CN110410388B - 一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构 - Google Patents
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Abstract
一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构，包括左右对称设置的两个加筋复合材料组件、配合设置在两个加筋复合材料组件之间的金属材料组件和多个外设的连接螺栓。本发明提供的一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构，可有效解决复合材料与金属框架之间的连接可靠性问题，提高不同材质结构间载荷的传递效率，保证变形的协调，从而提高配合连接结构整体的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及异种材料的连接装配技术领域，具体的说是一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构。
背景技术
复合材料作为新型功能、结构材料，具有重量轻、比强度和比刚度高、阻尼性能高、耐化学腐蚀、抗疲劳等一系列优势，在航空、航天、汽车、船舶、建筑以及桥梁等众多领域得到了广泛应用。随着复合材料的大量应用，不可避免的出现复合材料模块与其他材料模块之间的连接。连接是复合材料结构设计制造的重要环节，也是决定整体结构性能安全的重要因素。因此，选择或设计合理的连接方式直接关系整体结构的安全性。
对于大型复合材料结构，为保证整体刚度和强度，一般采用“金属框架+加筋复合材料”的结构形式，其中金属框架为主承力结构，承受主要载荷，加筋复合材料作为次承力结构，主要提供功能作用，同时进一步为主承力结构提供强度及刚度。目前的加筋复合材料仅通过面板与金属框架相连接，加强筋与金属框架之间无任何连接，从而使得金属框架与复合材料之间的载荷传递效率低，两种结构间变形不协调，存在连接处易发生破坏等问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构。该配合连接结构可有效解决复合材料与金属框架之间的连接可靠性问题，提高不同材质结构间载荷的传递效率，保证变形的协调，从而提高配合连接结构整体的安全性。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构，包括左右对称设置的两个加筋复合材料组件、配合设置在两个加筋复合材料组件之间的金属材料组件和多个外设的连接螺栓，所述的加筋复合材料组件包括水平设置的面板，垂直于面板下表面设置的加强筋，以及延伸设置在面板沿其长度方向一端的连接接头，其中，加强筋沿面板的长度方向设置，在加强筋靠近连接接头的一端竖直设置有一块耳板，该耳板与连接接头一起组构成了一个开口向下的L形结构；
所述的金属材料组件包括水平板和竖直板，水平板设置在竖直板的顶端，使金属材料组件的纵切面呈T字形结构，在加筋复合材料组件中的连接接头和耳板，以及金属材料组件中的水平板和竖直板上，配合开设有多个螺纹孔，所述的多个连接螺栓通过该螺纹孔4将连接接头和水平板，以及耳板和竖直板连接在一起，实现两个加筋复合材料组件与金属材料组件之间的配合连接。
进一步的，所述的水平板设置在连接接头的下方，连接接头和水平板上的螺纹孔垂直于连接接头以及水平板的上表面设置，耳板和竖直板上的螺纹孔水平设置。
进一步的，所述的连接接头在面板的一端向下倾斜设置，且连接接头向下倾斜的角度为0-60°，所述的水平板与连接接头上下平行设置。
进一步的，所述加筋复合材料组件中的面板、连接接头、加强筋和耳板为一体成型结构。
进一步的，所述的连接接头和水平板上下贴合设置，耳板和竖直板左右贴合设置。
进一步的，在金属材料组件中竖直板的下方还设置有一块底板。
进一步的，所述用于连接耳板与竖直板的连接螺栓的两端均采用垫圈保护。
进一步的，所述用于连接水平板和连接接头的连接螺栓为沉头螺栓。
进一步的，所述耳板的高度与加强筋高度一致，且耳板的宽度不小于连接螺栓直径的四倍。
进一步的，所述的面板和加强筋为复合材料层合板或复合材料夹芯板，连接接头和耳板为复合材料层合板。
有益效果：
