CN107696594A - 一种高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置，包括外金属管、内金属管、过渡金属管；所述外金属管、复合材料管、内金属管自外而内依次设置；所述外金属管、内金属管与复合材料管之间通过齿咬合传力和/或由预紧力产生的摩擦力传力；其中，所述外金属管与复合材料管之间设有互相咬合的齿，和或/内金属管与复合材料管之间设有互相咬合的齿；其中，预紧力通过外金属管被挤压使金属外金属套筒产生变形施加和/或内金属管挤压复合材料管产生变形施加。该连接头结构简单、成本低廉、使用方便，通过齿连接和预紧力连接配合，承载力高、抗疲劳性能差强。

Description

一种高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置
技术领域
本发明涉及复合材料连接技术领域，具体涉及一种高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置。
背景技术
复合材料具有比强度大、比刚度大的特点，因此在建筑、交通和航空航天领域得到广泛应用；然而，复合材料连接效率较低是制约该材料进一步应用的重要因素。
传统的复合材料连接方式主要有机械连接、胶连接、胶-机械混合连接以及齿连接，然而，均存在较多问题。其一，机械连接从成孔方式上可以区分为钻孔成型与编织成型两种；钻孔成型工艺破坏了纤维连续性，接头的承载力较低，一般只能应用于荷载等级较小的结构中；而编织成型的螺栓孔保持了纤维的连续性，接头强度得到显著提高，但难以将接头与大型构件一次成型。其二，胶连接虽然对构件没有任何削弱，但该连接方式对环境较为敏感，存在老化问题。其三，胶-机械混合连接中，如果螺栓与螺栓孔壁间存在间隙，胶层与螺栓不能协调工作，因此连接效率也不高。其四，齿连接在传递荷载过程中，复合材料齿端部会存在较大的剥离应力同时由于在该连接中复合材料齿都为单级齿，导致复合材料齿处应力集中的存在导致该连接效率不高以及疲劳性能差。
发明内容
技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置。
技术方案：本发明提供的一种高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置，包括外金属管、内金属管、过渡金属管；
所述外金属管、复合材料管、内金属管自外而内依次设置；
所述外金属管、内金属管与复合材料管之间通过齿咬合传力和/或由预紧力产生的摩擦力传力；
其中，所述外金属管与复合材料管之间设有互相咬合的齿，和或/内金属管与复合材料管之间设有互相咬合的齿；
其中，预紧力通过外金属管被挤压使金属外金属套筒产生变形施加和/或内金属管挤压复合材料管产生变形施加；当预紧力通过外金属管被挤压使金属外金属套筒产生变形施加时，过渡金属管设于外金属管和复合材料管之间；当复合材料管挤压内金属管产生塑性施加时，过渡金属管设于复合材料管、内金属管之间。
无论通过哪种方式对复合材料管施加预紧力，在金属管和复合材料管交界处会产生较大的剪切力，这样在施加较大预紧力时复合材料管很容易被剪坏，过渡金属管的设置可以有效的降低金属管和复合材料管交界处的剪切力，从而可以在复合材料管上施加更大预紧力，从而进一步提高接头的承载力。
作为改进，外金属管被挤压方式为：在外金属管外设置紧固装置，利用紧固装置挤压外金属管。
作为另一种改进，复合材料管挤压内金属管方式为：复合材料管、内金属管之间通过过盈配合连接。
作为另一种改进，所述齿为单级齿或多级齿；所述单级齿为直角齿、梯形齿或圆弧齿；所述多级齿为二级齿或三级齿；所述二级齿的每一级齿分别独立的为直角齿、梯形齿或圆弧齿；所述三级齿的每一级齿分别独立的为直角齿、梯形齿或圆弧齿。复合材料管与金属管咬合的齿的级数根据接头的承载力和疲劳性能进行选择。
作为另一种改进，所述外金属管、内金属管的端部通过焊接或者螺纹连接形成接头整体。传统的接头都是通过外金属套筒或者内金属套筒和复合材料管单独传力，将内外金属套筒连接成整体可以实现接头通过外金属套筒或者内金属套筒和复合材料管共同传力，从而进一步提高接头的疲劳性能。
有益效果：本发明提供的连接头结构简单、成本低廉、使用方便，通过齿连接和预紧力连接配合，承载力高、抗疲劳性能强。
