CN104454855A - 一种复合材料/金属梯形齿混合连接结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料/金属梯形齿混合连接结构及其制备方法，采用机加工的方法构造金属件胶接面梯形齿形貌，采用模具压制成型带梯形齿的复合材料件，在梯形齿表面投敷粘接剂实现复合材料与金属的胶接，然后在粘接面中部位置法向开孔采用螺栓固定实现胶接和螺栓的混合连接。相比传统平板搭接胶接或者螺栓连接，这种连接形式在粘接自由端应力集中小，连接强度高，同时法向剥离应力低，特别适宜于承载要求高的大型复合材料结构件的连接。

Description

一种复合材料/金属梯形齿混合连接结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料与金属的连接，尤其涉及复合材料与金属的胶接和机械连接的混合连接结构，属于复合材料连接方法和技术领域。

背景技术

聚合物基复合材料以其材料、工艺、结构的一体化成型而具很强的可设计性，这种一次成型与其结构本身的多相多组分特点使得复合材料连接成为结构的薄弱环节，传统的机械连接虽然具有较为优越的连接强度，但对于薄壁构件难以实现且存在腐蚀问题；而对于很厚的层合板，局限于复合材料基体和层间剪切力学性能，胶接强度又难以达到预期连接强度。在工业建筑领域预埋金属件早已广泛应用并形成了较为完善的工业设计与实施规范。近年来，聚合物基复合材料中金属预埋件连接被广泛接受,金属预埋件连接的重要环节是复合材料与金属预埋件的胶接连接，这种方法既保留了金属件作为高效连接载体的作用，同时满足不同厚度和材质被连接件要求，此基于粘接的复合材料与金属胶接连接方法具优良疲劳性能，结构增重少以及良好的气动外形一致性，在船舶、航空以及能源化工领域的应用逐渐普及。

当前复合材料与金属的胶接连接多为平板搭接胶接，这种连接形式简单、制造容易，在工业补强和航空器损伤修补方面广泛应用，这方面的科学研究也比较充分，解析方法可以计算出单或双搭接的法向应力和剪切应力，这为工程应用提供了极大便利，然而，工程中常常有几何外形和受载极其复杂的复合材力与金属连接构件，解析方法受限，而数值方法被广泛采用，但对于搭接平板构件，由于被连接件的几何与材料物性的巨大差异，在计算连接结构的载荷反馈时，在连接的自由端，存在很大的应力集中，引起数值奇异，也带来计算的误差，因此连续介质力学的方法往往需要数值与试验相结合来实现，这个复杂的过程给其应用带来很大麻烦。断裂力学或损伤力学的方法可以解决计算过程中出现的数值问题，然而其复杂过程和预设参数也导致了工程中难以普遍采纳。

为了提高连接强度，学者们和工程师采用增加平板表面粗糙度的方法来实现增加连接强度的措施，表面粗糙度的增加貌似可以增加粘接面积，往往也带来粘接质量的降低，这也是这方面的研究得出的结论因人而异。

基于以上在平板搭架应用方面的诸多问题，本发明提出了一种梯形齿界面的复合材料金属胶接连接以及其制备方法，解决简单的平板搭接中连接强度不足以及数值奇异的问题，以期促进复合材料与金属胶接连接在更广领域的应用。

