CN111059117B - 一种复合材料筒形件与金属法兰连接结构件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料筒形件与金属法兰连接结构件及其制备方法;该结构件中复合材料筒形件与金属法兰粘接为一体,在金属法兰与复合材料筒形件贴合的金属法兰轴表面有若干沟槽。所述方法包括金属法兰的加工和处理、复合材料筒形件的缠绕成型、复合材料筒形件与金属法兰一体化固化。与现有技术相比,本发明的复合材料筒形件与金属法兰连接结构件具有更高的强度、寿命和固有频率,并较快速衰减可能出现的振动,可应用于对重量、性能和传动效率要求较高的汽车、直升机和轮船的传动轴。
Description
技术领域
本发明属于复合材料与金属结构连接技术领域,具体涉及一种复合材料筒形件与金属法兰连接结构件及其制备方法。
背景技术
传动轴作为动力传动系统的一部分,广泛应用于汽车、轮船和直升机等装备,负责把动力源(发动机、电机等)的能量传送至动力输出装置(车轮、螺旋桨、旋翼等)。传动轴工作负荷大、转速高,并且承受交变的扭转、弯曲及扭弯耦合振动载荷,其性能优劣直接影响直升机的性能和安全。为实现传动系统的高传动效率和高可靠性,传动轴的设计要求包括:1)临界转速高;2)力学性能好,具有较高的扭转强度、刚度和寿命;3)重量轻,以降低转动惯量、提高扭矩、降低功率损失。碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)相比金属材料具有比强度、比刚度高、阻尼性好等优点,以CFRP替代合金钢、铝合金等金属材料制作传动轴,可大幅降低结构重量,使传动轴可承受更高的扭矩、功率和临界速度,并可提高传动轴的服役寿命和装备的综合性能、降低传动系统的振动和噪声。
然而,复合材料应用于传动轴不可避免地会出现复合材料筒形件与金属法兰的连接问题。连接部位材料和几何形状不连续,受载时产生较高的应力集中,导致连接接头成为整个结构的薄弱部位。尤其是复合材料筒形件和金属法兰具有不同的力学和热学性质,属于异质材料,而异质材料之间连接是结构设计和制造的难点。
传统的复合材料与金属的连接工艺包括机械连接、胶接以及二者共同应用的混合连接。机械连接可靠度比较高,但连接区应力集中严重,连接强度较低,并且紧固件提高了接头重量。胶接接头应力集中较低、连接强度和疲劳性能较好,但可靠性较低、耐环境性差。混合连接发挥两种连接方式的优点,但也继承了其缺点,在一定程度上削弱了使用复合材料所带来的优势。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有连接技术的不足,提供一种复合材料筒形件与金属法兰连接结构件及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
本发明涉及一种复合材料筒形件与金属法兰连接结构件,复合材料筒形件与金属法兰粘接为一体,在金属法兰与复合材料筒形件贴合的金属法兰轴表面有若干沟槽。且所述复合材料筒形件是在金属法兰轴外表面应用纤维缠绕技术制造、固化而得。
进一步的,所述沟槽的深度为0.1毫米以上。优选为为0.1~9毫米。本发明在法兰端部的沟槽设计,可显著提高复合材料轴管与金属法兰盘的传载强度。
进一步的,所述复合材料筒形件的若干纤维嵌入金属法兰的沟槽。
进一步的,所述沟槽为螺旋形沟槽。
进一步的,所述复合材料筒形件在与金属法兰的连接区为变角度、变厚度结构。
进一步的,所述复合材料筒形件与金属法兰贴合面有兼具强度和阻尼性能的胶粘剂。
进一步的,所述复合材料筒形件与金属法兰之间的胶粘剂嵌入金属法兰的沟槽。
本发明还涉及一种上述复合材料筒形件与金属法兰连接结构件的制备方法,所述方法包括以下步骤:
S1、金属法兰的加工和处理:在金属法兰与复合材料筒形件的贴合面加工若干沿周向分布的沟槽,并在有沟槽的金属法兰圆柱面上涂敷胶粘剂或铺放胶膜;
S2、在金属法兰外表面应用纤维缠绕技术制造复合材料筒形件,并使贴近金属法兰的若干纤维嵌入金属法兰表面的沟槽中;
S3、固化复合材料筒形件。
进一步的,所述纤维缠绕技术,通过纤维张力递减原则进行缠绕,每层纤维的张力递减量为0N~20N。
