CN111059137A - 一种复合材料杆件与金属接头的连接结构及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料杆件与金属接头的连接结构及成型方法，属于结构强度领域。该连接结构中，复合材料杆件包括复合材料中空内筒、复合材料中空外筒，金属接头为空心结构，包括；端头连接部和筒形阶梯连接区，所述筒形阶梯连接区包括弧形连接区和平台连接区，所述平台连接区和弧形连接区分别与复合材料中空内筒、复合材料中空外筒贴合。本发明技术方案适用于以承受拉伸、压缩等轴向载荷为主的复合材料中空筒段与金属接头连接的杆类结构，可承受几吨到几百吨的拉压载荷，相比于金属杆类结构，在满足性能要求的同时，可以获得良好的减重效果。

Description

一种复合材料杆件与金属接头的连接结构及成型方法

技术领域

本发明属于结构强度领域，具体涉及一种复合材料杆件与金属接头的连接结构及成型方法。

背景技术

发动机吊挂为飞机主要承力部件，可以分为中央盒段、上部整流罩和后部整流罩等级部分。其中，吊挂盒段为梁式框架结构，用于连接发动机和机翼。对于超静定结构的吊挂盒段来说，下连杆一般用于连接吊挂和机翼下翼面，主要传递发动机推力，承受拉压载荷，如图1所示。传统飞机设计下连杆方案多采用金属连杆+金属接头一体机加成型，所用材料包括钛合金和高强钢，具体方案需要依据机型设计特点、要求以及供应商制造能力来确定。对于翼吊发动机飞机，相比于吊挂传统下连杆设计，复合材料杆件+金属接头的设计方案可以减重35％-80％，潜在效益巨大。目前，波音787飞机吊挂下连杆已采用复合材料设计方案，接头采用钛合金，获得了良好的使用效果。

复材连杆与金属接头之间的连接是吊挂复合材料下连杆设计的关键和难点所在。目前，航空类复合材料结构件多是平面或者大曲面类板结构，对于这类结构，无论是设计分析方法还是制造工艺都已经成熟。但是对于杆类复合材料结构研究甚少，特别是能够承受巨大拉压载荷的杆类结构，更是缺乏可供参考的设计分析方法和制造工艺。如何在设计以及制造工艺上，突破复合材料连杆与金属接头之间的连接技术，是完成复合材料连杆设计与验证的关键一环。

复合材料结构与金属结构的连接形式通常包含胶接和机械连接。由于该连杆传递载荷较高，因此胶接连接无法满足要求；若采用机械连接(如图2)，由于复合材料杆件的可达性较差，只能采用铆钉进行单面安装，装配性和可检性方面也存在较多问题。

现有技术中，波音公司于1984年申请专利“Composite base structure and endfitting joint and method”(Patent Number:4,469,730)，将复材杆与金属接头之间的拉伸载荷转化为hoop载荷，也即90°的碳纤维tension载荷，压缩载荷通过复材与金属的接触面传递，如图3所示。

该方案传递压缩载荷时存在明显不足，复材面外性能较差，若通过复材截面与金属接头的接触来传递压缩载荷，很容易导致复材的压溃，从而造成结构失效。另外该方案也没有考虑复材吸湿老化可能导致的结构松弛问题。

Rolls-Royce公司于2014年申请专利“Method for manufacturing a shaft of agas-turbine engine,in particular a radial shaft or a shaft arranged at anangle to the machine axis”(US2014130964)，提出了一种复合材料涡轮轴与金属接头的连接方案，如图4a-4b所示。该方案设计了花键形式的内、外金属接头，将复材预浸料铺贴到内金属接头上，而后连接外金属接头将复材压实到花键中，从而传递扭矩。方案为传扭轴设计，传递拉压载荷能力不足。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种复合材料杆件与金属接头的连接结构及成型方法，适用于以承受拉伸、压缩等轴向载荷为主的复合材料中空筒段与金属接头连接的杆类结构，可承受几吨到几百吨的拉压载荷，相比于金属杆类结构，在满足性能要求的同时，可以获得良好的减重效果。

根据本发明的第一方面，提供一种复合材料杆件与金属接头的连接结构，其特征在于，

所述复合材料杆件包括复合材料中空内筒、复合材料中空外筒，

所述金属接头为空心结构，包括：

端头连接部，所述端头连接部用于实现吊挂操作；

筒形阶梯连接区，所述筒形阶梯连接区为二级阶梯筒形结构，用于实现与复合材料杆件进行连接。

进一步的，所述筒形阶梯连接区包括第一外径部分和第二外径部分，第一外径部分的外径小于第二外径部分的外径。

进一步的，所述第一外径部分的外表面为平台连接区，所述平台连接区用于实现与复合材料中空内筒进行贴合；所述第二外径部分为承压阻挡板，所述承压阻挡板与贴合在所述平台连接区上的复合材料中空内筒对接，所述承压阻挡板的外表面为弧形连接区，所述弧形连接区用于实现与复合材料中空外筒进行贴合。