具体而言，本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)承载力高：首先通过多级齿可以有效的降低复合材料齿根的应力集中，其次由于预紧力的施加可以降低齿端部的正应力和提高复合材料齿的层间剪切强度，最后内外金属管的通过齿咬合和摩擦力共同传力。基于这三个因素可以有效提高接头承载力，解决现有复合材料连接技术连接效率低的问题。对于外径为60mm的玻璃纤维管，壁厚6mm，通过该连接技术接头处可以提供90吨，而其他连接技术承载力最高可以达到50吨。
(2)疲劳性能好：通过多级齿可以有效的降低齿根应力集中从而解决现有复合材料齿连接疲劳性能差的问题。一般玻璃纤维复合材料齿连接其疲劳性能仅为复合材料材料本身的50％，而该连接方式可以达到复合材料本身疲劳寿命的80％。
(3)由于可以直接在接头外金属管上进行焊接、切削等常规操作，该连接方式不仅可以进行复合材料构件的单向连接，多向连接。
附图说明
图1为本发明高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置的结构示意图。
图2为本发明高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置的剖视图。
图3为本发明高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置的局部示意图。
图4为实施例1的单级齿的结构示意图。
图5为实施例4的单级齿的结构示意图。
图6为实施例5的单级齿的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置作出进一步说明。
实施例1
高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置，见图1至3，包括外金属管1、内金属管2、过渡金属管3；外金属管1、复合材料管4、内金属管2自外而内依次设置；外金属管1和复合材料管4之间设置相互咬合的齿；外金属管1上设有紧固装置，过渡金属管3设于外金属管1和复合材料管4之间。外金属管1与复合材料管4之间通过齿咬合传力和由预紧力产生的摩擦力传力；内金属管2与复合材料管4之间由预紧力产生的摩擦力传力；预紧力通过外金属管1被紧固装置挤压使外金属管1产生塑性变形施加。外金属管1、内金属管2的端部通过焊接或者螺纹连接形成接头整体，可以实现共同传力。
齿为单级齿；单级齿为梯形齿，见图4。
该连接头在使用时：首先在复合材料管4外表面以及外金属管1表面加工相互匹配的齿；再将外金属管1与复合材料管4进行装配，然后在复合材料管4内部设置外径与复合材料管材内径相同、刚度较大的内金属管2；再并通过挤压外金属管1的方式，使外金属管1进入塑性段从而给复合材料管4施加较大的径向压应力即预紧力；
实施例2
与实施例1基本相同，不同之处仅在于：单级齿为直角齿。
实施例3
与实施例1基本相同，不同之处仅在于：单级齿为圆弧齿。
实施例4
高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置，见图1和2，包括外金属管1、内金属管2、过渡金属管3；外金属管1、复合材料管4、内金属管2自外而内依次设置；外金属管1和复合材料管4之间分别设有互相咬合的多级齿，内金属管2与复合材料管4之间设有互相咬合的单级齿；外金属管1上通过挤压方式施加预紧力；外金属管1和复合材料管4之间，均设有过渡金属管3。外金属管1、内金属管2与复合材料管4之间均通过齿咬合传力和由预紧力产生的摩擦力传力。外金属管1、内金属管2的端部通过焊接或者螺纹连接形成接头整体，可以实现共同传力。
齿为多级齿；多级齿为二级齿，见图5；二级齿6的第一级齿为直角齿，第二级齿为直角齿。
该连接头在使用时：首先在复合材料管4内表面以及内金属管2外表面加工相互匹配的齿；再在复合材料管4外部设置内径与复合材料管4材外径相同、刚度较大的外金属管1，再将外金属管1与复合材料管4进行装配，使内金属管2进入塑性段从而给复合材料管4施加较大的径向压应力即预紧力。
实施例5
与实施例4基本相同，不同之处仅在于：二级齿6的第一级齿为直角齿，第二级齿为梯形齿。
实施例6
与实施例4基本相同，不同之处仅在于：二级齿6的第一级齿为梯形齿，第二级齿为圆弧齿。
实施例7
高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置，见图1和2，包括外金属管1、内金属管2、过渡金属管3；外金属管1、复合材料管4、内金属管2自外而内依次设置；外金属管1与复合材料管4之间设有互相咬合的齿；复合材料管4、外金属管1之间通过挤压施加预紧力；过渡金属管3设于复合材料管4、外金属管1之间。外金属管1与复合材料管4之间通过齿咬合传力和由预紧力产生的摩擦力传力，而内金属套筒2和复合材料管4之间通过摩擦传力。外金属管1、内金属管2的端部通过焊接或者螺纹连接形成接头整体，可以实现共同传力。