所述纤维缠绕具体为:将芯模的细轴段(芯模为变轴径结构,其细轴段的直径与法兰轴段内径配合,其粗轴段的直径与法兰轴段外径配合;且细轴段的长度为法兰轴段的长度与法兰盘厚度之和)插入法兰轴孔,工装固定法兰和芯模;应用湿法纤维自动缠绕技术在芯模和法兰轴外表面缠绕复合材料纤维束,确保首层纤维束嵌入位于法兰轴段外表面的沟槽;继续在首层纤维束的外表缠绕其他纤维束;把缠绕成型的复合材料筒形件连同铝合金法兰一同放入热压罐,加温加压固化;固化结束后,取出位于复合材料筒形件内部的芯模即可。
进一步的,应用纤维缠绕技术制造的复合材料筒形件,在与金属法兰的连接区纤维缠绕角度发生渐变,并使得复合材料筒形件在连接区的厚度渐变。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1)通过位于金属法兰贴合面沟槽增大复合材料筒形件与金属法兰的粘接面积和机械啮合作用力,从而提高复合材料筒形件与金属法兰连接街头的传载能力;
2)通过纤维在连接区变角度缠绕,实现复合材料筒形件在连接区的变厚度分布,使连接区应力分布更加均匀,从而进一步提高连接强度;
3)通过采用兼具强度和粘性的胶粘剂,提高连接区的阻尼,提高振动固有频率,并衰减可能出现的振动;
4)通过张力递减原则进行纤维缠绕制成复合材料筒形件,降低复合材料固化应力,提高复合材料筒形件的强度;
5)应用本发明的制备方法,可提高复合材料筒形件与金属法兰连接结构件的强度、寿命和固有频率,并较快速衰减可能出现的振动。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明复合材料筒形件与金属法兰连接结构件的示意图;
图2为复合材料筒形件与金属法兰连接区截面图;
其中,1为复合材料筒形件,2为金属法兰,3为沟槽,4为纤维束。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及一种复合材料筒形件与金属法兰连接结构件,如图1所示,复合材料筒形件1与金属法兰2粘接为一体,在金属法兰2与复合材料筒形件1贴合的金属法兰轴表面有若干沟槽3。且所述复合材料筒形件是在金属法兰轴外表面应用纤维缠绕技术制造、固化而得。具体加工如下:
1、金属法兰加工和处理
(1)设计并加工牌号为7075的铝合金法兰,法兰轴段内径80毫米、外径100毫米、长度30毫米,法兰盘直径为200毫米、厚度为10毫米,法兰盘上沿周向均布6个直径为10毫米的圆孔,6个圆孔的圆心距法兰盘中心线的距离为80毫米;
(2)在铝合金法兰轴段外圆柱面加工8个螺旋形沟槽,8个沟槽沿法兰轴周向均布,沟槽深度为0.4毫米,宽度为5毫米,螺旋角为20度,沟槽距法兰盘面10毫米;
(3)对法兰盘轴段外圆柱面进行打磨并应用酒精清洁,清除表面的碎屑;
(4)在铝合金法兰轴端外圆柱面粘贴牌号为J-116的胶膜。
2、复合材料筒缠绕成型
(1)制造直径为100毫米、长度为500毫米的石膏芯模;
(2)加工芯模端部,使其具有长度为40毫米、直径为80毫米的细轴段;
(3)把芯模的细轴段插入法兰80毫米直径的轴孔(芯模为变轴径结构,其直径为80毫米的部分与法兰80毫米直径的轴孔(即法兰轴段内径)配合,其直径为100毫米的部分,将与法兰轴段100毫米的外径配合),并应用工装固定法兰和芯模;
(4)应用湿法纤维自动缠绕技术在芯模和法兰外表面缠绕复合材料纤维束,并使首层纤维束的缠绕螺旋角度为20度,纤维张紧力为55N,确保首层纤维束嵌入位于法兰轴段外表面的沟槽;如图2,纤维束4嵌入位于法兰轴段外表面的沟槽3;
(5)继续在首层纤维束的外表缠绕其他纤维束,确保铺层顺序为[20/-20/90/45/-45/90/-45/45/-20/20]2s,并使每层纤维张紧力均为55N。
3、固化复合材料筒形件
(1)把缠绕成型的复合材料筒形件连同铝合金法兰一同放入热压罐,加温加压固化;
(2)固化结束后,取出位于复合材料筒形件内部的石膏芯模,形成复合材料筒形件与铝合金法兰一体化连接结构件。
实施例2
