CN110230630A - 一种用于复合材料或复合材料与金属的连接结构及连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于复合材料或复合材料与金属的连接结构及连接方法，所述连接结构包括安装在连接系统内部安装孔处的膨胀套、穿过膨胀套实现与螺母连接的螺栓以及螺母本身。采用本发明所述的连接结构对复合材料进行连接，由于所述螺栓、膨胀套和螺母采用特定结构及不同材料，可解决复合材料构件无法实现直接过盈连接的问题，复合材料压缩强度低的问题、连接系统防松问题、连接系统适应厚度在一定范围内变化的问题，能提高连接的稳定性和可靠性，并具有结构简单，重量轻，连接可靠，装配使用方便，防腐及装配工艺性好的优点，适用于复合材料结构或复合材料与金属复合结构以及其他类似结构的连接。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料使用及机械结构连接与防松技术领域，具体地说是一种用于复合材料或复合材料与金属的连接结构及连接方法。
背景技术
复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。随着科技的发展，新材料和新结构的不断涌现，复合材料的综合应用得到了很大发展。复合材料以其结构具有可设计性、高的比强度、高的模量等优点，在很多领域被广泛应用，特别是在对结构重量控制要求越来越高的航空航天领域，获得了越来越广泛的运用，人们已经发展了全复合材料飞机，而复合材料回收再利用的研究也取得了相应进展。先进复合材料不仅用作结构材料，还用作功能材料如梯度复合材料、机敏复合材料、仿生复合材、隐身复合材料等，最近还出现了能在结构受到损伤后轻易实现自我修复的复合材料。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模已经成为衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。由于大多数复合材料层间强度和压缩强度低、抗冲击性差，所以不能采用需要附加冲击力的直接过盈连接。为了解决这个问题，人们一直没有停止过相关研究。因此，设计一种应用于复合材料结构或复合材料—金属复合结构之间的连接结构及连接方法，具有十分重要的作用。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种结构简单、连接可靠的连接结构及连接方法，保证连接系统在形成预期预紧力的同时形成预期的径向过盈量，解决复合材料构件无法实现直接过盈连接的问题、提高连接系统的抗疲劳性能，具体地说是一种用于复合材料或复合材料与金属的连接结构及连接方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种用于复合材料或复合材料与金属的连接结构，所述连接结构包括有安装在连接系统内部安装孔处的膨胀套，以及通过膨胀套实现相互连接的螺栓和螺母；所述螺栓由头部、光杆部和尾部构成一体结构，所述光杆部设置为从头部至尾部逐渐缩小的圆锥形结构；所述膨胀套由端部和套杆部构成一体结构，在所述端部和套杆部中设有相互贯通的沉孔和内锥孔，其中所述端部内的沉孔与所述螺栓的头部相匹配，并能容纳所述螺栓的头部，所述套杆部中的内锥孔设置为由端部向尾部逐渐缩小的内圆锥形结构，所述内锥孔的长度不超过所述螺栓中光杆部的长度；所述螺母由功能部和工艺部构成一体结构，所述功能部包括有连接段和收口段，所述工艺部包括有断颈槽和外扳拧段，所述螺栓和螺母之间通过螺栓穿过膨胀套，并与螺母的连接段通过螺纹连接。
进一步地，本发明所述的一种用于复合材料或复合材料与金属的连接结构，其中所述螺栓采用钛合金材料加工为一体结构，并对所述螺栓表面进行耐蚀性润滑表面处理，所述膨胀套采用奥氏体不锈钢材料加工为一体结构，所述螺母采用铝合金材料加工为一体结构，并进行阳极氧化处理。