进一步的，所述弧形连接区和平台连接区上设有多个防自转/滑平台。

进一步的，所述弧形连接区包括平直区域和弧形区域，所述平直区域靠近端头连接部设置，外径不变；所述弧形区域靠近贴合在所述平台连接区上的复合材料中空内筒设置，所述弧形区域沿着朝向复合材料中空内筒的方向外径逐渐增大。

进一步的，所述筒形阶梯连接区进行毛化处理，以增大与复合材料杆件的粘接力。

根据本发明的第二方面，提供一种应用于以上任一方面所述的复合材料杆件与金属接头的连接结构的成型方法，所述成型方法包括：

步骤1：制备成型金属接头；

步骤2：通过芯模，铺覆复合材料中空内筒铺层，进而预固化成型；

步骤3：将预固化成型的复合材料中空内筒贴合于金属接头的平台连接区；

步骤4：以复合材料中空内筒与金属接头的平台连接区贴合后产品为模具，铺覆复合材料中空外筒铺层，铺覆完成后，整个筒段一起共固化，形成复合材料杆件与金属接头的连接结构。

进一步的，所述步骤2中，以平行于轴向的0°方向铺覆复合材料中空内筒铺层。

进一步的，所述步骤4中，在弧形连接区的平直区域，复合材料中空外筒铺层以平行于轴向的0°方向铺覆；在弧形连接区的弧形区域，复合材料中空外筒铺层额外增加90°方向铺覆。

进一步的，所述成型方法中，铺覆方式包括但不限于缠绕、手工铺贴的方式。

本发明的有益效果：

根据本发明的技术方案中，当结构承受拉伸载荷时，金属接头与复合材料中空内筒、复合材料中空外筒之间产生相对位移趋势，其中，因复合材料中空外筒在弧形连接区被90°铺层紧紧夹箍在金属接头上，同时借助于承压阻挡板构成的阶梯，复合材料中空外筒与金属接头弧形连接区部分传递了大部分的拉伸载荷。当结构承受压缩载荷时，因金属接头上承压阻挡板的存在，使压缩载荷更容易通过承压阻挡板传递给复合材料中空内筒，因此复合材料中空内筒承受了大部分的压缩载荷。

附图说明

图1示出发动机吊舱结构示意图；

图2示出现有技术中复材连杆与金属接头机械连接方案示意图；

图3示出波音公司专利方案示意图；

图4a至4b示出Rolls-Royce公司涡轮轴方案示意图；

图5示出根据本发明技术方案的结构示意图；

图6示出根据本发明技术方案的金属接头结构示意图；

图7示出根据本发明技术方案的复合材料中空内筒结构示意图；

图8示出将复合材料中空内筒贴合于金属接头示意图；

图9示出共固化结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，一下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用于本发明，并不限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的本发明的精髓和范围上做的代替、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明还有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定结构的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完成理解本发明。

本发明提出了一种新型的复合材料中空筒段与金属接头的连接结构，如图5 所示，主要包括复合材料中空内筒(1)、外筒(2)和金属接头(3)。

金属接头(3)为空心结构，结构如图6所示，通过平台连接区(4)和弧形连接区(5)分别与复合材料内筒(1)、外筒(2)段贴合。

金属与复合材料连接区可以进行毛化处理，用于增大与复材杆件外表面之间的摩擦系数，避免两者之间的移动；另外，在金属接头的平台和弧形连接区设有多个防自转/滑平台(7)，用于防止复材缠绕过程中发生相对转动。

金属接头(3)上设有承压阻挡板(6)，与复材内筒(1)段端部连接，保证压缩载荷直接传递到复材内筒(1)。复材中空内筒(1)主要由平行于筒轴的0°方向铺层构成，可通过缠绕、手工铺贴等工艺铺覆，预固化后，通过平台连接区 (4)先与金属接头(3)粘接，然后利用缠绕、手工铺贴等工艺铺贴复材外筒(2)，复材外筒(2)与金属接头主要通过弧形连接区(5)连接，最后一起固化形成复材中空筒段与金属接头连接产品。其中，复材外筒(2)主要由平行于筒轴的0°方向铺层构成，但在弧形连接区(5)，要额外增加90°方向铺层，以保证0°方向铺层与金属平台面紧密贴合。

