CN107901518B - 一种带金属柔性接头的l型复合材料夹芯板连接结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种带金属柔性接头的L型复合材料夹芯板连接结构。包括泡沫夹芯复合材料板、金属连接件，金属连接件的预埋金属板部分嵌入在夹芯泡沫和复合材料板之间，使用一体化成型技术，使复合材料夹芯板与金属连接件固化在一起。本发明使用了可调节的柔性接头，可有效降低装配应力，实现柔性装配；预埋金属板设计为燕尾结构，有效减少金属板与复合材料板连接处的集中应力；连接处采用圆弧形设计，提高了抗弯刚度；采用共固化技术，避免了复合材料开口等，保证了复合材料板的完整性；金属连接件中预留了较大的空间，便于一些管线的铺设以及后续维护。本发明适合大型结构中复合材料夹芯板与其他结构之间的机械连接。
Description
技术领域
本发明涉及用于大型结构中复合材料夹芯板与其他结构之间的机械连接领域，具体涉及一种带金属柔性接头的L型复合材料夹芯板连接结构。
背景技术
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度1100℃高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。与一般工程材料相比,纤维增强树脂基复合材料强度和刚度各向异性、层间强度较低且延性较小,并且复合材料在固化时会产生固化变形，从而造成装配困难，甚至无法完成装配。另外，由于装配应力的存在，会显著降低接头的使用寿命，因此研发一种可有效降低装配应力的柔性接头就显得尤为重要。目前复合材料夹芯结构以其良好的拓扑优化性在航空、航天、船舶工业中广泛应用,复合材料夹芯板与其它结构的连接方式有胶接、机械连接和混合连接；接头形式有对接、搭接、支撑连接等。复合材料的成型方法按基体材料不同各异。树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。后者是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等、陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。
复合材料夹芯板的连接通常用于船舶的船体和上层建筑等。通常，复合材料夹芯板的连接是通过一个完整的金属接头，将复合材料板搭接或插入金属接头凹槽，使用胶黏剂将金属接头与复合材料夹芯板结合在一起。虽然胶接连接承剪能力很强,但抗剥离能力很差。胶接的复合材料接头在承受法向力和剥离力时,由于粘接剂承载能力弱,对于这两种载荷承载能力不足,极易出现脱胶及层压板的分层,最终影响密闭性与承力特性,同时由于胶接损伤不易及时发现,因此容易出现较为突然的灾难性破坏,造成重大损失。
由于可靠性高、便于重复拆装等优点,机械连接逐渐成为一种最常用的连接方式，现阶段复合材料的机械连接主要可以分为铆接和螺栓连接。但是，铆接和螺栓连接都会对复合材料板的完整性造成破坏，从而造成应力集中。另外，由于复合材料各向异性的特点，在连接部位应力集中的情况相对各向同性材料应力集中更加严重，而且影响复合材料连接强度的因素也比较多，比如铺层方式、载荷方向和环境影响等，且失效模式多种多样，很难准确地对其进行强度预测。
如何能在不增加整体重量的前提下，有效地降低装配应力、提高连接部位的连接强度和效率成为本发明的研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种装配应力小、抗弯性能好、空间利用率高的一种带金属柔性接头的L型复合材料夹芯板连接结构。针对传统正交复合材料连接结构中存在的一些不足，给出了一种采用复合材料夹芯板与金属连接件共固化成型的新型连接方式与方法。
本发明的目的是这样实现的：本发明为一种带金属柔性接头的L型复合材料夹芯板连接结构，具体包括一个圆弧伸出结构的带金属柔性接头的复合材料夹芯板和一个圆弧支撑结构的带金属柔性接头的复合材料夹芯板；圆弧伸出结构的带金属柔性接头的复合材料夹芯板由一个带金属柔性接头的圆弧型伸出结构金属连接件、复合材料层合板、夹芯泡沫、预留金属板构成；圆弧支撑结构的带金属柔性接头的复合材料夹芯板由一个带金属柔性接头的圆弧支撑结构的金属连接件、复合材料层合板、夹芯泡沫、预留金属板构成；两个夹芯板的金属连接件部分通过焊接和胶接的方式连接在一起。