进一步地，本发明所述的一种用于复合材料或复合材料与金属的连接结构，其中在所述螺栓的尾部沿其轴向设有扳拧孔，通过扳拧孔实现螺栓的尾部与螺母的功能部可同侧进行扳拧，满足单面装配操作或有限空间装配需要。
进一步地，本发明所述的一种用于复合材料或复合材料与金属的连接结构，其中在所述螺母的连接段中还设有垫圈结构，所述垫圈结构设置于连接段的端面处。
本发明还提出了上述连接结构的连接方法，所述连接方法包括以下步骤：
(1)、加工安装孔：在待连接的连接系统中加工与膨胀套相匹配的安装孔；
(2)、安装膨胀套：将膨胀套入到连接系统中的安装孔内，使安装孔与膨胀套(2)的外径之间形成间隙配合；
(3)、安装螺栓：将螺栓装入膨胀套内，并使螺栓的头部位于膨胀套中端部所设置的沉孔内，其尾部穿过膨胀套中套杆部所设置的内锥孔；
(4)、安装螺母：将螺母装配到螺栓的尾部，通过螺栓尾端所设置的扳拧孔和螺母工艺部扳拧段相互配合，将螺母拧到螺栓上；
(5)、固定连接：在外力作用下，将螺母逐步拧紧时，使螺栓中呈圆锥形结构的光杆部在外力作用下，迫使所述膨胀套中为内锥孔部分的圆锥段逐步产生形变胀大；当螺母中工艺部的外扳拧段从断颈槽处拧断时，使连接系统达到预期预紧力，同时使膨胀套径向膨胀达到预期的过盈量，使螺母功能部与螺栓的尾部固定在一起，形成一体，即完成对连接系统的连接。
进一步地，本发明所述的连接方法，其中在安装螺母过程中，在所述螺母的垫圈结构中还设置相应的垫圈，通过所设置的垫圈与螺母合，可实现连接结构对夹层厚度在一定范围内变化适应性的连接系统连接。
采用本发明所述的一种用于复合材料或复合材料与金属的连接结构及连接方法，与现有技术相比，其有益效果在于：由于在待连接的连接系统中加工有与膨胀套相匹配的安装孔，通过膨胀套可以实现螺栓和螺母之间相连接，同时，所述螺栓、膨胀套和螺母分别采用不同的材料，不仅能满足连接强度要求，还可以将整体的结构重量减至最低。采用本发明所述的连接结构进行连接，可以保证连接系统在形成预期预紧力的同时，形成预期的径向过盈量，解决复合材料构件无法实现直接过盈连接的问题，提高连接系统的抗疲劳性能；同时，借助膨胀套端部和套杆部所形成的锥形结构，可以增大膨胀套与连接系统中的复合材料结构接触面积，解决复合材料压缩强度低的问题；还借助螺母的收口段实现连接系统防松作用，并借助在螺母的垫圈结构中设置垫圈，可以实现对不同厚度的连接系统连接，增强其在一定范围内变化的适用性。采用本发明所述的连接结构对复合材料进行连接，由于所述螺栓、膨胀套和螺母分别采用不同的材料，能提高连接的稳定性和可靠性，解决复合材料构件无法实现直接过盈连接的问题，具有结构简单，重量轻，连接可靠，装配使用方便，解决复合材料压缩强度低的问题、连接系统防松问题、连接系统适应厚度在一定范围内变化的问题，其防腐及装配工艺性好，适用于复合材料结构或复合材料与金属复合结构以及其他类似结构的连接。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明连接方法的工作步骤原理图。
图中所示：1-螺栓、11-头部、12-光杆部、13-尾部、14-扳拧孔、2-膨胀套、21-端部、22-套杆部、23-沉孔、24-内锥孔、3-螺母、31-功能部、32-工艺部、33-垫圈结构、34-断颈槽。
具体实施方式