采用梯形齿界面的复合材料金属的胶接连接可以有效解决胶接层两端的应力集中以及数值仿真奇异现象，然而，粘接层法向剥离应力也是影响复合材料粘接结构性能的又一关键参数，为了最大限度提高复合材料与金属的连接强度，本发明提出了一种在梯形齿胶接基础上在胶接中部引入螺栓连接形成一种混合连接形式，这种连接既能减小胶接层的剪切应力，避免数值奇异，又能减小法向剥离应力，使得连接更为牢固。为了验证在复合材料胶接结构基础上在连接的中部引入螺栓连接的作用效果，出于模型简化的原则，本专利在平板胶接模型基础上引入了螺栓连接，并进行了连接结构的数值分析，其网格、约束以及加载条件如图1所示，复合材料与金属板厚度均为15mm，长度均为130mm，宽度均为30mm，粘接长度为50mm，粘接胶(位于两平板结合区域)厚度为3mm，，一端结点自由度全部约束(网格左侧部分)，一端加载0.5mm拉伸位移(网格右侧部分)，螺栓等效为耦合螺栓所在空间内的所有节点的自由度，使其可以在结构空间内同时移动，其中，纯胶接连接形式的数值分析结果如图2所示，胶结层剥离应力等值线图显示最大剥离应力约为35MPa，然而引入螺栓连接后，最大剥离应力减小到12MPa左右(如图3)，剥离应力显著降低，对比分析结果验证了在胶接中部引入螺栓连接的可以大幅提高胶接连接强度。

发明内容

针对现有技术的上述缺点与不足,本发明所要解决的技术问题是提供一种连接强度高、数值分析方便的复合材料与金属胶接和机械连接的混合连接结构和方法。

根据本发明的一方面，本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种复合材料/金属梯形齿混合连接结构，包括复合材料件、粘接剂层和金属件，其特征在于，所述复合材料件和金属件通过粘接剂层胶接和螺栓混合连接成一个整体，其中，

所述复合材料件和金属件均包括连接部分和远端部分，各所述连接部分均包括胶接表面和开设在胶接表面上的螺栓孔，各胶接表面上均形成有梯形齿，所述复合材料件和金属件的胶接表面上的梯形齿相互啮合，在相互啮合的所述复合材料件和金属件的胶接表面上涂敷粘接剂形成为粘接剂层，所述粘接剂层上也开设有螺栓孔；所述复合材料件、金属件和粘接剂层的螺栓孔轴线一致，通过设置螺栓紧固件使复合材料件与金属件螺栓连接。

优选地，所述螺栓紧固件包括螺栓头、螺杆和螺母，通过调节螺栓头和螺母的相对位置来实现复合材料件与金属件的螺栓连接。在胶接的基础上，进一步设置螺栓连接方式，可以有效抑制粘接剂产生过大的法向剥离应力，达到提高复合材料件与金属件连接强度的目的。所述螺栓紧固件既可以是普通六角螺栓，也可以是其它种类的螺栓或者螺钉，使其可以抑制复合材料和金属板的分离。

所述复合材料件的连接部分可以是等厚度的，也可以是非等厚度的。其中等厚度的结构件适宜采用手糊或者真空吸注等单面刚性模具成型；非等厚度的结构件适宜采用模压或树脂模塑成型等双面刚性模具成型。

所述金属件的连接部分的厚度可以根据需要通过合适金属加工工艺实现。

优选地，所述复合材料件的连接部分的胶接表面由外侧梯形齿、中间平行段以及内侧梯形齿组成，螺栓孔开设在中间平行段上，内、外侧梯形齿的方向相反，且交替成对分布。所述复合材料件的胶接表面的内、外侧梯形齿的高度、上底、下底可以根据需要调节，中间平行段长度也可以依据需要确定。

优选地，所述金属件的的连接部分的胶接表面由外侧梯形齿、中间平行段以及内侧梯形齿组成，螺栓孔开设在中间平行段，外、内侧梯形齿的方向相反，且交替成对分布。所述金属胶接表面的内、外侧梯形齿的高度、上底、下底可以根据需要调节，中间平行段长度也可以依据需要确定。

