CN110925276A - 纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构，包括复合材料筒体、金属连接头和周向缠绕纤维，复合材料筒体的两端部形成外端向内收缩的第一连接部，金属连接头包括相互结合的管柱和呈燕尾状的第二连接部，管柱与第二连接部的结合位具有挡环，挡环与第二连接部之间形成纤维缠绕区，第二连接部外侧面以及挡环相对第二连接部的侧面分别形成有间隔分布的环槽，复合材料筒体的第一连接部相匹配地装套在金属连接头的第二连接部的外侧，周向缠绕纤维填充于纤维缠绕区，复合材料筒体、金属连接头和周向缠绕纤维为一体成型结构。本发明能够增强复合材料筒体与金属结构的连接强度简化装配工艺，提高连接效率，缩短生产周期。
Description
技术领域
本发明属于复合材料结构与金属结构连接的技术领域，特别是涉及一种纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料具有优异的比强度、比刚度以及结构、性能可设计性，已经广泛应用于航空航天结构中。
在具体的结构中，通常需要对不同的零部件进行连接，目前复合材料结构与金属结构常用的连接形式有胶接、铆接、螺栓连接、胶铆结合、胶接与螺栓连接结合等方式。其中，铆接和螺栓连接均会对复合材料结构造成不同程度的强度削弱，并由此引起一系列的损伤容限及疲劳寿命问题。而胶接通常用在非主承力结构上，并且胶接存在老化问题，导致连接结构的强度不足，可靠性低。并且以上连接增加了装配工序，导致产品生产周期延长，成本高。
复合材料结构的成型工艺与传统的金属材料结构制造工艺不同，在复合材料技术中，材料、设计和制造工艺三者密切相关，而构件的最终质量在很大程度上取决于制造工艺，因而，在复合材料结构设计时，必须充分考虑到应用的具体条件以及制造工艺的可行性问题。复合材料整体结构指一次成型的大型复杂复合材料结构，如机身舱段、翼盒、整体油箱、大梁和加强框等，它在安全性、舒适性、降低成本和减轻结构重量等方面具有其他材料和结构形式无可比拟的优势，是复合材料独有的优点。整体复合材料结构设计与制造技术是目前世界上复合材料领域重点发展的关键技术和方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构，增强复合材料筒体与金属结构的连接强度并保持结构强度的持久性，简化装配工艺，有利于提高连接效率，缩短生产周期。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构，包括复合材料筒体、金属连接头和周向缠绕纤维，所述复合材料筒体的两端部形成外端向内收缩的第一连接部，所述金属连接头包括相互结合的管柱和呈燕尾状的第二连接部，所述管柱与第二连接部的结合位具有挡环，所述挡环与第二连接部之间形成凹槽状纤维缠绕区，所述第二连接部的外侧面以及挡环相对第二连接部的侧面分别形成有间隔分布的环槽，所述复合材料筒体的第一连接部相匹配地装套在金属连接头的第二连接部的外侧，所述周向缠绕纤维填充于纤维缠绕区，所述复合材料筒体、金属连接头和周向缠绕纤维为一体成型结构。
所述复合材料筒体、金属连接头和周向缠绕纤维一体成型的工艺为模压法、热压罐法、树脂传递模塑法或真空袋法。
所述复合材料筒体和\或周向缠绕纤维的基体为氰酸酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰胺树脂、苯并噁嗪树脂或聚酰亚胺树脂，增强体为碳纤维、玻璃纤维、凯芙拉纤维、石英纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维、硼纤维或植物纤维。
所述复合材料筒体采用0°、±45°、90°铺层，0°的铺层比例为40％～50％，±45°的铺层比例为40％～50％，90°的铺层比例为10％～20％，纤维0°沿复合材料筒体的轴向，纤维90°沿复合材料筒体的周向，铺层的厚度方向沿复合材料筒体的径向。
所述复合材料筒体中部的主体结构的截面呈圆形、椭圆形、梯形、正方形、长方形或三角形，所述复合材料筒体的主体结构沿轴向为等截面或变截面，所述金属连接头采用钛合金、不锈钢、铝合金、铝锂合金或镁合金制成。
所述周向缠绕纤维的缠绕方式为复合材料筒体连续铺设若干层后，周向缠绕纤维连续缠绕若干圈，如此反复铺设复合材料筒体和缠绕周向缠绕纤维至填满纤维缠绕区；或者在复合材料筒体全部铺层结束后，所述周向缠绕纤维开始缠绕至填满纤维缠绕区。