为进一步说明本发明的发明构思，以下将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1和图2所示，本发明所述的一种用于复合材料或复合材料与金属的连接结构，所述连接结构包括有安装在连接系统内部安装孔处的膨胀套2，以及通过膨胀套2实现相互连接的螺栓1和螺母3；所述螺栓1由头部11、光杆部12和尾部13采用钛合金材料加工为一体结构，并对所述螺栓1表面进行耐蚀性润滑表面处理，所述光杆部12设置为从头部至尾部逐渐缩小的圆锥形结构；所述膨胀套2由端部21和套杆部22采用奥氏体不锈钢材料加工为一体结构，在所述端部21和套杆部22中设有相互贯通的沉孔23和内锥孔24，其中所述端部21内的沉孔23与所述螺栓1的头部11相匹配，并能容纳所述螺栓1的头部11，所述套杆部22中的内锥孔24设置为由端部向尾部逐渐缩小的内圆锥形结构，所述内锥孔24的长度不超过所述螺栓1中光杆部12的长度；所述螺母3由功能部31和工艺部32采用铝合金材料加工为一体结构，并进行阳极氧化处理，所述功能部31包括有连接段和收口段，所述工艺部32包括有断颈槽34和外扳拧段，所述螺栓2和螺母3之间通过螺栓1穿过膨胀套2，并与螺母3的连接段通过螺纹连接。
进一步地，本发明所述的一种用于复合材料或复合材料与金属的连接结构，其中在所述螺栓1的尾部沿其轴向设有扳拧孔14，通过扳拧孔14实现螺栓1的尾部13与螺母3的功能部31可同侧进行扳拧，满足单面装配操作或有限空间装配需要。为了满足不同对连接系统的连接，其中在所述螺母3的连接段中还设有垫圈结构33，所述垫圈结构33设置于连接段的端面处。
采用本发明所述连接结构的连接方法，所述连接方法具体包括以下步骤：
(1)、加工安装孔：在待连接的连接系统中加工与膨胀套2相匹配的安装孔；
(2)、安装膨胀套：将膨胀套2插入到连接系统中的安装孔内，使安装孔与膨胀套2的外径之间形成间隙配合；
(3)、安装螺栓：将螺栓1装入膨胀套2内，并使螺栓1的头部11位于膨胀套2中端部21所设置的沉孔23内，其尾部穿过膨胀套2中套杆部22所设置的内锥孔24；
(4)、安装螺母：将螺母3装配到螺栓1的尾部，通过螺栓1尾端所设置的扳拧孔14和螺母3工艺部扳拧段相互配合，将螺母3拧到螺栓1上；另外，在所述螺母3的垫圈结构中还设置相应的垫圈，通过所设置的垫圈与螺母3配合，可实现连接结构对夹层厚度在一定范围内变化适应性的连接系统连接；
(5)、固定连接：在外力作用下，将螺母3逐步拧紧时，使螺栓1中呈圆锥形结构的光杆部12在外力作用下，迫使所述膨胀套2中为内锥孔24部分的圆锥段逐步产生形变胀大；当螺母3中工艺部32的扳拧段从断颈槽34处拧断时，使连接系统达到预期预紧力，同时使膨胀套2径向膨胀达到预期的过盈量，使螺母3功能部与螺栓1的尾部固定在一起，形成一体，即完成对连接系统的连接。
在实际应用过程中，采用发明所述的连接结构进行连接，所述螺栓1采用钛合金材料加工为一体结构，并对所述螺栓1表面进行耐蚀性润滑表面处理，这样可以改善其与膨胀套2装配时的润滑特性和连接系统的抗蚀性；膨胀套2采用奥氏体不锈钢加工为一体结构，所述螺母3采用铝合金材料加工为一体结构，并进行阳极氧化处理。由于钛合金材料具有强度高、比强度高、耐蚀性好，奥氏体不锈钢材料强度高、耐蚀性好、成形性好，经阳极氧化处理后的铝合金材料具有耐蚀性和成形性均好，奥氏体不锈钢、铝合金与钛合金属于不同材质，且都不与复合材料产生原电池反应，而且出于膨胀变形和减重的需要，对于膨胀套2的壁厚需要控制严格。这不仅能满足连接强度要求，还可以将结构重量减至最低，充分配合采用复合材料结构的预期目的；同时，钛合金和不锈钢的耐蚀性能在整个生命周期保证结构连接的可靠性；另外，螺栓1与膨胀套2采用不同的材料制造，即使润滑膜受损，也可以有效防止其相互咬合现象。
综上所述，采用本发明所述的连接结构及连接方法，能提高连接的稳定性和可靠性，解决复合材料构件无法实现直接过盈连接的问题，具有结构简单，重量轻，连接可靠，装配使用方便，解决复合材料压缩强度低的问题、连接系统防松问题、连接系统适应厚度在一定范围内变化的问题，其防腐及装配工艺性好，适用于复合材料结构或复合材料与金属复合结构以及其他类似结构的连接。