本实施例涉及一种复合材料筒形件与金属法兰连接结构件,如图1所示,复合材料筒形件1与金属法兰2粘接为一体,在金属法兰2与复合材料筒形件1贴合的金属法兰轴表面有若干沟槽3。且所述复合材料筒形件是在金属法兰轴外表面应用纤维缠绕技术制造、固化而得。具体加工如下:
1、金属法兰加工和处理
(1)设计并加工牌号为Ti6Al4V的钛合金法兰,法兰轴段内径40毫米、外径45毫米、长度20毫米,法兰盘直径为100毫米、厚度为5毫米,法兰盘上沿周向均布8个直径为5毫米的圆孔,8个圆孔的圆心距法兰盘中心线的距离为40毫米;
(2)在钛合金法兰轴段外圆柱面加工5个螺旋形沟槽,5个沟槽沿法兰轴周向均布,沟槽深度为0.2毫米,宽度为2毫米,螺旋角为45度,沟槽距法兰盘面15毫米;
(3)对法兰盘轴段外圆柱面进行打磨并用丙酮清洁,清除表面的碎屑;
(4)在金属法兰轴端外圆柱面涂敷牌号为HY-914的胶粘剂。
2、复合材料筒缠绕成型
(1)制造直径为45毫米、长度为800毫米的石膏芯模;
(2)加工芯模端部,使其具有长度为25毫米、直径为40毫米的细轴段;
(3)把芯模的细轴段插入法兰40毫米直径的轴孔(芯模为变轴径结构,其直径为40毫米的部分与法兰40毫米直径的轴孔(即法兰轴段内径)配合,其直径为45毫米的部分,将与法兰轴段45毫米的外径配合),并应用工装固定法兰和芯模;
(4)应用预浸纱带干法缠绕技术在芯模和法兰外表面缠绕复合材料纤维束,并使首层纤维束的缠绕螺旋角度为45度,纤维张紧力为60N,确保首层纤维束嵌入位于法兰轴段外表面的沟槽;;如图2,纤维束4嵌入位于法兰轴段外表面的沟槽3;
(5)继续在首层纤维束的外表缠绕其他纤维束,确保铺层顺序为[45/-45/90/-45/45]2s,并使每层纤维张紧力以2N的规律递减。
3、固化复合材料筒形件。
(1)把缠绕成型的复合材料筒形件连同钛合金法兰一同放入热压罐,加温加压固化;
(2)固化结束后,取出位于复合材料筒形件内部的石膏芯模,形成复合材料筒形件与钛合金法兰一体化连接结构件;其结构示意图如图1所示,连接区截面如图2所示。
准静态扭转强度试验、扭转弯曲耦合振动试验结果表明,应用本发明所述技术,可提高复合材料筒形件与金属法兰连接结构的扭转力矩承载能力1.5倍、固有频率提高2倍,实现结构减重60%。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (6)
1.一种复合材料筒形件与金属法兰连接结构件,其特征在于,复合材料筒形件与金属法兰粘接为一体,在金属法兰与复合材料筒形件贴合的金属法兰轴表面有若干沟槽;
所述复合材料筒形件是在金属法兰轴外表面应用纤维缠绕技术制造、固化而得;
所述复合材料筒形件的若干纤维嵌入金属法兰的沟槽;
所述沟槽的深度为0.1~9毫米;
所述沟槽为螺旋形沟槽;
所述复合材料筒形件与所述金属法兰连接结构件的制备方法包括以下步骤:
S1、金属法兰的加工和处理:在金属法兰与复合材料筒形件的贴合面加工若干沿周向分布的沟槽,并在有沟槽的金属法兰圆柱面上涂敷胶粘剂或铺放胶膜;
S2、在金属法兰外表面应用纤维缠绕技术制造复合材料筒形件,并使贴近金属法兰的若干纤维嵌入金属法兰表面的沟槽中;
S3、固化复合材料筒形件。
2.根据权利要求1所述的复合材料筒形件与金属法兰连接结构件,其特征在于,所述复合材料筒形件在与金属法兰的连接区为变角度、变厚度结构。
3.根据权利要求1所述的复合材料筒形件与金属法兰连接结构件,其特征在于,所述复合材料筒形件与金属法兰的贴合面有兼具强度和阻尼性能的胶粘剂。
4.根据权利要求1或3所述的复合材料筒形件与金属法兰连接结构件,其特征在于,所述复合材料筒形件与金属法兰之间的胶粘剂嵌入金属法兰的沟槽。
5.根据权利要求1所述的复合材料筒形件与金属法兰连接结构件,其特征在于,所述纤维缠绕技术是通过纤维张力递减原则进行缠绕,每层纤维的张力递减量为10N~100N。
6.根据权利要求1所述的复合材料筒形件与金属法兰连接结构件,其特征在于,应用纤维缠绕技术制造的复合材料筒形件,在与金属法兰的连接区纤维缠绕角度发生渐变,并使得复合材料筒形件在连接区的厚度渐变。
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