本发明的一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构，有效解决了加筋复合材料分块成型后与金属材料之间的连接问题，尤其是复合材料加强筋之间的连接。该配合连接结构设计合理、连接强度高、载荷传递效率高，不同材质结构件之间的变形协调性好，从而有效提高了加筋复合材料和金属材料配合后的强度和刚度；同时该配合连接方式操作简单，工艺实施性好，可实现加筋复合材料与金属材料之间的快速装配连接。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的爆炸图；
附图标记：1、加筋复合材料组件，101、面板，102、连接接头，103、加强筋，104、耳板，2、金属材料组件，201、水平板，202、竖直板，203、底板，3、连接螺栓，4、螺纹孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的阐述和说明。
如图所示，一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构，包括左右对称设置的两个加筋复合材料组件1、配合设置在两个加筋复合材料组件1之间的金属材料组件2和多个外设的连接螺栓3，所述的加筋复合材料组件1包括水平设置的面板101，垂直于面板101下表面设置的加强筋103，以及延伸设置在面板101沿其长度方向一端的连接接头102，其中，加强筋103沿面板101的长度方向设置，在加强筋103靠近连接接头102的一端竖直设置有一块耳板104，该耳板104与连接接头102一起组构成了一个开口向下的L形结构，所述耳板104的高度与加强筋103高度一致，且耳板104的宽度根据连接螺栓3的直径确定，一般取连接螺栓3直径的4倍以上。
所述的金属材料组件2包括水平板201和竖直板202，水平板201设置在竖直板202的顶端，使金属材料组件2的纵切面呈T字形结构，在加筋复合材料组件1中的连接接头102和耳板104，以及金属材料组件2中的水平板201和竖直板202上，配合开设有多个螺纹孔4，所述的多个连接螺栓3通过该螺纹孔4将连接接头102和水平板201，以及耳板104和竖直板202连接在一起，实现两个加筋复合材料组件1与金属材料组件2之间的配合连接。
进一步的，所述的水平板201设置在连接接头102的下方，连接接头102和水平板201上的螺纹孔4垂直于连接接头102以及水平板201的上表面设置，耳板104和竖直板202上的螺纹孔4水平设置。
进一步的，所述连接接头102和耳板104的厚度均根据载荷大小得到，连接接头102与面板101通过斜角过渡，过渡夹角一般在0-60°之间。水平板201平行设置在连接接头102的下方。
进一步的，所述加筋复合材料组件1中的面板101、连接接头102、加强筋103和耳板104为一体成型结构。
进一步的，所述的连接接头102和水平板201上下贴合设置，耳板104和竖直板202左右贴合设置。
进一步的，所述用于连接耳板104与竖直板202的连接螺栓3的两端均采用垫圈保护。
进一步的，所述用于连接水平板201和连接接头102的连接螺栓3为沉头螺栓。
进一步的，所述加强筋103的长度比面板101及连接接头102的总长度小。
进一步的，在金属材料组件2中竖直板202的下方还设置有一块底板203。
在本发明的技术方案中，金属材料组件的纵切面可以是“工”或“T”或“］”型，其中，“工”、“T”型结构一般位于中间连接区域（即实现两个加筋复合材料组件和一个金属材料组件之间的配合连接），“］”型结构位于边缘连接区域（即实现一个加筋复合材料组件和一个金属材料组件之间的配合连接）。
如若金属材料组件的纵切面为“工”或“T”型结构，则加筋复合材料组件中连接接头的宽度要求大于4倍的连接螺栓直径，且连接接头的长度要求大于金属材料组件中水平板长度的一半。加强筋的长度＜面板及连接接头总长度减去竖直板厚度的一半（以图2为例，图中横向为长度，纵向为宽度）。
如若金属材料组件的纵切面为“］”型结构，则加筋复合材料组件中连接接头的宽度要求大于4倍的连接螺栓直径，且连接接头的长度要求大于金属材料组件中水平板的长度。加强筋的长度＜面板及连接接头总长度减去竖直板的厚度（以图2为例，图中横向为长度，纵向为宽度）。
在加筋复合材料的材质选择上，面板101和加强筋103为复合材料层合板或复合材料夹芯板，连接接头102和耳板104为复合材料层合板。
本发明所述的连接接头和耳板上的螺纹孔是在加筋复合材料组件成型完成后根据连接螺栓的具体位置进行钻孔形成的。
