CN106837986A - 一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明主要属于结构强度领域，具体涉及一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构。连接结构包括复材中空杆、主金属接头和副金属接头；主金属接头和副金属接头均为空心结构，通过自锁螺纹连接，构成中间粗、两端细的纺锤构型；复材中空杆通过将复合材料铺覆在主金属接头和副金属接头构成的纺锤型结构上固化形成，复合材料中空杆固化后,主金属接头和副金属接头通过自锁螺纹反向拧紧，使复材中空杆连接区域内部产生预紧力，防止连接结构松动并改善其疲劳性能。

Description

一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构

技术领域

本发明主要属于结构强度领域，具体涉及一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构。

背景技术

发动机吊挂为飞机主要承力部件，可以分为中央盒段、上部整流罩和后部整流罩等几部分。其中，吊挂盒段为梁式框架结构，用于连接发动机和机翼，如图1所示。对于超静定结构的吊挂盒段来说，下连杆一般用于连接吊挂和机翼下翼面，主要传递发动机推力，承受拉压载荷。传统飞机设计下连杆方案多采用金属连杆+金属接头一体机加成型，所用材料包括钛合金和高强钢，具体方案需要依据机型设计特点、要求以及供应商制造能力来确定。对于翼吊发动机飞机，相比于吊挂传统下连杆设计，复合材料中空杆+金属接头的设计方案可以减重35％～80％，潜在效益巨大。目前，波音787飞机吊挂下连杆已采用复合材料设计方案，接头采用钛合金，获得了良好的使用效果。

复合材料结构与金属结构的连接形式通常包含胶接和机械连接。由于该连杆传递载荷较高，因此胶接连接无法满足要求；若采用机械连接(图2)，由于复合材料中空杆的可达性较差，只能采用铆钉进行单面安装，装配性和可检性方面也存在较多问题。

复材连杆与金属接头之间的连接是吊挂复合材料下连杆设计的关键和难点所在。目前，航空类复合材料结构件多是平面或者大曲面类板结构，对于这类结构，无论是设计分析方法还是制造工艺都已经成熟。但是对于杆类复合材料结构研究甚少，特别是能够承受巨大拉压载荷的杆类结构，更是缺乏可供参考的设计分析方法和制造工艺。如何在设计以及制造工艺上，突破复合材料连杆与金属接头之间的连接技术，是完成复合材料连杆设计与验证的关键一环。

波音公司于1984复材杆与金属接头之间的拉伸载荷转化为hoop载荷，也即90°的碳纤维tension载荷，压缩载荷通过复材与金属的接触面传递。Rolls-Royce公司于2014年提出了一种复合材料涡轮轴与金属接头的连接方案。该方案设计了花键形式的内、外金属接头，将复材预浸料铺贴到内金属接头上，而后连接外金属接头将复材压实到花键中，从而传递扭矩。

对于波音公司专利方案，其传递压缩载荷时存在明显不足，复材面外性能较差，若通过复材截面与金属接头的接触来传递压缩载荷，很容易导致复材的压溃，从而造成结构失效。另外该方案也没有考虑复材吸湿老化可能导致的结构松弛问题。对于Rolls-Royce公司专利方案，其主要为传扭轴设计，传递拉压载荷能力不足。

需要解决的技术问题主要包括以下2点：(1)简洁、有效地将复材中空杆的拉压载荷传递到金属接头；(2)考虑制造、材料老化和疲劳等方面的因素，防止复材中空杆与金属接头连接结构产生间隙。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构。将金属接头设计成中间粗、两端细的纺锤形，复合材料中空杆在纺锤形金属接头上固化成型，达到复材中空杆和金属接头连接的目的；金属接头分为主金属接头和副金属接头，两者之间通过自锁螺纹连接。复合材料中空杆固化后通过自锁螺纹反向拧紧(即互相分离的趋势)，使复材中空杆连接区域内部产生预紧力，防止连接结构松动并改善其疲劳性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构，所述连接结构包括复材中空杆1、主金属接头2和副金属接头3；主金属接头2和副金属接头3均为空心结构，通过自锁螺纹4连接，构成中间粗、两端细的纺锤构型；复材中空杆1可通过将复合材料铺覆在主金属接头2和副金属接头3构成的纺锤型结构上固化形成；自锁螺纹(4)连接主金属接头(2)和副金属接头(3)同时使复材中空杆连接区域内部产生预紧力；纺锤构型由粗向细变化部分的截面为梯形，两梯形的夹角由连接结构截面需要承载的载荷大小来设置。