优选地，所述粘接剂层为等厚度分布，其厚度可以根据其物性来确定，推荐厚度为0.1mm-0.5mm。

优选地，所述粘接剂层包括内侧自由端、内侧梯形齿、中间平行段、外侧梯形齿和外侧自由端，在中间平行段开有螺栓孔。

优选地，所述粘接剂层的外侧梯形齿、金属件的外侧梯形齿和复合材料件的外侧梯形齿,所述粘接剂层的中间平行段、金属件的中间平行段和复合材料的中间平行段,所述粘接剂层的内侧梯形齿、金属件的内侧梯形齿和复合材料件的内侧梯形齿，粘接实现复合材料件与金属件的胶接连接；复合材料上的螺栓孔、粘接剂层上的螺栓孔以及金属件上的螺栓孔轴线一致，通过设置螺栓紧固件，实现复合材料件与金属件的螺栓连接。

所述复合材料件与金属件在长度方向的几何形状可以是直的也可以是弯曲的，且其弯曲方向一致，即同时向连接中心线内侧或外侧弯曲。

本发明的所述复合材料/金属梯形齿混合连接结构可以扩展到其它材料，不仅限于复合材料与金属，区别于各构件的制造和加工工艺。

根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题所采取的技术方法还提供了一种复合材料/金属梯形齿混合连接的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

(1)根据工程需求制造金属件，所述金属件包括连接部分和远端部分，采用机加工的方式在金属件连接部分构造带有梯形齿的胶接表面；

(2)根据工程需求，设计复合材料件的铺层与厚度，根据复合材料件和其连接部分梯形齿的几何外形设计出复合材料模具；根据复合材料件和金属件几何尺寸设计粘接工艺的对中模具；

(3)根据设计的复合材料模具，采用复合材料工艺制作等厚或不等厚的复合材料件；

(4)对金属件进行表面清洁和除锈处理，对复合材料件进行清洁处理；

(5)选择粘接剂，根据粘接剂的物性，合理调配粘接剂；

(6)将金属件放入对中模具中，在金属件胶接表面上沿一个方向均匀涂敷粘接剂，放上复合材料件，加压至设定的粘接剂厚度，小心剔除多余溢出的粘接剂；

(7)粘接剂固化后，小心剔除或打磨尚未完全清理的粘接剂残余；

(8)根据设计的尺寸，定位螺栓孔的位置，采用打孔设备在复合材料件、金属件和胶结层构成的胶接构件上开螺栓孔；

(9)插入螺杆，拧紧螺母，实现复合材料件与金属件的胶接与螺栓的混合连接；

可以按照(1)→(2)→(3)→(4)→(5)→(6)→(7)→(8)→(9)完成复合材料件与金属件的连接工序；或按照工序步骤为(1)→(2)→(3)→(8)→(4)→(5)→(6)→(7)→(9)成复合材料件与金属件的连接工序。

同现有的技术对比，本发明的复合材料/金属梯形齿混合连接结构及其制备方法具有以下显著技术效果：

1.本发明的梯形齿胶接连接原理是通过梯形齿改变了粘接层的载荷分布，使得连接剪切载荷更加平缓，在连接中部引入螺栓抑制连接件的分离能显著降低粘接剂的法向剥离应力。可以实现连接强度的大幅提升，这种技术及其制备方法可以扩展到其它材质构件的连接中。