本发明中金属材料组件中水平板和底板需要根据加筋复合材料组件中加强筋的位置及尺寸进行开槽，切削出竖直板，以保证加筋复合材料组件中耳板与金属材料组件中竖直板的紧密贴合连接。
本发明较好的实现了加筋复合材料与金属材料之间的可靠连接，保证两种材料结构间的协调变形，提高了配合连接结构的安全性，同时该连接方法简单，工艺实施性好。
实施例1：
结合附图2，本实施例中的金属材料组件采用Q235船体钢，纵切面形状为“工”型结构，加筋复合材料组件的面板、加强筋为夹芯复合材料，连接接头和耳板为复合材料层合板，其中，面板和加强筋的面层复合材料，以及连接接头和耳板的的复合材料均采用E玻纤/乙烯基树脂，面板夹芯芯材和加强筋夹芯芯材采用H80泡沫。整个加筋复合材料组件采用真空辅助（VARI）成型工艺整体成型。连接接头的厚度根据载荷大小得到，连接接头长度要求大于4倍的连接螺栓的直径，且要求大于水平板宽度的一半。连接接头与面板的过渡夹角为0°。耳板高度与加强筋高度相同。
金属材料组件中水平板根据加强筋及耳板的位置及尺寸进行开槽，保证耳板与“工”型结构竖直板紧密连接。连接接头与金属材料组件中的水平板之间采用沉头螺栓连接。两加筋复合材料组件与金属材料组件中的竖直板之间通过连接螺栓连接，连接螺栓双侧采用垫圈保护。
本实施例的具体制作方法如下：
采用真空辅助成型工艺进行加筋复合材料组件的成型，先铺敷夹芯平板上蒙皮纤维织物，然后放置夹芯芯材，并铺敷连接接头处纤维织物，接着铺敷夹芯平板下蒙皮织物，放置加强筋芯材，铺敷加强筋蒙皮织物及加强筋耳板织物，最后设置脱模布和导流网，布设注胶管，按照真空辅助成型工艺完成注胶、固化及脱模，待固化充分后，进行连接接头和耳板的螺纹孔打孔。
根据加强筋位置和加强筋及耳板宽度对金属材料组件水平板进行切割，将加筋复合材料组件放置到金属材料组件上，然后根据螺纹孔位置进行金属材料组件上连接螺栓的配钻。然后进行连接螺栓的紧固。
实施例2：
结合附图2，本实施例中的金属材料组件采用Q235船体钢，纵切面形状为“工”型结构，加筋复合材料组件的面板、连接接头、耳板均为复合材料层合板，加强筋为夹芯复合材料加强筋，其中，面板、连接接头和耳板的复合材料，以及加强筋的面层复合材料均采用E玻纤/乙烯基树脂，加强筋夹芯芯材采用H200泡沫。整个加筋复合材料组件采用真空辅助（VARI）成型工艺整体成型。连接接头的厚度根据载荷大小得到，连接接头长度要求大于4倍的连接螺栓的直径，且要求大于水平板宽度的一半。连接接头与面板的过渡夹角为10°。耳板高度与加强筋高度相同。
金属材料组件中水平板根据加强筋及耳板的位置及尺寸进行开槽，保证耳板与“工”型结构竖直板紧密连接。连接接头与金属材料组件中的水平板之间采用沉头螺栓连接。两加筋复合材料组件与金属材料组件中的竖直板之间通过连接螺栓连接，连接螺栓双侧采用垫圈保护。
本实施例的具体制作方法如下：
采用真空辅助成型工艺进行加筋复合材料结构1和2的成型，铺敷复合材料面板及连接接头纤维织物，放置加强筋芯材，铺敷加强筋蒙皮织物及加强筋耳板织物，最后设置脱模布和导流网，布设注胶管，按照真空辅助成型工艺完成注胶、固化及脱模，待固化充分后，进行连接接头和耳板的螺纹孔打孔。
根据加强筋位置和加强筋及耳板宽度对金属材料组件水平板进行切割，将加筋复合材料组件放置到金属材料组件上，然后根据螺纹孔位置进行金属材料组件上连接螺栓的配钻。然后进行连接螺栓的紧固。
实施例3：
结合附图2，本实施例中的金属材料组件采用Q235船体钢，纵切面形状为“工”型结构，加筋复合材料组件的面板、连接接头、加强筋、耳板均为复合材料层合板，复合材料均采用E玻纤/乙烯基树脂，整个加筋复合材料组件采用真空辅助（VARI）成型工艺整体成型。连接接头的厚度根据载荷大小得到，连接接头长度要求大于4倍的连接螺栓的直径，且要求大于水平板宽度的一半。连接接头与面板的过渡夹角为0°。耳板高度与加强筋高度相同。
金属材料组件中水平板根据加强筋及耳板的位置及尺寸进行开槽，保证耳板与“工”型结构竖直板紧密连接。连接接头与金属材料组件中的水平板之间采用沉头螺栓连接。两加筋复合材料组件与金属材料组件中的竖直板之间通过连接螺栓连接，连接螺栓双侧采用垫圈保护。
本实施例的具体制作方法如下：
采用真空辅助成型工艺进行加筋复合材料组件1和2的成型，铺敷复合材料面板及连接接头纤维织物，放置加强筋预制板，加强筋预制板与面层材料相同，接着铺敷加强筋外层及耳板织物，最后设置脱模布和导流网，布设注胶管，按照真空辅助成型工艺完成注胶、固化及脱模，待固化充分后，进行连接接头和耳板的螺纹孔打孔。