当结构承受拉伸载荷时，金属接头(3)与复材中空内筒(1)和复材中空外筒(2)之间产生相对位移趋势，其中，因复材中空外筒(2)在弧形连接区(5) 被90°铺层紧紧夹箍在金属接头上，同时借助于承压组挡板构成的阶梯，复材中空外筒与金属接头弧形连接区部分传递了大部分的拉伸载荷。当结构承受压缩载荷时，因金属接头上承压阻挡板的存在，使压缩载荷更容易通过承压阻挡板传递给复材内筒(1)，因此复材内筒(1)承受了大部分的压缩载荷。

以上结构装配过程如下：

a)金属接头(3)加工，其中阶梯连接区可以毛化处理，以增大与复材的粘接力。

b)复材中空内筒段制备，通过芯模，利用缠绕、手工铺贴等工艺铺覆，进而预固化成型；因以承受拉压载荷，所以，内筒段铺层以平行于轴向的0°方向铺层为主。结构如图7所示。

c)复材中空内筒段通过平台连接区与金属接头粘接，贴合于平台连接区(4)，贴合过程如图8所示。

d)复材中空外筒与复材中空内筒、金属接头连接制备。

以复材中空内筒和金属接头连接后产品为模具，利用缠绕、手工铺贴等工艺铺覆复材外筒。其中复材外筒仍由平行于筒轴的0°方向铺层构成，但是在弧形连接区，要额外增加90°方向铺层，以保证0°方向铺层与金属平台面紧密贴合。所有铺贴完成后，整个筒段一起共固化，结构如图9所示。

本发明提出了一种新的复合材料杆件与金属接头的新型连接方案，可应用于以承受拉伸、压缩等轴向载荷为主的复合材料筒段与金属接头连接的杆类结构，如翼吊发动机吊挂上下连杆、起落架斜支柱、中央翼梁支柱等。

该方案适用于以承受拉伸、压缩等轴向载荷为主的复合材料中空筒段与金属接头连接的杆类结构，例如，翼吊发动机超静定吊挂上下拉杆、中央翼梁支柱、起落架斜支柱等，依据连接区和复材筒段不同设计方案，可以承受几吨到几百吨的拉压载荷，相比于金属杆类结构，在满足性能要求的同时，可以获得良好的减重效果。

本文虽然已经给出了本发明的实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (10)

1.一种复合材料杆件与金属接头的连接结构，其特征在于，

所述复合材料杆件包括复合材料中空内筒、复合材料中空外筒，

所述金属接头为空心结构，包括：

端头连接部，所述端头连接部用于实现吊挂操作；

筒形阶梯连接区，所述筒形阶梯连接区为二级阶梯筒形结构，用于实现与复合材料杆件进行连接。

2.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述筒形阶梯连接区包括第一外径部分和第二外径部分，第一外径部分的外径小于第二外径部分的外径。

3.根据权利要求2所述的连接结构，其特征在于，所述第一外径部分的外表面为平台连接区，所述平台连接区用于实现与复合材料中空内筒进行贴合；所述第二外径部分为承压阻挡板，所述承压阻挡板与贴合在所述平台连接区上的复合材料中空内筒对接，所述承压阻挡板的外表面为弧形连接区，所述弧形连接区用于实现与复合材料中空外筒进行贴合。

4.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述弧形连接区和平台连接区上设有多个防自转/滑平台。

5.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述弧形连接区包括平直区域和弧形区域，所述平直区域靠近端头连接部设置，外径不变；所述弧形区域靠近贴合在所述平台连接区上的复合材料中空内筒设置，所述弧形区域沿着朝向复合材料中空内筒的方向外径逐渐增大。

6.根据权利要求1所述的连接结构，其特征在于，所述筒形阶梯连接区进行毛化处理，以增大与复合材料杆件的粘接力。

7.一种应用于如权利要求1至6中任一项所述的复合材料杆件与金属接头的连接结构的成型方法，所述成型方法包括：

步骤1：制备成型金属接头；

步骤2：通过芯模，铺覆复合材料中空内筒铺层，进而预固化成型；

步骤3：将预固化成型的复合材料中空内筒贴合于金属接头的平台连接区；

步骤4：以复合材料中空内筒与金属接头的平台连接区贴合后产品为模具，铺覆复合材料中空外筒铺层，铺覆完成后，整个筒段一起共固化，形成复合材料杆件与金属接头的连接结构。

8.根据权利要求7所述的成型方法，其特征在于，所述步骤2中，以平行于轴向的0°方向铺覆复合材料中空内筒铺层。

9.根据权利要求7所述的成型方法，其特征在于，所述步骤4中，在弧形连接区的平直区域，复合材料中空外筒铺层以平行于轴向的0°方向铺覆；在弧形连接区的弧形区域，复合材料中空外筒铺层额外增加90°方向铺覆。

10.根据权利要求7所述的成型方法，其特征在于，所述成型方法中，铺覆方式包括但不限于缠绕、手工铺贴的方式。

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