齿为多级齿；多级齿为三级齿，见图6；三级齿7的第一级齿为直角齿，第二级齿为直角齿，第三级齿为直角齿。
实施例8
与实施例4基本相同，不同之处仅在于：第一级齿为梯形齿，第二级齿为直角齿，第三级齿为圆弧齿。
对比例1
连接头，包括外金属管1、过渡金属管3；外金属管1套接于复合材料管4外；外金属管1和复合材料管4之间设有互相咬合的齿；外金属管1上设有紧固装置。
齿为单级齿；单级齿为梯形齿，见图3。
对比例2(无过渡金属管)
连接头，包括内金属管2、过渡金属管3；内金属管2设于复合材料管4内；内金属管2和复合材料管4之间分别设有互相咬合的齿；复合材料管4、内金属管2之间通过过盈配合连接。
齿为单级齿；单级齿为梯形齿，见图4。
对比例3(无过渡金属管)
连接头，包括外金属管1、内金属管2；外金属管1、复合材料管4、内金属管2自外而内依次设置；外金属管1和复合材料管4之间、内金属管2和复合材料管4之间分别设有互相咬合的齿；外金属管1上设有紧固装置。外金属管1、内金属管2的端部通过焊接或者螺纹连接形成接头整体，可以实现共同传力。
齿为单级齿；单级齿为梯形齿，见图4。
对比例4(无过渡金属管)
连接头，包括外金属管1、内金属管2；外金属管1、复合材料管4、内金属管2自外而内依次设置；外金属管1和复合材料管4之间、内金属管2和复合材料管4之间分别设有互相咬合的齿；复合材料管4、内金属管2之间通过过盈配合连接。外金属管1、内金属管2的端部通过焊接或者螺纹连接形成接头整体，可以实现共同传力。
齿为单级齿；单级齿为梯形齿，见图4。
测试实施例1至8、对比例1至4的产品性能。
实验方法：
(1)承载力：根据ASTMD3846-94标准进行拉伸试验
(2)抗疲劳性能：根据G/T16779-2008复合材料拉伸疲劳试验进行测试实验结果见表1
表1 实验结果

Claims (5)

1.一种高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置，其特征在于：包括外金属管(1)、内金属管(2)、过渡金属管(3)；
所述外金属管(1)、复合材料管(4)、内金属管(2)自外而内依次设置；
所述外金属管(1)、内金属管(2)与复合材料管(4)之间通过齿咬合传力和/或由预紧力产生的摩擦力传力；
其中，所述外金属管(1)与复合材料管(4)之间设有互相咬合的齿，和或/内金属管(2)与复合材料管(4)之间设有互相咬合的齿；
其中，预紧力通过外金属管(1)被挤压使金属外金属套筒(1)产生变形施加和/或内金属管(2)挤压复合材料管(4)产生变形施加；当预紧力通过外金属管(1)被挤压使金属外金属套筒(1)产生变形施加时，过渡金属管(3)设于外金属管(1)和复合材料管(4)之间；当复合材料管(4)挤压内金属管(2)产生变形施加时，过渡金属管(3)设于复合材料管(4)、内金属管(2)之间。
2.根据权利要求1所述的一种高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置，其特征在于：外金属管(1)被挤压方式为：在外金属管(1)外设置紧固装置，利用紧固装置挤压外金属管(1)。
3.根据权利要求1所述的一种高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置，其特征在于：复合材料管(4)挤压内金属管(2)方式为：复合材料管(4)、内金属管(2)之间通过过盈配合连接。
4.根据权利要求1所述的一种高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置，其特征在于：所述齿为单级齿或多级齿；所述单级齿为直角齿、梯形齿或圆弧齿；所述多级齿为二级齿(6)或三级齿(7)；所述二级齿(6)的每一级齿分别独立的为直角齿、梯形齿或圆弧齿；所述三级齿(7)的每一级齿分别独立的为直角齿、梯形齿或圆弧齿。
5.根据权利要求1所述的一种高承载、高疲劳性能的复合材料管多级齿连接装置，其特征在于：所述外金属管(1)、内金属管(2)的端部通过焊接或者螺纹连接形成接头整体。
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