根据加强筋位置和加强筋及耳板宽度对金属材料组件水平板进行切割，将加筋复合材料组件放置到金属材料组件上，然后根据螺纹孔位置进行金属材料组件上连接螺栓的配钻。然后进行连接螺栓的紧固。
Claims (10)
1.一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构，其特征在于：包括左右对称设置的两个加筋复合材料组件(1)、配合设置在两个加筋复合材料组件(1)之间的金属材料组件(2)和多个外设的连接螺栓(3)，所述的加筋复合材料组件(1)包括水平设置的面板(101)，垂直于面板(101)下表面设置的加强筋(103)，以及延伸设置在面板(101)沿其长度方向一端的连接接头(102)，其中，加强筋(103)沿面板(101)的长度方向设置，在加强筋(103)靠近连接接头(102)的一端竖直设置有一块耳板(104)，该耳板(104)与连接接头(102)一起组构成了一个开口向下的L形结构；
所述的金属材料组件(2)包括水平板(201)和竖直板(202)，水平板(201)设置在竖直板(202)的顶端，使金属材料组件(2)的纵切面呈T字形结构，在加筋复合材料组件(1)中的连接接头(102)和耳板(104)，以及金属材料组件(2)中的水平板(201)和竖直板(202)上，配合开设有多个螺纹孔(4)，所述的多个连接螺栓(3)通过该螺纹孔(4)将连接接头(102)和水平板(201)，以及耳板(104)和竖直板(202)连接在一起，实现两个加筋复合材料组件(1)与金属材料组件(2)之间的配合连接。
2.根据权利要求1所述的一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构，其特征在于：所述的水平板(201)设置在连接接头(102)的下方，连接接头(102)和水平板(201)上的螺纹孔(4)垂直于连接接头(102)以及水平板(201)的上表面设置，耳板(104)和竖直板(202)上的螺纹孔(4)水平设置。
3.根据权利要求1所述的一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构，其特征在于：所述的连接接头(102)在面板(101)的一端向下倾斜设置，且连接接头(102)向下倾斜的角度为0-60°，所述的水平板(201)与连接接头(102)上下平行设置。
4.根据权利要求1所述的一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构，其特征在于：所述加筋复合材料组件(1)中的面板(101)、连接接头(102)、加强筋(103)和耳板(104)为一体成型结构。
5.根据权利要求1所述的一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构，其特征在于：所述的连接接头(102)和水平板(201)上下贴合设置，耳板(104)和竖直板(202)左右贴合设置。
6.根据权利要求1所述的一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构，其特征在于：在金属材料组件(2)中竖直板(202)的下方还设置有一块底板(203)。
7.根据权利要求1所述的一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构，其特征在于：用于连接耳板(104)与竖直板(202)的连接螺栓(3)的两端均采用垫圈保护。
8.根据权利要求1所述的一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构，其特征在于：用于连接水平板(201)和连接接头(102)的连接螺栓(3)为沉头螺栓。
9.根据权利要求1所述的一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构，其特征在于：所述耳板(104)的高度与加强筋(103)高度一致，且耳板(104)的宽度不小于连接螺栓(3)直径的四倍。
10.根据权利要求1所述的一种加筋复合材料与金属材料的配合连接结构，其特征在于：所述的面板(101)和加强筋(103)为复合材料层合板或复合材料夹芯板，连接接头(102)和耳板(104)为复合材料层合板。
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