CN104454854A - 复合材料层板与金属件的连接结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纤维增强树脂基复合材料应用领域，具体涉及一种复合材料层板与金属件的连接结构，包括金属件和复合材料层板，金属件表面设置有凹槽，复合材料层板的一端铺设于凹槽内部并与凹槽的一侧侧壁和底面胶接，凹槽内部设置有固定卡片，所述固定卡片卡设于复合材料层板和凹槽另一侧内壁之间，复合材料层板、固定卡片和凹槽之间填充有韧性胶体。本发明在保证舰船结构强度和各项技术指标不下降的情况下，解决钢结构与复合材料的水密坚固连接问题。
Description
技术领域
本发明涉及纤维增强树脂基复合材料(FRC)应用领域，具体涉及一种复合材料层板与金属件的连接结构。
背景技术
FRC具有耐腐蚀，比强度高，以及优异的可设计性和复杂结构整体成型的显著特点，目前已广泛应用于船舶与海洋结构物设计工程，舰艇大尺度复合材料结构的设计与应用技术研究必将成为未来舰船结构设计的重要发展方向。然而，相较于传统钢质结构高效、低成本的焊接连接技术，复合材料与钢构件之间的连接问题已成为阻碍复合材料结构大规模使用的瓶颈技术之一。目前复合材料与钢构件大量使用的连接方式主要为机械连接(螺钉连接和铆接)、胶接和混合连接等，然而，机械连接由于采用穿透型开孔，将损伤FRC结构的完整性，且紧密性设计困难，胶接则往往难以满足连接结构的强度设计要求。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种复合材料层板与金属件的连接结构，在保证舰船结构强度和各项技术指标不下降的情况下，解决钢结构与复合材料的水密坚固连接问题。
本发明提供了一种复合材料层板与金属件的连接结构，包括金属件和复合材料层板，所述金属件位于复合材料层板边缘处，所述金属件连接面上开设有有燕尾式凹槽，所述凹槽最小宽度大于所述复合材料层板厚度，所述复合材料板的边缘弯曲沿凹槽的内侧壁和底面填入凹槽中，在所述凹槽内部中所述复合材料层板与凹槽外侧壁之间设置有固定卡片，所述固定卡片压在填入于凹槽底面的复合材料层板上面，所述复合材料层板、固定卡片和凹槽之间利用韧性胶体材料整体固化成一体凹槽槽体结构，所述复合材料层板与所述凹槽槽体结构一次成型。
所述复合材料层板与金属件的连接面以及凹槽的内侧壁和底面胶接。金属件的轴向方向与复合材料层板的轴向方向相垂直，金属件和复合材料层板相互配合形成L型结构。
所述金属件为条状结构且其长度与复合材料层板边缘宽度相同，凹槽沿金属件轴向方向设置，凹槽深度方向与复合材料层板垂直，凹槽底端宽度大于顶端宽度，与复合材料紧密贴合的一侧凹槽侧壁夹角小于另一侧凹槽侧壁夹角，与复合材料紧密贴合的一侧凹槽侧壁高度小于另一侧凹槽侧壁高度且高度差为复合材料层板厚度，与复合材料层板铰接的一侧凹槽侧壁上下拐角均为圆角。
所述固定卡片为倒U形的弹性结构，固定卡片包括呈圆弧形的连接件，连接件两端均一体化连接有夹板，所述夹板均向外倾斜，夹板上均匀设置有通孔，所述夹板分别与对应的复合材料层板和凹槽内侧壁紧密贴合。
所述固定卡片沿金属件轴向方向均匀间隔分布于凹槽内。
所述韧性胶体为环氧树脂或橡胶腻子。
所述固定卡片的两个夹板之间设置有毛毡或短切纤维，固定卡片一侧夹板与对应的凹槽侧壁之间设置有纤维织物或毛毡布。与夹板接触的凹槽一内侧壁底部设置有与夹板相配合的斜面或弧面。
