CN112013004B - 一种复合材料接头的连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料接头的连接结构，包括复合材料接头本体和金属嵌件；复合材料接头本体端面设有供外部连接件穿过的安装孔；金属嵌件的外底面和外侧面完全包裹在复合材料接头本体中，金属嵌件外顶面开有用于与外部连接件连接的螺纹孔。本发明通过将具有螺纹孔的金属嵌件埋入复合材料接头本体中，外部连接件通过金属嵌件上的螺纹孔实现与复合材料接头的连接，可以避免复合材料接头本体螺纹强度低和不耐磨损等缺点，且承载能力更强，保证了复合材料接头与外部连接件在反复拆装过程中不会损坏复合材料接头本体。

Description

一种复合材料接头的连接结构

技术领域

本发明涉及连接件领域，特别涉及一种复合材料接头的连接机构。

背景技术

轻质化一直是体现固体火箭发动机先进性的重要指标，随着固体火箭发动机对质量比的要求提高，现阶段复合材料壳体的接头也开始复合材料化，即采用复合材料接头，以进一步降低发动机的消极质量。然而，由于复合材料螺纹强度低、且不耐磨损，复合材料接头的连接结构是限制其应用的一大难题。机械行业通常采用自攻螺套、插销螺套或锁紧螺套等螺纹护套对螺纹进行加强或修复，然而对于复合材料壳体接头而言，螺纹载荷大，工况复杂，且需反复拆装，螺纹护套方案无法满足发动机的受力和连接要求。

传统复合材料壳体接头连接结构直接在接头端面打螺纹孔，再通过螺栓与顶盖或喷管连接，复合材料螺纹载荷大，反复拆装会导致螺纹损坏。

发明内容

本发明提供一种复合材料接头的连接结构，在复合材料接头中预埋金属嵌件，以解决复合材料螺纹载荷大，反复拆装会导致螺纹损毁的问题。

本发明提供的技术方案具体如下：

一种复合材料接头的连接结构，包括复合材料接头本体和金属嵌件；其中：

复合材料接头本体端面设有供外部连接件穿过的安装孔；金属嵌件的外底面和外侧面完全包裹在复合材料接头本体中，金属嵌件外顶面开有用于与外部连接件连接的螺纹孔。

一些实施例中，螺纹孔外缘位于安装孔内，当外部连接件螺纹连接在螺纹孔内时会对复合材料接头本体进行挤压，形成密封空间。

一些实施例中，金属嵌件具有非轴对称结构，以避免金属嵌件相对于复合材料接头本体轴向旋转。

一些实施例中，金属嵌件包括柱体和固定在柱体一端的阻挡件，柱体和阻挡件完全包埋在所述复合材料接头本体内；螺纹孔开设在柱体远离阻挡件的一端，并沿柱体轴向向内延伸。

一些实施例中，阻挡件为非轴对称的限位台阶或限位插销，用于限制金属嵌件相对复合材料接头本体轴向旋转。

一些实施例中，当柱体底部设有阻挡件时，柱体为圆柱形、圆锥形或多棱柱形，依靠非轴对称的阻挡件限制金属嵌件相对复合材料接头本体轴向旋转。

一些实施例中，金属嵌件仅由锥形的柱体组成，螺纹孔开设在柱体小端。

一些实施例中，柱体侧面设有平行于螺纹孔轴向的扭转受力面，扭转受力面用于承受柱体在旋转时受到的复合材料接头本体的抵抗力。

一些实施例中，螺纹孔的深度不大于柱体的高度，柱体底部承受轴向上的压力。

一些实施例中，金属嵌件在复合材料接头成型过程中预埋入复合材料接头本体中；或在复合材料接头本体成型后，加工安装孔，再安装金属嵌件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过将金属嵌件埋入复合材料接头本体中，在金属嵌件上制作螺纹孔，外部连接件通过金属嵌件上的螺纹孔实现与复合材料接头的连接，相对于外部连接件直接与复合材料接头本体进行螺纹连接，本发明可以避免复合材料接头本体螺纹强度低和不耐磨损等缺点，且承载能力更强，保证了复合材料接头与外部连接件在反复拆装过程中不会损坏复合材料接头本体。