进一步地，所述主金属接头可分划为五部分，

所述五部分分别为第一圆柱体、第一圆锥体、第二圆柱体、第二圆锥体和第三圆柱体；第二圆柱体的两端分别与第一圆锥体直径较大一端和第二圆锥体直径较大一端相连，

第一圆锥体直径较小一端与第一圆柱体相连，第二圆锥体直径较小一端与第三圆柱体相连；

第一圆锥体直径的最小直径与第一圆柱体的直径相同、第二圆锥体直径的最小直径与第三圆柱体的直径相同，第二圆锥体直径的最大直径与第二圆柱体的直径相同，第一圆锥体直径的最大直径大于第二圆柱体的直径；所述第二圆柱体和第三圆柱体的外表面设置有螺纹；

所述直径包括内径和外径。

进一步地，所述副金属接头3可分划为三部分，所述三部分包括第四圆柱体、第三圆锥体和第五圆柱体；第三圆锥体直径较大一端与第四圆柱体相连，第三圆锥体直径较小一端与第五圆柱体相连；第三圆锥体的内经与第二圆锥体的外径相同，第四圆柱体的内径与第第二圆柱体的外径相同，第五圆柱体的内径与第三圆柱体的外径相同；所述第四圆柱体和第五圆柱体的外表面设置有螺纹；副金属接头3的螺纹与主金属接头的螺纹形匹配，形成自锁螺纹4，副金属接头3相应的套在主金属接头2上，并通过自锁螺纹4连接。

进一步地，所述第四圆柱体的长度较第二圆柱体的长度小1-10mm，便于主金属接头2和副金属接头3的安装。

进一步地，第一圆锥体与第二圆锥体的纵截面为梯形，两梯形斜边与竖直面夹角分别为θ1和θ2，根据所述连接结构截面需要承载的载荷大小来设置θ1和θ2；计算公式如下：

P＝40π·tanθ·z·E₂·[ln90-ln(90-tanθ·s)]；

其中，P，金属接头所受载荷，单位为kN；E₂为复材的环向模量，z为金属接头受力后的移动距离；x为连接结构截面的坐标。

进一步地，复合材料中空杆固化后通过自锁螺纹反向拧紧，使复材中空杆连接区域内部产生预紧力，防止连接结构松动并改善其疲劳性能。

进一步地，主金属接头2外表面进行毛化处理，用于增大与复材中空杆1内表面之间的摩擦系数，避免两者之间的转动。

进一步地，主金属接头2和副金属接头3连接后，第一圆柱体的另一端连接一芯模构成复材阳模，芯模为外径与第一圆柱体外径相同的圆柱体；将预浸复合材料铺覆在所述复材阳模上，加热固化使复材中空杆1成形，将芯模与第一圆柱体分离，得到连接的复材中空杆1与金属接头。

进一步地，所述复合中空秆在各截面的纤维方向含量相同或不同。

进一步地，所述金属接头的材质为钛金属合金，主金属接头2和副金属接头3各自一体成型。

进一步地，所述复合中空秆的材质为由单向预浸料按一定铺层比例铺覆的复合材料结构。

本发明的有益技术效果：本发明避免了机械连接带来的复杂性、可达性等方面的不利因素，能够将复材中空杆的拉压载荷有效传递到金属接头，且解决了可能出现的复材中空杆与金属接头之间的松弛问题。

附图说明

图1、本发明实施例连接结构示意图；

图2、本发明实施例连接结构截面示意图；

图3、本发明实施例连接结构受力分析示意图；

图中：1.复合材料中空杆、2.主金属接头、3.副金属接头、4.自锁螺纹、201.第一圆柱体、202.第一圆锥体、203.第二圆柱体、204.第二圆锥体、205.第三圆柱体、301.第四圆柱体、302.第三圆锥体、303.第五圆柱体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构，如图1所示，所述连接结构包括复材中空杆1、主金属接头2和副金属接头3；主金属接头2和副金属接头3均为空心结构，通过自锁螺纹4连接，构成中间粗、两端细的纺锤构型；复材中空杆1可通过将复合材料铺覆在主金属接头2和副金属接头3构成的纺锤型结构上固化形成。