2.本发明的复合材料/金属梯形齿混合连接应力集中大为缓解，数值分析效率更高，结果更准确。

3.在满足同等承载条件下，本发明的复合材料/金属梯形齿混合连接可以降低结构重量和制造成本。

4.本发明的复合材料/金属梯形齿混合连接采用非平板表面粘接，工程适应性更好。

附图说明

图1.平板复合材料与金属连接有限元网格图；

图2.纯胶接连接结构中胶结层剥离应力等值线分布；

图3.胶接与螺栓混合连接结构中胶结层剥离应力等值线分布；

图4.本发明专利的复合材料截面二维示意图；

图5.金属截面二维示意图；

图6.粘接剂截面二维示意图；

图7.正-负梯形齿混合连接二维图(等厚复合材料)；

图8.正-负梯形齿混合连接二维图(不等厚复合材料)；

图9.负-正梯形齿混合连接二维图(等厚复合材料)；

图10.负-正梯形齿混合连接二维图(不等厚复合材料)；

图11.螺栓紧固件截面二维示意图；

图12.板材梯形齿混合连接三维示意图；

图13.管材梯形齿混合连接示意图，其中(a)为二维图剖面图，(b)为三维图立体图。

附图标记说明：1.复合材料件，2.金属件，3.粘接剂，4.复合材料件连接部分，5.复合材料件远端部分，6.复合材料件胶接表面，7.复合材料件外侧末端，8.金属件连接部分，9.金属件远端部分，10.金属件胶接表面，11.金属件外侧末端，12.复合材料外侧梯形齿，13.复合材料中间平行段，14.复合材料内侧梯形齿，15.金属件外侧梯形齿，16.金属件中间平行段，17.金属件内侧梯形齿，18.粘接剂层外侧自由端，19.粘接剂层内外侧自由端，20.粘接剂层外侧梯形齿，21.粘接剂层中间平行段，22.粘接剂层内侧梯形齿，23.连接中心线，24.金属件中间平行段开孔，25.复合材料件中间平行段开孔，26.粘接剂层中间平行段开孔，27.螺栓紧固件，28.螺栓紧固件中的螺母，29.螺栓紧固件中的螺杆，30.螺栓紧固件中的螺栓头。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图7～10、12～13所示，本发明的复合材料/金属梯形齿混合连接结构，由复合材料件1、金属件2通过粘接剂层3胶接和在梯形齿的中间平行段使用螺栓紧固件27连接成一个整体，实现复合材料件与金属件的连接。

如图4所示，复合材料件1由连接部分4和远端部分5组成，连接部分4存在一个胶接表面6，通过粘接剂层3与金属件2连接；远端部分5可根据需要在外侧末端7向外延伸。复合材料件1的连接部分4的胶接表面6由外侧梯形齿12、中间平行段13、内侧梯形齿14以及中间平行段开孔25构成。

如图5所示，金属件2由连接部分8和远端部分9组成，连接部分8由一个胶接表面10通过粘接剂层3与复合材料件1连接；远端部分9可根据需要在外侧末端11向外延伸，金属件1的连接部分8的胶接表面10由外侧梯形齿15、中间平行段16、内侧梯形齿17以及中间平行段开孔24组成。

如图11所示，螺栓紧固件27由螺母28、螺杆29以及螺栓头30组成。如图6所示，粘接剂层3由外侧自由端18、内侧自由端19、外侧梯形齿20、外侧梯形齿22、中间平行段21以及中间平行段开孔26构成。粘接剂层3的外侧梯形齿部分18与金属件2的外侧梯形齿部分15和复合材料件1的外侧梯形齿12，粘接剂层3的中间平行段21与金属件2的中间平行段16和复合材料2的中间平行段13,粘接剂层3的内侧梯形齿部分22与金属件2的内侧梯形齿17和复合材料件1的内侧梯形齿14粘接实现复合材料件1与金属件2的胶接连接，同时粘接剂的中间平行段开孔上下分别于复合材料和金属件的中间平行段开孔对齐，保障三者开孔轴线一致，将螺杆29或螺杆29与螺栓头30组件插入开孔中，拧紧螺母，实现复合材料与金属件的螺栓连接。至此，由粘接剂和螺栓混合连接的复合材料和金属连接构件完成。

由于胶接部位的梯形齿截面存在差异，复合材料构件与成型工艺密切相关，因此，如下图7展示了复合材料/金属正-负型梯形齿混合连接,等厚复合材料；图8展示了复合材料/金属正-负型梯形齿混合连接,不等厚复合材料；图9展示了复合材料/金属负-正型梯形齿混合连接,等厚复合材料；图10展示了复合材料/金属负-正型梯形齿混合连接,不等厚复合材料。其中等厚度的结构件适宜采用手糊或者真空吸注等单面刚性模具成型；非等厚度的结构件适宜采用模压或树脂模塑成型等双面刚性模具成型。