(2)本发明在金属嵌件埋入复合材料接头本体的一端设置不对称的阻挡件，可以根据工艺方案和受力要求调节阻挡件的结构；通过不对称的阻挡件与复合材料接头本体传递载荷，一方面使得金属嵌件不会相对复合材料接头本体转动，避免了在螺纹拆卸过程中，损伤金属嵌件与复合材料复合材料接头之间的连接。

(3)本发明设计金属嵌件的端面略低于复合材料接头本体端面，避免金属嵌件与复合材料接头本体结构变形不一致，影响外部连接件与复合材料接头的连接和密封效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中复合材料接头的连接结构；

图2为本发明实施例提供的复合材料接头的连接结构；

图3为本发明实施例提供的第一种金属嵌件的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的第二种金属嵌件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的第三种金属嵌件的结构示意图；

图中，1-复合材料接头本体，2-安装孔，3-金属嵌件，31-外底面，32-外侧面，33-外顶面，34-柱体，35-阻挡件，351-限位插销，352-限位台阶，36-扭转受力面，4-螺纹孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种复合材料接头的连接结构，其能解决复合材料接头与外部连接件由于反复拆装损坏复合材料接头本体螺纹的问题。

该复合材料接头的连接结构包括复合材料接头本体1和金属嵌件3，其中：复合材料接头本体1端面设有供外部连接件穿过的安装孔2；金属嵌件3的外底面31和外侧面32完全包裹在复合材料接头本体1中，金属嵌件3外顶面33开有用于与外部连接件连接的螺纹孔4。

一些实施例中，为了避免金属嵌件3与复合材料接头本体1在使用过程中结构变形不一致，影响外部连接件与复合材料接头的连接和密封效果，本发明设计金属嵌件3的外顶面33略低于复合材料接头本体1端面，即螺纹孔4外缘位于安装孔2内。

一些实施例中，为避免螺纹拆卸过程中破坏金属嵌件3与复合材料接头本体1之间的连接效果，金属嵌件3设计为非轴对称结构，防止金属嵌件3相对复合材料接头本体1转动。

一些实施例中，金属嵌件3包括柱体34和固定在柱体34一端的阻挡件35，柱体34和阻挡件35完全包埋在所述复合材料接头本体1内；螺纹孔4开设在柱体34远离阻挡件35的一端，并沿柱体34轴向向内延伸。

阻挡件35的设置一方面用于承接金属嵌件3在轴向上的拉压力，另一方面承接金属嵌件3在旋转时受到的复合材料接头本体1对其产生的周向抵抗力。

更进一步地，阻挡件35为限位插销351或非轴对称的限位台阶352，以保证金属嵌件3具有非轴对称结构，从而避免金属嵌件3相对复合材料接头本体1转动。

一些实施例中，底部设有阻挡件35的柱体34为圆柱形、圆锥形或多棱柱形，依靠阻挡件35承接金属嵌件3在旋转时受到的复合材料接头本体1对其产生的周向抵抗力，从而避免金属嵌件3相对复合材料接头本体1转动。

一些实施例中，金属嵌件3仅包括锥形的柱体34，螺纹孔4开设在柱体34小端，柱体34大端完全包埋在复合材料接头本体1中。

一些实施例中，柱体34侧面设有平行于螺纹孔4轴向的扭转受力面36，扭转受力面36用于承接金属嵌件3在旋转时受到的复合材料接头本体1对其产生的周向抵抗力，从而避免金属嵌件3相对复合材料接头本体1转动。相对于插销螺套的结构形式，扭转受力面36的设置使得复合材料接头不需要在安装金属嵌件3后再对复合材料接头本体1和金属嵌件3整体加工插销孔，降低了加工量和加工难度。

具体地，本发明提供如下几种结构的金属嵌件3：

(1)台阶形金属嵌件：柱体34为圆柱形，柱体34下端设有限位台阶351，金属嵌件3主要通过限位台阶351抵抗轴向载荷；切除限位台阶351两侧边之后，形成扭转受力面36，金属嵌件3依靠扭转受力面36抵抗侧向的扭转力，防止金属嵌件3沿轴线旋转。