本发明结构简单，复合材料层板的端部胶接于金属件的凹槽内部，复合材料层板与金属件垂直相交连接一次成型形成L型的连接结构。凹槽截面呈不对称的燕尾型且凹槽底面两侧拐角均为圆弧过渡，保证复合材料层板能与凹槽内侧表面紧密贴合。固定卡片的两侧卡片分别与复合材料层板和凹槽侧壁紧密贴合，将复合材料层板固定于凹槽内部，在无需开孔的情况下实现复合材料层板与金属件的固定安装。同时采用固定卡片固定复合材料层板，便于织物铺设，成型工艺简单。凹槽内注射的韧性胶体进一步保证安装稳定性同时有效确保水密性。同时由于固定卡片的两侧夹板设置有通孔，韧性胶体可通过通孔进入固定卡片与复合材料层板形成的空间内，进一步强化安装稳定性。所述固定卡片两侧夹板形成的内部区域在卡入前预置有少量毛毡或短切纤维，以防止卡片内富胶开裂，同时，夹板与凹槽粘接界面处预置有1～2层纤维织物或毛毡布，以提高界面粘结性能。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为固定卡片结构示意图
其中，1-金属件，2-复合材料层板，3-凹槽，4-固定卡片，41-连接件，42-夹板，43-通孔，5-韧性胶体。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
本发明提供了一种复合材料层板与金属件的连接结构，包括包括金属件1和复合材料层板2，所述金属件1位于复合材料层板2边缘处，其特征在于，所述金属件1连接面上开设有有燕尾式凹槽3，所述凹槽3最小宽度大于所述复合材料层板2厚度，所述复合材料板2的边缘弯曲沿凹槽4的内侧壁和底面填入凹槽4中，在所述凹槽内部中所述复合材料层板2与凹槽3外侧壁之间设置有固定卡片4，所述固定卡片4压在填入于凹槽4底面的复合材料层板2上面，所述复合材料层板2、固定卡片4和凹槽3之间利用韧性胶体5材料整体固化成一体凹槽槽体结构，所述复合材料层板与所述凹槽槽体结构一次成型。如图所示，复合材料层板2的端部固定于金属件1的凹槽3内，两者垂直相交相互配合形成L型结构，便于安装使用。复合材料层板2与凹槽3的接触部位紧密贴合，保证了连接结构的水密性。固定卡片4卡紧于复合材料层板2和凹槽3侧壁之间并压紧于端部的复合材料层板上方，实现两者的固定。复合材料层板2、固定卡片4顶部和凹槽3侧壁形成的空间内灌注有韧性胶体5，强化安装的同时有效保证连接结构的水密性。
上述技术方案中，所述复合材料层板2与金属件1的连接面以及凹槽3的内侧壁和底面胶接，进一步保证复合材料层板2和金属件之间的安装稳定性。金属件1的轴向方向与复合材料层板2的轴向方向相垂直，金属件1和复合材料层板2相互配合形成L型结构，便于连接结构整体的安装使用。
上述技术方案中，金属件1为条状结构且其长度与复合材料层板2边缘宽度相同，凹槽3沿金属件1轴向方向设置，凹槽3深度方向与复合材料层板2垂直，保证复合材料层板2的端部能完全嵌设于凹槽3内部。凹槽3底端宽度大于顶端宽度，与复合材料胶接的一侧凹槽3侧壁夹角小于另一侧凹槽3侧壁夹角，凹槽3截面呈燕尾状，下宽上窄的结构进一步保证复合材料层板2端部在凹槽3内的安装稳定性。与复合材料胶接的一侧凹槽3内侧壁高度小于另一侧凹槽3内侧壁高度且高度差为复合材料层板2厚度，当复合材料层板2相互配合形成L型连接结构时，复合材料层板2与金属件1的顶端位于同一平面内，便于连接结构的整体安装应用。与复合材料层板2铰接的一侧凹槽3侧壁上下拐角均为圆角。复合材料层板2铺设时为软体，凹槽3内圆角状的拐角便于复合材料层板2的铺设，使复合材料层板2能紧密贴合于凹槽3侧壁及表面，保证连接结构的水密性。
