头，即将长纤维缠绕在连接螺栓衬套上，形成可以承受很大拉伸载荷的接头；三是层压板接头，即在层压板连接部位局部采用铺层加强，固化成型后机械加工制孔，形成层合板接头。接头与层合板结构融为一体，可以承受较大的拉伸、压缩及剪切载荷；四是预成型结构件接头，这种接头与结构融为一体共同设计，整体成型。另外，采用三维编织或厚度方向增强结构复合材料技术来设计接头结构形式是新兴的研究方向。
复合材料管接头常用金属材料为铝合金、钛合金、低热膨胀系数合金，如殷钢。复合材料接头结构形式设计的基本原则是承载能力高、工艺简单、可靠。上述复合材料管接头设计存在工艺复杂、加工制造困难，灵活性不够，特别是不能适应接头形式复杂多变的场合。
发明内容
为了克服复合材料管接头的上述缺点，本发明提供一种复合材料管件接头，以及这种复合材料管件接头与其他零件/部件的连接方法。这种复合材料管件接头是基于金属连接件的通用、灵活和适应性强的复合材料管接头设计方案。
本发明所采用的技术方案是：一种复合材料管件接头，其特征在于，在该复合材料管件至少一端的管壁上，沿周向均匀地设有若干条缝，各缝之间平行；同时，设有与该复合材料管件配合使用的金属锥管与金属收紧锥套（也称金属收紧锥管）；所述的金属锥管分三段：第一段是锥度部分，中段是外螺纹部分，第三段为连接段部分；所述金属锥管中段部分的外螺纹底径稍大于复合材料管的外径；所述锥度部分小端的直径等于复合材料管的内径；所述锥度部分的长度等于或略长于复合材料管的管口加工的缝的深度；所述的金属收紧锥套分两段：小端的一段设有内锥度，其内锥度和所述金属锥管锥度部分的锥度一致；金属收紧锥套小端直径等于所述复合材料管的外径；所述金属收紧锥套的大端的一段设有内螺纹，该内螺纹与所述金属锥管中段的外螺纹相配合。
所述金属锥管的连接段部分用于该金属锥管与其他零件或部件的连接，连接段的结构按照连接要求而设定：可以采用螺纹、卡口或法兰盘等形式。
所述金属锥管第一段的锥度部分，可以采用“小斜度”。所述“小斜度”是指：如1:10的锥度，当连接处结构承受外界分离力要求越强时，我们可以适当采用略大的斜度，反之可以采用略小的锥度。
换言之，本发明的结构如下：参见图1，在复合材料管件（比如碳纤维管、玻璃纤维管等）的连接端，在管壁上，沿周向均匀分布地加工适当深度的若干条缝，以便该复合材料管管口可以沿径向被张开；然后，用金属材料制成一个金属锥管作为接头，如图2所示，该金属锥管分三段：第一段是小斜度的锥管（锥度部分），中段是外螺纹，第三段可以是按要建造的复合材料结构的要求加工成的任何结构形式，如图2中，示例的是球节点，锥管一端通过螺纹与球节点相联接。金属锥管中段的外螺纹底径稍大于复合材料管的外径。锥管的小端直径等于复合材料管内径；锥管的锥度部分长度等于复合材料管的管口加工的缝的深度。如图3所示，当装配时，将锥管小端插入复合材料管，可使管口张开。如图3和4所示，另设置一个具有内锥度的金属收紧锥套，其锥度和前述金属锥管的锥度一致，但其小端直径等于复合材料管的外径，长度也稍短；并在该金属收紧锥套的大端接着车有和上述金属锥管中段外螺纹相配合的内螺纹。
完成本申请第2个发明任务的方案是：一种上述复合材料管件接头与其他零件/部件的连接方法：其特征在于，步骤如下：
⑴. 在复合材料管的一端加工要求的缝隙；
⑵. 将复合材料管有缝隙的一端穿过具有内锥度的金属收紧锥套；
⑶. 在复合材料管接头处的内外管壁及锯开的缝中间均涂零膨胀胶粘剂；
⑷. 将金属锥管锥度部分插入复合材料管有缝隙的一端，利用金属锥管的锥度张开复合材料管的管口，直到管口端面与金属锥管中段侧面贴合；
⑸. 将金属收紧锥套的内螺纹与金属锥管中段的外螺纹配合、拧紧；
⑹. 等待所述的胶粘剂固化。
优化方案中，所述步骤⑵与步骤⑶之间，可以增加有步骤⑵-A：将金属锥管的无锥的一端与准备连接的零件/部件固定连接。
以上方案的优化设计有：
1、所述的复合材料管件接头方案适用于且尤其适用于碳纤维复合材料管；
2、所述的零膨胀胶粘剂采用不饱和聚酯树脂；
3、所述的金属锥管与金属收紧锥套采用殷钢制造；所述的殷钢是具有零膨胀特点且性能优异的结构钢。