如图2所示，所述主金属接头可分划为五部分，主金属接头各部分之间无特别长度关系，仅取决于各零件之间的配合。

所述五部分分别为第一圆柱体201、第一圆锥体202、第二圆柱体203、第二圆锥体204和第三圆柱体205；第二圆柱体的两端分别与第一圆锥体直径较大一端和第二圆锥体直径较大一端相连，

第一圆锥体直径较小一端与第一圆柱体相连，第二圆锥体直径较小一端与第三圆柱体相连；

第一圆锥体直径的最小直径与第一圆柱体的直径相同、第二圆锥体直径的最小直径与第三圆柱体的直径相同，第二圆锥体直径的最大直径与第二圆柱体的直径相同，第一圆锥体直径的最大直径大于第二圆柱体的直径；所述第二圆柱体和第三圆柱体的外表面设置有螺纹；

所述直径包括内径和外径。

所述副金属接头3可分划为三部分，所述三部分包括第四圆柱体301、第三圆锥体302和第五圆柱体303；第三圆锥体直径较大一端与第四圆柱体相连，第三圆锥体直径较小一端与第五圆柱体相连；第三圆锥体的内经与第二圆锥体的外径相同，第四圆柱体的内径与第第二圆柱体的外径相同，第五圆柱体的内径与第三圆柱体的外径相同；所述第四圆柱体和第五圆柱体的外表面设置有螺纹；副金属接头3的螺纹与主金属接头的螺纹形匹配，形成自锁螺纹4，副金属接头3相应的套在主金属接头2上，并通过自锁螺纹4连接。

所述第四圆柱体的长度较第二圆柱体的长度小1-10mm，便于主金属接头2和副金属接头3的安装。

第一圆锥体与第二圆锥体的纵截面为梯形，两梯形斜边与竖直面夹角分别为θ1和θ2，根据所述连接结构截面需要承载的载荷大小来设置θ1和θ2；如图3所示，计算公式如下：

P＝40π·tanθ·z·E₂·[ln90-ln(90-tanθ·s)]；

其中，P，金属接头所受载荷，单位为；E₂为复材的环向模量，z为金属接头受力后的移动距离；x为连接结构截面的坐标。

复合材料中空杆固化后，主金属接头和副金属接头通过自锁螺纹反向拧紧，使复材中空杆连接区域内部产生预紧力，防止连接结构松动并改善其疲劳性能。

主金属接头2外表面进行毛化处理，用于增大与复材中空杆1内表面之间的摩擦系数，避免两者之间的转动。

主金属接头2和副金属接头3连接后，第一圆柱体的另一端连接一芯模构成复材阳模，芯模为外径与第一圆柱体外径形同的圆柱体；将预浸复合材料铺覆在所述复材阳模上，加热固化使复材中空杆1成形，将芯模与第一圆柱体分离，得到连接的复材中空杆1与金属接头。芯模长度与复合材料中空杆的长度相关，根据实际应用情况而定。

所述复合中空秆在各截面的纤维方向含量相同或不同。

所述金属接头的材质为钛金属合金，主金属接头2和副金属接头3各自一体成型。

上述连接结构可应用于翼吊发动机吊挂复合材料下连杆与端部金属接头之间的连接结构。

连接结构受力分析如下：

已知：复材管外径200mm，内径160mm；

设：复材管收紧段的长度为s，收紧后的直径为d；内部钛合金向下运动距离为z，假设没有摩擦力的存在；复材杆轴向模量为E1，环向模量为E2；钛合金假设为刚硬。

复材杆拐角

对于坐标为x的截面：

初始半径为：90-tanθ·x

当前半径为：90-tanθ·(x-z)

半径增量为：90-tanθ·(x-z)-90+tanθ·x＝tanθ·z

周长变量为：2π·tanθ·z

环向应变为：(z为小量，忽略)

环向应力为：

对于任一截面，总载荷为：

从另一个角度分析，复材管的环向载荷来自于内部钛合金与复材管之间的相互作用F。F沿水平方向的分量为f2，则：

f1的合力即为钛合金所受载荷P

P＝40π·tanθ·z·E₂·[ln90-ln(90-tanθ·s)]