所述的带金属柔性接头的圆弧型伸出结构金属连接件具体包括：带金属柔性接头的圆弧型伸出结构金属连接件由金属连接件和柔性接头组成；所述的金属连接件的剖面下部分为倒梯形，梯形的长边一端连有圆弧状金属连接件和直角三角形结构，直角三角形突出角为焊缝处，另一端连有金属柔性接头；与复合材料夹芯板接触的金属连接件表面为燕尾型斜面，燕尾型斜面插入泡沫芯层中。
所述的带金属柔性接头的圆弧支撑结构的金属连接件具体包括：带金属柔性接头的圆弧支撑结构的金属连接件由金属连接件和柔性接头组成；所述的金属连接件的剖面下部分为倒梯形，梯形的长边连有扇型金属连接件，金属柔性接头位于倒梯形与扇形形成的直角处，倒梯形与扇形形成的另一边直角为焊缝处；与复合材料夹芯板接触的金属连接件表面为燕尾型斜面，燕尾型斜面插入泡沫芯层中；金属柔性接头和伸出金属连接件的扇形圆周角出安装有橡胶垫片，金属柔性接头与橡胶垫片构成塔接接头。
所述的预留金属板具体包括：预留金属板与金属连接头、复合材料板形成的直角连接处相连，靠近金属连接头的预留金属板的一端厚度最大，厚度随远离金属接头逐渐变薄，预留金属板呈楔形；在一体化成型前对金属板进行等间距打孔，复合材料板在穿孔处形成钉型凸起。
所述的复合材料夹芯板具体包括：复合材料夹芯板由复合材料层合板、夹芯泡沫、金属连接件组成，按照复合材料层合板、金属连接件和夹芯泡沫、复合材料层合板的顺序加热固化一体成型；复合材料层合板前端剖面为斜面，所述的斜面与金属连接件燕尾型斜面相连，复合材料层合板前端斜面与金属连接件燕尾型斜面长度相同。
带金属柔性接头的圆弧型伸出结构金属连接件与带金属柔性接头的圆弧支撑结构的金属连接件的圆弧连接处和支撑处用胶接方式连接；在带金属柔性接头的圆弧型伸出结构金属连接件和带金属柔性接头的圆弧支撑结构的金属连接件的焊缝处进行焊接。
本发明的优点在于：使用加热共固化技术一体成型，在同等条件下，其抗弯性能优于使用螺栓连接的结构件，而且制造步骤少，易于成型；两个金属连接件的柔性接头通过调整，可以在装配时减少装配应力，使用橡胶垫片可以有效减少柔性接头的摩擦及相对位移；连接件的弧形支撑设计，有效的减少了应力集中，增加了抗弯性能；采用复合材料夹芯板和中空接头，不仅没有降低结构性能，而且大大减轻了结构质量，并且中空接头方便一些管线的铺设及后续维护；两个金属连接件搭接在一起，然后使用胶接、焊接加固，既降低了装配应力，又保证了连接强度。
附图说明
图1为一种带金属柔性接头的L型复合材料夹芯板连接结构的结构示意图；
图2为一种带金属柔性接头的L型复合材料夹芯板连接结构的装配结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：
金属连接件的预埋金属板部分嵌入在夹芯泡沫和复合材料板之间；使用一体化成型技术，使复合材料夹芯板与金属连接件固化在一起；两个金属连接件的结构不同；将两个金属连接件搭接在一起，然后使用胶接、焊接加固。金属连接件的预埋金属板部分嵌入在夹芯泡沫和复合材料板之间，使用共固化楔形技术。金属连接件的预埋金属板部分，金属板表面有设计好的穿孔，使复合材料板在穿孔处形成钉型凸起，增加连接强度。与复合材料夹芯板接触金属连接件表面，设计为燕尾型斜面，减少预埋金属板与复合材料板之间的应力集中。
在柔性接头和金属连接件易摩擦区域，增加橡胶垫片。为减少装配应力，采用柔性接头。在弧形和支撑处采用焊接连接方式，确保了结构的完整性，不会产生多余应力集中现象。
结合图1和图2做进一步说明，复合材料层合板一(1)、夹芯泡沫(2)、复合材料层合板二(3)、金属连接件一(6)共固化成了带金属接头的复合材料夹芯板A，金属连接件二(9)、复合材料层合板三(12)、夹芯泡沫(13)、复合材料层合板四(14)共固化成了带金属柔性接头的复合材料夹芯板B。柔性接头一(16)、柔性接头二(17)与橡胶垫片组成了搭接接头。在带金属柔性接头的圆弧型伸出结构金属连接件一(6)与带金属柔性接头的圆弧支撑结构的金属连接件二(9)的圆弧连接处和支撑处用胶接方式连接；在带金属柔性接头的圆弧型伸出结构金属连接件一(6)的焊接处(15a)和带金属柔性接头的圆弧支撑结构的金属连接件的焊接处(15b)进行焊接。