如图12所示为一典型的复合材料板和金属板搭接胶接和螺栓连接构成的混合连接形式。

如图13所示为一典型的复合材料管和金属管胶接和螺栓连接构成的混合连接形式。

金属件2的连接部分的厚度可以根据需要通过合适金属加工工艺实现。

复合材料件1的连接部分4的胶接表面6的外侧梯形齿12、内侧梯形齿14的方向分为向里和向外两种，且交替成对分布；外侧梯形齿12、内侧梯形齿14的高度、上底、下底可以根据需要调节，中间平行段13长度也可以依据需要确定。

金属件2的连接部分8的胶接表面10的外侧梯形齿15、内侧梯形齿17的方向分为向里和向外两种，且交替成对分布。外侧梯形齿15、内外侧梯形齿17的高度、上底、下底可以根据需要调节，中间平行段16长度也可以依据需要确定。

梯形齿复合材料1与金属2胶接连接形式可以扩展到其它材料，不仅限于复合材料与金属，区别于各构件的制造工艺。

粘接剂层3为等厚度，其厚度可以根据其物性来确定，推荐厚度为0.1mm-0.5mm。

复合材料件1与金属件2在长度方向的几何形状可以是直的也可以是弯曲的，且其弯曲方向一致，即同时向连接中心线23内侧或外侧弯曲。

复合材料/金属梯形齿混合连接构件的制备方法，包括如下制备过程：

(1)采用机加工的方法在金属件2连接部分8构造梯形齿槽形成胶接表面10；

(2)根据复合材料件1和梯形齿几何外形设计出复合材料模具；根据复合材料和梯形齿几何外形设计出复合材料模具，根据复合材料和金属件几何尺寸设计粘接工艺的对中模具。

(3)采用复合材料模具，运用合适的复合材料工艺制作复合材料件1。

(4)对金属件2进行表面清洁和除锈处理，对复合材料件1进行清洁处理。

(5)选择合适的粘接剂3，根据其的物性，合理调配粘接剂。

(6)将金属件2放入对中模具中，在金属件2的胶接表面10上沿一个方向均匀涂敷粘接剂3，放上复合材料件1，加压至设定的厚度。小心剔除多余溢出的粘接剂3。

(7)待粘接剂3固化后，小心剔除或打磨掉尚未完全清理的粘接剂3残余。

(8)根据设计的尺寸，定位螺栓孔的位置，采用专业的打孔设备在胶接构件上开螺栓孔。

(9)插入螺杆，拧紧螺母，完成复合材料与金属板的螺栓的混合连接。

对于普通的搭接构件(非一起成型的构件)，可以按照(1)→(2)→(3)→(4)→(5)→(6)→(7)→(8)→(9)完成整个复合材料与金属的连接工序；同时也可以采用先分别开螺栓孔然后粘接的方法实现构件连接，其工序步骤为(1)→(2)→(3)→(8)→(4)→(5)→(6)→(7)→(9)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种复合材料/金属梯形齿混合连接结构，包括复合材料件、粘接剂层和金属件，其特征在于，所述复合材料件和金属件通过粘接剂层胶接和螺栓混合连接成一个整体，其中，

所述复合材料件和金属件均包括连接部分和远端部分，各所述连接部分均包括胶接表面和开设在胶接表面上的螺栓孔，各胶接表面上均形成有梯形齿，所述复合材料件和金属件的胶接表面上的梯形齿相互啮合，在相互啮合的所述复合材料件和金属件的胶接表面上涂敷粘接剂形成为粘接剂层，所述粘接剂层上也开设有螺栓孔；所述复合材料件、金属件和粘接剂层的螺栓孔轴线一致，通过设置螺栓紧固件使复合材料件与金属件螺栓连接。

2.根据权利要求1所述的复合材料/金属梯形齿混合连接结构，其特征在于，所述复合材料件的连接部分的胶接表面由外侧梯形齿、中间平行段以及内侧梯形齿组成，螺栓孔开设在中间平行段上，内、外侧梯形齿的方向相反，且交替成对分布。