所述纤维缠绕区的夹角θ为45°～80°，所述夹角为圆弧过渡且圆弧半径R1不小于1mm，所述第二连接部的外端为圆弧结构且圆弧半径R2不小于0.1mm。
所述环槽的轴向截面呈三角形、梯形、长方形或扇形，所述第二连接部上的环槽背离挡环的侧面与第二连接部的外侧面之间的夹角小于等于90°，所述挡环上的环槽的背离管柱的侧面与挡环的侧面之间的夹角小于等于90°。
所述复合材料筒体与金属连接头一体成型时在金属连接头的第二连接部的外侧面先铺覆一层玻璃纤维织物层。
所述复合材料筒体内部装配有加强筋和\或加强肋，所述加强筋和\或加强肋采用胶接结构或者共固化结构与复合材料筒体装配为一体。
有益效果
本发明中的具有燕尾槽结构的金属连接头与复合材料筒体为一体成型结构，同时在燕尾槽处设置环槽结构，并采用周向缠绕纤维以增强复合材料筒体与金属连接头的连接强度，该技术方案克服了机械连接对复合材料结构强度削弱的缺点，有利于增强复合材料筒体与金属结构的连接强度并保持结构强度的持久性，提高连接效率，降低结构重量，并且采用一体成型，简化装配工艺，降低生产成本及缩短生产周期。
附图说明
图1为本发明的轴向剖视结构示意图。
图2为金属连接头的轴向剖视结构示意图。
图3为图2中标识21部分的放大结构示意图。
图4为图3中标识211部分轴向截面呈三角形的环槽。
图5为轴向截面呈梯形的环槽。
图6为轴向截面呈长方形的环槽。
图7为轴向截面呈扇形的环槽。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示的一种纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构，包括复合材料筒体1、金属连接头2和周向缠绕纤维3。
复合材料筒体1中部的主体结构的截面呈圆形，当然其他实施例中还可以为变弧度的封闭轮廓，如椭圆形，还可以为多边形，如梯形、正方形、长方形或三角形，复合材料筒体1的主体结构沿轴向为等截面，复合材料筒体1的两端部形成外端向内收缩的第一连接部。复合材料筒体1的基体为环氧树脂，当然其他实施例中还可以是氰酸酯树脂、酚醛树脂、双马来酰胺树脂、苯并噁嗪树脂或聚酰亚胺树脂，增强体为T700单向碳纤维，其他实施例中还可以采用玻璃纤维、凯芙拉纤维、石英纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维、硼纤维或植物纤维。复合材料筒体1采用0°、±45°、90°铺层，0°的铺层比例为50％，±45°的铺层比例为40％，90°的铺层比例为10％，纤维0°沿复合材料筒体1的轴向，纤维90°沿复合材料筒体1的周向，铺层的厚度方向沿复合材料筒体1的径向。
如图2所示，金属连接头2包括相互结合的管柱和呈燕尾状的第二连接部，管柱与第二连接部的结合位具有挡环，挡环与第二连接部之间形成凹槽状纤维缠绕区5。金属连接头2采用TC4钛合金制成，在其他实施例中还可以采用不锈钢、铝合金、铝锂合金或镁合金制作。纤维缠绕区5的轴向截面夹角θ为70°，夹角为圆弧过渡且该圆弧半径R1为5mm，第二连接部的厚度D为1mm，第二连接部的最外侧呈平面结构且该平面结构的轴向长度L为1.414mm，第二连接部的外端为圆弧结构且该圆弧半径R2为0.1mm。
第二连接部的外侧面以及挡环相对第二连接部的侧面分别形成有间隔分布的环槽4，环槽4的轴向截面呈直角三角形，在其他实施例中还可以呈梯形、长方形或扇形，如图3-图7所示。无论环槽4的轴向截面结构采用上述哪一种，第二连接部上的环槽4背离挡环的侧面与第二连接部的外侧面之间的夹角α小于等于90°，挡环上的环槽4的背离管柱的侧面与挡环的侧面之间的夹角小于等于90°，如本实施例中为90°。
复合材料筒体1、金属连接头2和周向缠绕纤维3为一体成型结构，采用热压罐法进行一体成型，还可以采用模压法、RTM法(resin transfer mould，树脂传递模塑)或真空袋法。复合材料筒体1的第一连接部相匹配地装套在金属连接头2的第二连接部的外侧，周向缠绕纤维3采用T700单向纤维预浸料进行缠绕形成，基体材料采用与复合材料筒体1一致的环氧树脂。周向缠绕纤维3的缠绕方式为复合材料筒体1的增强体全部铺层结束后，周向缠绕纤维3开始缠绕至填满纤维缠绕区5，其他实施例中还可以采用复合材料筒体1先铺1层或多层，然后周向缠绕纤维3缠绕1层或多层，如此反复铺设复合材料筒体1和缠绕周向缠绕纤维3至填满纤维缠绕区5。成型时，在金属连接头2的第二连接部的外侧面先铺贴一层EW220玻璃纤维织物以防止复合材料与金属间的电偶腐蚀。