4、所述的金属收紧锥套一端内锥一端内螺纹是连接复合材料管和金属锥管的关键。
本发明的有益效果是：
提供了一种可以广泛应用的复合材料管的接头设计方案，具有良好的通用性、经济性、适应性，工艺简单可靠、实施简单灵活。适用于各种复合材料管之间连接，也适用于金属管与复合材料管的连接，特别适用于复杂复合材料空间结构的建造。
优化方案更体现了：与碳纤维管性能像匹配的一体化接头，该发明的应用可以用碳纤维管做成结构复杂的可应用于各种极端气候条件下的望远镜支撑桁架。在比重小，强度高，冷热膨胀不敏感等力学性能上都保持了碳纤维管的优越特性。
附图说明
图1 复合材料管件（连接端加工有若干条缝）；
图2 金属锥管接头（示意连接了球型接头节点4）；
图3 配置爆炸示意图；
图4 金属收紧锥套；
图5是本发明实施例装配示意图。
图中：1.复合材料管件，2.金属收紧锥套，3.金属锥管，4.示意的球型接头节点。
具体实施方式
实施例1，复合材料管件接头，参照图1，首先在复合材料管的一端加工所要求的缝隙；参照图5：将端头加工好缝的复合材料管1套入金属收紧锥管2无连接螺纹的一端中；在复合材料管1接头处的内外管壁及锯开的缝5中间均涂适当胶粘剂（如零膨胀胶粘剂等）；将金属锥管3的锥度部分插入复合材料管1有缝隙的一端，利用金属锥管的锥度张开复合材料管的管口，直到管口端面抵于金属锥管3中段的侧面；再将复合材料管1及其缝中的胶粘剂涂匀；然后将金属收紧锥套2的内螺纹与金属锥管中段的外螺纹配合、拧紧，待胶粘剂固化即可。该复合材料管接头即完成实施。

Claims (8)

1. 一种复合材料管件接头，其特征在于，在该复合材料管件至少一端的管壁上，沿周向均匀分布地设有若干条缝，各缝之间平行；同时，设有与该复合材料管件配合使用的金属锥管与金属收紧锥套；所述的金属锥管分三段：第一段是锥度部分，中段是外螺纹部分，第三段为连接段部分；所述金属锥管中段部分的外螺纹底径稍大于复合材料管的外径；所述锥度部分小端的直径等于复合材料管的内径；所述锥度部分的长度等于或略长于复合材料管的管口加工的缝的深度；所述的金属收紧锥套分两段：小端的一段设有内锥度，其内锥度和所述金属锥管锥度部分的锥度一致；金属收紧锥套小端直径等于所述复合材料管的外径；所述金属收紧锥套的大端的一段设有内螺纹，该内螺纹与所述金属锥管中段的外螺纹相配合。
2. 根据权利要求1所述的复合材料管件接头，其特征在于，所述金属锥管的连接段部分的结构采用螺纹、卡口或法兰盘。
3. 根据权利要求1所述的复合材料管件接头，其特征在于，所述金属锥管第一段的锥度部分，可以采用“小斜度”，所述“小斜度”是指：1:10的锥度；当连接处结构承受外界分离力要求越强时，采用略大的斜度，反之采用略小的锥度。
4. 根据权利要求1所述的复合材料管件接头，其特征在于，所述的复合材料管件接头方案适用于且尤其适用于碳纤维复合材料管。
5. 根据权利要求1~4之一所述的复合材料管件接头，其特征在于，金属锥管与金属收紧锥套采用殷钢制造；所述的殷钢是具有零膨胀特点且性能优异的结构钢。
6. 一种权利要求所述的复合材料管件接头与其他零件/部件的连接方法：其特征在于，步骤如下：
⑴. 在复合材料管的一端加工要求的缝隙；
⑵. 将复合材料管有缝隙的一端穿过具有内锥度的金属收紧锥套；
⑶. 在复合材料管接头处的内外管壁及锯开的缝中间均涂零膨胀胶粘剂；
⑷. 将金属锥管锥度部分插入复合材料管有缝隙的一端，利用金属锥管的锥度张开复合材料管的管口，直到管口端面与金属锥管中段侧面贴合；
⑸. 将金属收紧锥套的内螺纹与金属锥管中段的外螺纹配合、拧紧；
⑹. 等待所述的胶粘剂固化。
7. 根据权利要求6所述的复合材料管件接头与其他零件/部件的连接方法：其特征在于，所述步骤⑵与步骤⑶之间，可以增加有步骤⑵-A：将金属锥管的无锥的一端与准备连接的零件/部件固定连接。
8. 根据权利要求6或7所述的复合材料管件接头与其他零件/部件的连接方法：其特征在于，所述的零膨胀胶粘剂采用不饱和聚酯树脂。
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