本发明的制作过程如下：将金属板剪裁好焊接成金属连接件一(6)与金属连接件二(9)的结构，并且对金属结构件预埋金属板部分(4)、(11)按照设计的穿孔分布进行打孔。在夹芯泡沫(2)、(13)靠近金属连接件一(6)与金属连接件二(9)的部分设计相应的沟槽，方便树脂的流通。然后按照玻璃纤维、预埋金属板、泡沫、玻璃纤维顺序排列，与环氧树脂一次模压成型，使用加热共固化技术一体成型，在同等条件下，其抗弯性能优于使用螺栓连接的结构件，而且制造步骤少，易于成型；得到带金属柔性接头的复合材料夹芯板A、B后，在带金属柔性接头的复合材料夹芯板A的顶端和柔性接头处(16)粘结橡胶，这样可以减少金属板之间的摩擦损耗和相对位移。在金属连接件一(6)与金属连接件二(9)的圆弧连接处用胶接方式连接，可以保证连接处的密封性，防止水和空气对接头的腐蚀，同时可以弥补纯机械连接的不足,增加抗剪切能力。在金属连接件一(6)与金属连接件二(9)的支撑处用胶接方式连接，可以保证连接处的密封性，防止水和空气对接头的腐蚀，同时可以弥补纯机械连接的不足,增加抗剪切能力。在金属连接件一(6)的焊接处(8a)与金属连接件二(9)的焊接处(8b)进行焊接，提供足够的承载能力，而且避免了螺栓连接带来的额外的应力集中。在金属连接件一(6)的焊接处(15a)与金属连接件二(9)的焊接处(15b)进行焊接，提供足够的承载能力，而且避免了螺栓连接带来的额外的应力集中。柔性接头一(16)、柔性接头二(17)与橡胶垫片(18)组成了搭接接头，由于柔性接头二(17)是有一定的弹性，因此可以降低装配时产生的机械应力。
Claims (6)
1.一种带金属柔性接头的L型复合材料夹芯板连接结构，具体包括一个圆弧伸出结构的带金属柔性接头的复合材料夹芯板和一个圆弧支撑结构的带金属柔性接头的复合材料夹芯板；圆弧伸出结构的带金属柔性接头的复合材料夹芯板由一个带金属柔性接头的圆弧型伸出结构金属连接件、复合材料层合板、夹芯泡沫、预留金属板构成；圆弧支撑结构的带金属柔性接头的复合材料夹芯板由一个带金属柔性接头的圆弧支撑结构的金属连接件、复合材料层合板、夹芯泡沫、预留金属板构成；两个夹芯板的金属连接件部分通过焊接和胶接的方式连接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种带金属柔性接头的L型复合材料夹芯板连接结构，其特征在于，带金属柔性接头的圆弧型伸出结构金属连接件由金属连接件和金属柔性接头组成；所述的金属连接件的剖面下部分为倒梯形，梯形的长边一端连有圆弧状金属连接件和直角三角形结构，直角三角形突出角为焊缝处，另一端连有金属柔性接头；与复合材料夹芯板接触的金属连接件表面为燕尾型斜面，燕尾型斜面插入泡沫芯层中。
3.根据权利要求1所述的一种带金属柔性接头的L型复合材料夹芯板连接结构，其特征在于，带金属柔性接头的圆弧支撑结构的金属连接件由金属连接件和金属柔性接头组成；所述的金属连接件的剖面下部分为倒梯形，梯形的长边连有扇型金属连接件，金属柔性接头位于倒梯形与扇形形成的直角处，倒梯形与扇形形成的另一边直角为焊缝处；与复合材料夹芯板接触的金属连接件表面为燕尾型斜面，燕尾型斜面插入泡沫芯层中；金属柔性接头和伸出金属连接件的扇形圆周角处安装有橡胶垫片，金属柔性接头与橡胶垫片构成搭接接头。
4.根据权利要求1所述的一种带金属柔性接头的L型复合材料夹芯板连接结构，其特征在于，预留金属板与金属连接件、复合材料层合板形成的直角连接处相连，靠近金属连接件的预留金属板的一端厚度最大，厚度随远离金属连接件逐渐变薄，预留金属板呈楔形；在一体化成型前对金属板进行等间距打孔，复合材料层合板在穿孔处形成钉型凸起。
5.根据权利要求1所述的一种带金属柔性接头的L型复合材料夹芯板连接结构，其特征在于，按照复合材料层合板、金属连接件和夹芯泡沫、复合材料层合板的顺序加热固化一体成型；复合材料层合板前端剖面为斜面，所述的斜面与金属连接件燕尾型斜面相连，复合材料层合板前端斜面与金属连接件燕尾型斜面长度相同。
6.根据权利要求1所述的一种带金属柔性接头的L型复合材料夹芯板连接结构，其特征在于：带金属柔性接头的圆弧型伸出结构金属连接件与带金属柔性接头的圆弧支撑结构的金属连接件的圆弧连接处和支撑处用胶接方式连接；在带金属柔性接头的圆弧型伸出结构金属连接件和带金属柔性接头的圆弧支撑结构的金属连接件的焊缝处进行焊接。
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