Claims (10)
1.一种纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构，包括复合材料筒体(1)，其特征在于：还包括金属连接头(2)和周向缠绕纤维(3)，所述复合材料筒体(1)的两端部形成外端向内收缩的第一连接部，所述金属连接头(2)包括相互结合的管柱和呈燕尾状的第二连接部，所述管柱与第二连接部的结合位具有挡环，所述挡环与第二连接部之间形成凹槽状纤维缠绕区(5)，所述第二连接部的外侧面以及挡环相对第二连接部的侧面分别形成有间隔分布的环槽(4)，所述复合材料筒体(1)的第一连接部相匹配地装套在金属连接头(2)的第二连接部的外侧，所述周向缠绕纤维(3)填充于纤维缠绕区(5)，所述复合材料筒体(1)、金属连接头(2)和周向缠绕纤维(3)为一体成型结构。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构，其特征在于：所述复合材料筒体(1)、金属连接头(2)和周向缠绕纤维(3)一体成型的工艺为模压法、热压罐法、树脂传递模塑法或真空袋法。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构，其特征在于：所述复合材料筒体(1)和\或周向缠绕纤维(3)的基体为氰酸酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰胺树脂、苯并噁嗪树脂或聚酰亚胺树脂，增强体为碳纤维、玻璃纤维、凯芙拉纤维、石英纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维、硼纤维或植物纤维。
4.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构，其特征在于：所述复合材料筒体(1)采用0°、±45°、90°铺层，0°的铺层比例为40％～50％，±45°的铺层比例为40％～50％，90°的铺层比例为10％～20％，纤维0°沿复合材料筒体(1)的轴向，纤维90°沿复合材料筒体(1)的周向，铺层的厚度方向沿复合材料筒体(1)的径向。
5.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构，其特征在于：所述复合材料筒体(1)中部的主体结构的截面呈圆形、椭圆形、梯形、正方形、长方形或三角形，所述复合材料筒体(1)的主体结构沿轴向为等截面或变截面，所述金属连接头(2)采用钛合金、不锈钢、铝合金、铝锂合金或镁合金制成。
6.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构，其特征在于：所述周向缠绕纤维(3)的缠绕方式为复合材料筒体(1)连续铺设若干层后，周向缠绕纤维(3)连续缠绕若干圈，如此反复铺设复合材料筒体(1)和缠绕周向缠绕纤维(3)至填满纤维缠绕区(5)；或者在复合材料筒体(1)全部铺层结束后，所述周向缠绕纤维(3)开始缠绕至填满纤维缠绕区(5)。
7.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构，其特征在于：所述纤维缠绕区(5)的夹角为45°～80°，所述夹角为圆弧过渡且圆弧半径不小于1mm，所述第二连接部的外端为圆弧结构且圆弧半径不小于0.1mm。
8.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构，其特征在于：所述环槽(4)的轴向截面呈三角形、梯形、长方形或扇形，所述第二连接部上的环槽(4)背离挡环的侧面与第二连接部的外侧面之间的夹角小于等于90°，所述挡环上的环槽(4)的背离管柱的侧面与挡环的侧面之间的夹角小于等于90°。
9.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构，其特征在于：所述复合材料筒体(1)与金属连接头(2)一体成型时在金属连接头(2)的第二连接部的外侧面先铺覆一层玻璃纤维织物层。
10.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料筒体连接结构，其特征在于：所述复合材料筒体(1)内部装配有加强筋和\或加强肋，所述加强筋和\或加强肋采用胶接结构或者共固化结构与复合材料筒体(1)装配为一体。
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