上述技术方案中，固定卡片4为倒U形的弹性结构，材质应为弹簧钢片或其他具有同等弹性的非金属材料。固定卡片4包括呈圆弧形的连接件41，连接件两端均一体化连接有夹板42，所述夹板42均向外倾斜，夹板42上均匀设置有通孔，两侧夹板42分别与对应的复合材料层板2和凹槽3的内侧壁紧密贴合。复合材料层板2和凹槽3侧壁分别向内挤压对应的夹板，所以夹板分别对复合材料层板2和凹槽3侧壁施加向外的压力，进一步强化两者之间的固定连接。韧性胶体5在灌注过程中可通过通孔进入两个夹板之间，进一步强化复合材料层板2和金属件1之间的固定连接。
上述技术方案中，固定卡片4沿金属件1轴向方向均匀间隔分布于凹槽3内。固定卡片4可为完整条状，也可均匀分为多个段状结构。预制成型时，可插入连续条状的固定卡片4，也可插入离散分布的多个固定卡片4。
上述技术方案中，韧性胶体5为环氧树脂或橡胶腻子。
上述技术方案中，固定卡片4的两个夹板之间设置有毛毡或短切纤维，以防止卡片内韧性胶体5开裂。固定卡片4一侧夹板与对应的凹槽3侧壁之间设置有纤维织物或毛毡布，以提高界面粘结性能。
上述技术方案中，与夹板接触的凹槽3一侧侧壁底部设置有与夹板相配合的斜面或弧面，便于夹板能紧贴于凹槽3侧壁的表面，加大凹槽3侧壁的受力面积，强化固定强度。
具体实施例1中，金属件1采用横截面为上端矩形，下端削斜的条状Q235船体钢，复合材料层板2采用S玻纤/3201材料，复合材料层板2与金属件1一次整体成型。
制作前将金属件11用砂纸打磨光顺，用丙酮擦洗干净，涂刷偶联剂溶液(KH560)进行表面处理，金属件1开槽方向长度根据所需设置连接长度确定，一般与其配合的复合材料层板2边缘长度相同。在金属件1的上表面上沿金属件1长度方向开设有凹槽3，槽体内左侧夹角40度，右侧夹角60度，复合材料层板2的织物(约30层)由左侧沿两者的连接面铺入至凹槽3底平面，其中最底层1～2层织物延伸铺设至凹槽3右侧壁。固定卡片4插入凹槽3实现织物和凹槽3固定。采用真空辅助成型工艺对复合材料层板2和凹槽3的连接处注胶，固化后，外表面被打磨平整。复合材料层板2嵌入后采用增韧改性环氧树脂填塞复合材料层板2和凹槽3右侧壁板间的空隙区域，上表面打磨平整。复合材料层板2上表面与凹槽3右侧壁顶端平齐。
具体实施例2中，金属件1采用采用横截面为矩形的条状Q235船体钢，复合材料层合板采用E玻纤/430LV乙稀基脂树脂，连接结构与层板一次真空辅助成型。本实施例结构与具体实施例1相同。制作时将金属件1用喷砂工艺除锈，用丙酮擦洗干净，涂刷偶联剂溶液(KH560)进行表面处理；然后将复合材料层板2端部嵌入凹槽3内，最底层1～2层织物应延伸铺设至凹槽3右侧壁。将带有通孔的固定卡片4分段插入，固定卡片4内预置少量短切纤维。真空成型复合材料层板2和钢成型固化后进行表面打磨；最后，采用韧性橡胶体填塞复合材料层板2和凹槽3右侧壁板间的空隙区域，待固化后上表面打磨平整。复合材料上表面与凹槽3右侧壁顶端平齐。