算例：

设d＝120mm，s＝150mm，z＝2mm，复材E2＝80GPa，则：

tanθ＝0.2；

P＝1629.6kN。

Claims (10)

1.一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构，其特征在于，所述连接结构包括复材中空杆(1)、主金属接头(2)和副金属接头(3)；主金属接头(2)和副金属接头(3)均为空心结构，通过自锁螺纹(4)连接，构成中间粗、两端细的纺锤构型；复材中空杆(1)可通过将复合材料铺覆在主金属接头(2)和副金属接头(3)构成的纺锤型结构上固化形成；自锁螺纹(4)连接主金属接头(2)和副金属接头(3)同时使复材中空杆连接区域内部产生预紧力；纺锤构型由粗向细变化部分的截面为梯形，两梯形的夹角由连接结构截面需要承载的载荷大小来设置。

2.如权利要求1所述一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构，其特征在于，两梯形斜边与竖直面夹角分别为θ1和θ2，根据所述连接结构截面需要承载的载荷大小来设置θ1和θ2；计算公式如下：P＝40π·tanθ·z·E₂·[ln90-ln(90-tanθ·s)]；

其中，P，金属接头所受载荷，单位为kN；E₂为复材的环向模量，z为金属接头受力后的移动距离；x为连接结构截面的坐标。

3.如权利要求1所述一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构，其特征在于，复合材料中空杆固化后通过自锁螺纹反向拧紧，使复材中空杆连接区域内部产生预紧力，防止连接结构松动并改善其疲劳性能。

4.如权利要求1所述一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构，其特征在于，所述主金属接头包括五部分；

所述五部分分别为第一圆柱体、第一圆锥体、第二圆柱体、第二圆锥体和第三圆柱体；

第二圆柱体的两端分别与第一圆锥体直径较大一端和第二圆锥体直径较大一端相连，第一圆锥体直径较小一端与第一圆柱体相连，第二圆锥体直径较小一端与第三圆柱体相连；

第一圆锥体直径的最小直径与第一圆柱体的直径相同、第二圆锥体直径的最小直径与第三圆柱体的直径相同，第二圆锥体直径的最大直径与第二圆柱体的直径相同，第一圆锥体直径的最大直径大于第二圆柱体的直径；所述第二圆柱体和第三圆柱体的外表面设置有螺纹；

所述直径包括内径和外径。

5.如权利要求4所述一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构，其特征在于，所述副金属接头(3)包括三部分；

所述三部分包括第四圆柱体、第三圆锥体和第五圆柱体；

第三圆锥体直径较大一端与第四圆柱体相连，第三圆锥体直径较小一端与第五圆柱体相连；

第三圆锥体的内径与第二圆锥体的外径相同，第四圆柱体的内径与第二圆柱体的外径相同，第五圆柱体的内径与第三圆柱体的外径相同；所述第四圆柱体和第五圆柱体的外表面设置有螺纹；

副金属接头(3)的螺纹与主金属接头的螺纹形匹配，形成自锁螺纹(4)，副金属接头(3)相应的套在主金属接头(2)上，并通过自锁螺纹(4)连接。

6.如权利要求5所述一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构，其特征在于，所述第四圆柱体的长度较第二圆柱体的长度小1-10mm，便于主金属接头(2)和副金属接头(3)的安装。

7.如权利要求1-6任一所述一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构，其特征在于，主金属接头(2)外表面进行毛化处理，用于增大与复材中空杆(1)内表面之间的摩擦系数，避免两者之间的转动。进一步地，主金属接头(2)和副金属接头(3)连接后，第一圆柱体的另一端连接一芯模构成复材阳模，芯模为外径与第一圆柱体外径形同的圆柱体；将预浸复合材料铺覆在所述复材阳模上，加热固化使复材中空杆(1)成形，将芯模与第一圆柱体分离，得到连接的复材中空杆(1)与金属接头。

8.如权利要求1-6任一所述一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构，其特征在于，所述复合中空杆在各截面的纤维方向含量相同或不同。

9.如权利要求1-6任一所述一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构，其特征在于，所述金属接头的材质为钛金属合金，主金属接头(2)和副金属接头(3)各自一体成型。

10.如权利要求1-6任一所述一种复合材料中空杆与金属接头的连接结构，其特征在于，所述复合中空秆的材质为由单向预浸料按一定铺层比例铺覆的复合材料。