本发明的保护范围不仅限于具体实施方式所公开的技术方案，以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不限制本发明，凡依据本发明的技术方案所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于复合材料或复合材料与金属的连接结构，其特征在于：所述连接结构包括有安装在连接系统内部安装孔处的膨胀套(2)，以及通过膨胀套(2)实现相互连接的螺栓(1)和螺母(3)；所述螺栓(1)由头部(11)、光杆部(12)和尾部(13)构成一体结构，所述光杆部(12)设置为从头部至尾部逐渐缩小的圆锥形结构；所述膨胀套(2)由端部(21)和套杆部(22)构成一体结构，在所述端部(21)和套杆部(22)中设有相互贯通的沉孔(23)和内锥孔(24)，其中所述端部(21)内的沉孔(23)与所述螺栓(1)的头部(11)相匹配，并能容纳所述螺栓(1)的头部(11)，所述套杆部(22)中的内锥孔(24)设置为由端部向尾部逐渐缩小的内圆锥形结构，所述内锥孔(24)的长度不超过所述螺栓(1)中光杆部(12)的长度；所述螺母(3)由功能部(31)和工艺部(32)构成一体结构，所述功能部(31)包括有连接段和收口段，所述工艺部(32)包括有断颈槽(34)和外扳拧段，所述螺栓(2)和螺母(3)之间通过螺栓(1)穿过膨胀套(2)，并与螺母(3)的连接段通过螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于复合材料或复合材料与金属的连接结构，其特征在于：所述螺栓(1)采用钛合金材料加工为一体结构，并对所述螺栓(1)表面进行耐蚀性润滑表面处理，所述膨胀套(2)采用奥氏体不锈钢材料加工为一体结构，所述螺母(3)采用铝合金材料加工为一体结构，并进行阳极氧化处理。
3.根据权利要求1所述的一种用于复合材料或复合材料与金属的连接结构，其特征在于：在所述螺栓(1)的尾部沿其轴向设有扳拧孔(14)，通过扳拧孔(14)实现螺栓(1)的尾部(13)与螺母(3)的功能部(31)可同侧进行扳拧，满足单面装配操作或有限空间装配需要。
4.根据权利要求1所述的一种用于复合材料或复合材料与金属的连接结构，其特征在于：在所述螺母(3)的连接段中还设有垫圈结构(33)，所述垫圈结构(33)设置于连接段的端面处。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的连接结构的连接方法，其特征在于，所述连接方法包括以下步骤：
(1)、加工安装孔：在待连接的连接系统中加工与膨胀套(2)相匹配的安装孔；
(2)、安装膨胀套：将膨胀套(2)插入到连接系统中的安装孔内，使安装孔与膨胀套(2)的外径之间形成间隙配合；
(3)、安装螺栓：将螺栓(1)装入膨胀套(2)内，并使螺栓(1)的头部(11)位于膨胀套(2)中端部(21)所设置的沉孔(23)内，其尾部穿过膨胀套(2)中套杆部(22)所设置的内锥孔(24)；
(4)、安装螺母：将螺母(3)装配到螺栓(1)的尾部，通过螺栓(1)尾端所设置的扳拧孔(14)和螺母(3)工艺部扳拧段相互配合，将螺母(3)拧到螺栓(1)上；
(5)、固定连接：在外力作用下，将螺母(3)逐步拧紧时，使螺栓(1)中呈圆锥形结构的光杆部(12)在外力作用下，迫使所述膨胀套(2)中为内锥孔(24)部分的圆锥段逐步产生形变胀大；当螺母(3)中工艺部(32)的外扳拧段从断颈槽(34)处拧断时，使连接系统达到预期预紧力，同时使膨胀套(2)径向膨胀达到预期的过盈量，使螺母(3)功能部与螺栓(1)的尾部固定在一起，形成一体，即完成对连接系统的连接。
6.根据权利要求5所述的连接方法，其特征在于：在安装螺母过程中，在所述螺母(3)的垫圈结构中还设置相应的垫圈，通过所设置的垫圈与螺母(3)配合，可实现连接结构对夹层厚度在一定范围内变化适应性的连接系统连接。
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