具体实施例3中，金属件1采用横截面为矩形的条状907A船体钢，复合材料层板2采用S玻纤/环氧树脂，连接结构一次真空辅助成型。本实施例结构与具体实施例1相同。金属件1用喷砂工艺除锈，用丙酮擦洗干净，涂刷偶联剂溶液(KH560)进行表面处理；然后将复合材料层板2嵌入，注意此时最底层1～2层织物应延伸铺设至凹槽3右侧壁，将带有通孔的连续条状的固定卡片4整体一次插入，所述固定卡片4为塑料材质，固定卡片4内预置少量毛毡布。复合材料层板2的端部织物和凹槽3固定后，真空成型复合材料层板2和固定卡片4，成型固化后进行表面打磨；最后，采用韧性橡胶体填塞复合材料层板2和凹槽3右侧壁板间的空隙区域，待固化后上表面打磨平整。复合材料层板2上表面与凹槽3右侧壁顶端平齐。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种复合材料层板与金属件的连接结构，包括金属件(1)和复合材料层板(2)，所述金属件(1)位于复合材料层板(2)边缘处，其特征在于所述金属件(1)连接面上开设有有燕尾式凹槽(3)，所述凹槽(3)最小宽度大于所述复合材料层板(2)厚度，所述复合材料板(2)的边缘弯曲沿凹槽(4)的内侧壁和底面填入凹槽(4)中，在所述凹槽内部中所述复合材料层板(2)与凹槽(3)外侧壁之间设置有固定卡片(4)，所述固定卡片(4)压在填入于凹槽(4)底面的复合材料层板(2)上面，所述复合材料层板(2)、固定卡片(4)和凹槽(3)之间利用韧性胶体(5)材料整体固化成一体凹槽槽体结构，所述复合材料层板(2)与所述凹槽槽体结构一次成型。
2.根据权利要求1所述的复合材料层板与金属件的连接结构，其特征在于复合材料层板(2)与金属件(1)的连接面以及凹槽(3)的内侧壁和底面胶接。
3.根据权利要求2所述的复合材料层板与金属件的连接结构，其特征在于金属件(1)的轴向方向与复合材料层板(2)的轴向方向相垂直，金属件(1)和复合材料层板(2)相互配合形成L型结构。
4.根据权利要求3所述的复合材料层板与金属件的连接结构，其特征在于金属件(1)为条状结构且其长度与复合材料层板(2)边缘宽度相同，凹槽(3)沿金属件(1)轴向方向设置，凹槽(3)深度方向与复合材料层板(2)垂直，凹槽(3)底端宽度大于顶端宽度，与复合材料紧密贴合的一侧凹槽(3)侧壁夹角小于另一侧凹槽(3)侧壁夹角，与复合材料紧密胶接的一侧凹槽(3)内侧壁高度小于另一侧凹槽(3)内侧壁高度且高度差为复合材料层板(2)厚度，与复合材料层板(2)胶接的凹槽(3)内侧壁上下拐角均为圆角。
5.根据权利要求4所述的复合材料层板与金属件的连接结构，其特征在于固定卡片(4)为倒U形的弹性结构，固定卡片(4)包括呈圆弧形的连接件(41)，连接件(41)两端均一体化连接有夹板(42)，所述夹板(42)均向外倾斜，夹板(42)上均匀设置有通孔(43)，所述夹板(42)分别与对应的复合材料层板(2)和凹槽(3)内侧壁紧密贴合。
6.根据权利要求5所述的复合材料层板与金属件的连接结构，其特征在于固定卡片(4)沿金属件(1)轴向方向均匀间隔分布于凹槽(3)内。
7.根据权利要求6所述的复合材料层板与金属件的连接结构，其特征在于韧性胶体(5)为环氧树脂或橡胶腻子。
8.根据权利要求7所述的复合材料层板与金属件的连接结构，其特征在于固定卡片(4)的两个夹板(42)之间设置有毛毡或短切纤维，固定卡片(4)一侧夹板(42)与对应的凹槽(3)侧壁之间设置有纤维织物或毛毡布。
9.根据权利要求8所述的复合材料层板与金属件的连接结构，其特征在于与夹板(42)接触的凹槽(3)内侧壁底部设置有与夹板(42)相配合的斜面或弧面。
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