3.根据权利要求2所述的复合材料/金属梯形齿混合连接结构，其特征在于，所述金属件的连接部分的胶接表面由外侧梯形齿、中间平行段以及内侧梯形齿组成，螺栓孔开设在中间平行段，外、内侧梯形齿的方向相反，且交替成对分布。

4.根据权利要求1所述的复合材料/金属梯形齿混合连接结构，其特征在于，所述粘接剂层为等厚度分布，其厚度可以根据其物性来确定，推荐厚度为0.1mm-0.5mm。

5.根据权利要求3所述的复合材料/金属梯形齿混合连接结构，其特征在于，所述粘接剂层包括内侧自由端、内侧梯形齿、中间平行段、外侧梯形齿和外侧自由端，在中间平行段开有螺栓孔。

6.根据权利要求5所述的复合材料/金属梯形齿混合连接结构，其特征在于，所述粘接剂层的外侧梯形齿、金属件的外侧梯形齿和复合材料件的外侧梯形齿,所述粘接剂层的中间平行段、金属件的中间平行段和复合材料的中间平行段,所述粘接剂层的内侧梯形齿、金属件的内侧梯形齿和复合材料件的内侧梯形齿，粘接实现复合材料件与金属件的胶接连接；复合材料上的螺栓孔、粘接剂层上的螺栓孔以及金属件上的螺栓孔轴线一致，通过设置螺栓紧固件，实现复合材料件与金属件的螺栓连接。

7.根据上述任一项权利要求所述的复合材料/金属梯形齿混合连接结构，其特征在于，所述复合材料件与金属件的设有梯形齿的胶接表面具有一定的粗糙度。

8.根据上述任一项权利要求所述的复合材料/金属梯形齿混合连接结构，其特征在于，所述复合材料件与金属件)，在长度方向，几何形状可以是直的也可以是弯曲的，且其弯曲方向一致，即同时向连接中心线内侧或外侧弯曲。

9.根据上述任一项权利要求所述的复合材料/金属梯形齿混合连接结构，其特征在于，所述复合材料/金属梯形齿混合连接结构可以扩展到其它材料，不仅限于复合材料与金属材质，区别在于各构件的制造和加工工艺。

10.根据上述任何一项权利要求所述的复合材料/金属梯形齿混合连接结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

(1)根据工程需求制造金属件，所述金属件包括连接部分和远端部分，采用机加工的方式在金属件连接部分构造带有梯形齿的胶接表面；

(2)根据工程需求，设计复合材料件的铺层与厚度，根据复合材料件和其连接部分梯形齿的几何外形设计出复合材料模具；根据复合材料件和金属件几何尺寸设计粘接工艺的对中模具；

(3)根据设计的复合材料模具，采用复合材料工艺制作等厚或不等厚的复合材料件；

(4)对金属件进行表面清洁和除锈处理，对复合材料件进行清洁处理；

(5)选择粘接剂，根据粘接剂的物性，合理调配粘接剂；

(6)将金属件放入对中模具中，在金属件胶接表面上沿一个方向均匀涂敷粘接剂，放上复合材料件，加压至设定的粘接剂厚度，小心剔除多余溢出的粘接剂；

(7)粘接剂固化后，小心剔除或打磨尚未完全清理的粘接剂残余；

(8)根据设计的尺寸，定位螺栓孔的位置，采用打孔设备在复合材料件、金属件和胶结层构成的胶接构件上开螺栓孔；

(9)插入螺杆，拧紧螺母，实现复合材料件与金属件的胶接与螺栓的混合连接；

可以按照(1)→(2)→(3)→(4)→(5)→(6)→(7)→(8)→(9)完成复合材料件与金属件的连接工序；或按照工序步骤为(1)→(2)→(3)→(8)→(4)→(5)→(6)→(7)→(9)成复合材料件与金属件的连接工序。