(2)锥形金属嵌件：柱体34为锥形结构，主要通过金属嵌件3大端的底面抵抗轴向载荷，切除柱体34底部两侧边，形成扭转受力面36，金属嵌件3依靠扭转受力面36抵抗侧向的扭转力，防止金属嵌件3沿轴线旋转。

(3)台阶锥形金属嵌件：柱体34为锥形结构，柱体34下端设有限位台阶351，主要通过限位台阶351抵抗轴向载荷，切除柱体34底部两侧边，形成扭转受力面36；金属嵌件3依靠扭转受力面36抵抗侧向的扭转力，防止金属嵌件3沿轴线旋转。

(4)带插销结构金属嵌件：柱体34为锥形或圆柱形结构，安装好金属嵌件3后，对复合材料接头本体1和柱体34整体加工插销孔，再安装限位插销351，以形成非轴对称结构，防止金属嵌件3沿轴线旋转。

一些实施例中，螺纹孔4的深度不大于柱体34的高度，螺纹孔4也可以贯穿金属嵌件3，可根据外部需要设计螺纹孔4的深度。

一些实施例中，柱体34和阻挡件35一体成型，以增强柱体34和阻挡件35之间的连接强度，阻挡件35也可以通过焊接的方式固定在柱体34一端。

为了满足连接结构的强度需求，金属嵌件3采用钢、钛合金或铝合金材质，这些材质加工出的螺纹强度高、耐磨性好，反复拆卸不会损伤螺纹结构。

实施过程为金属嵌件3安装在复合材料接头本体的指定位置，通过金属嵌件3上的螺纹孔4，实现与外部连接件的连接。其中，金属嵌件3可以在复合材料接头本体1成型过程中进行预埋，也可以在复合材料接头本体1成型后，加工安装孔2，再安装金属嵌件3；螺纹孔4可以在金属嵌件3安装前，根据要求加工，也可以在复合材料接头整体成型后，再加工螺纹孔4。

实施例1

金属嵌件3采用台阶形金属嵌件，预埋入法兰厚度为20mm的复合材料接头中，金属嵌件3选用高强度合金钢30CrMnSi，金属嵌件3上加工M18螺纹孔，柱体34外径为28mm，限位台阶外径为35mm，柱体34的高度为15mm，限位台阶高度为5mm，金属嵌件3的拉拔承载能力为17.2t。

实施例2

金属嵌件3采用锥形金属嵌件，预埋入法兰厚度为20mm的复合材料接头中，金属嵌件3选用高强度合金钢30CrMnSi，金属嵌件3沿轴向加工M18螺纹孔，金属嵌件3高度为20mm，其中，小端外径为28mm，大端外径为35mm，金属嵌件3的拉拔承载能力为20.0t。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种复合材料接头的连接结构，其特征在于，包括：

复合材料接头本体(1)，所述复合材料接头本体(1)端面设有供外部连接件穿过的安装孔(2)；和

金属嵌件(3)，所述金属嵌件(3)的外底面(31)和外侧面(32)完全包裹在复合材料接头本体(1)中，所述金属嵌件(3)外顶面(33)开有用于与外部连接件连接的螺纹孔(4)；

所述螺纹孔(4)外缘位于所述安装孔(2)内，以避免所述金属嵌件(3)与所述复合材料接头本体(1)在使用过程中结构变形不一致而影响所述外部连接件与所述复合材料接头的连接和密封效果；

所述金属嵌件(3)具有非轴对称结构；

所述金属嵌件(3)包括柱体(34)和固定在柱体(34)一端的非轴对称的限位台阶(352)；或者

所述金属嵌件(3)为锥形的柱体(34)，所述螺纹孔(4)开设在柱体(34)小端；

所述柱体(34)侧面设有平行于螺纹孔(4)轴向的扭转受力面(36)；所述扭转受力面(36)通过切除所述柱体(34)底部两侧边形成。

2.根据权利要求1所述的复合材料接头的连接结构，其特征在于：所述柱体(34)和非轴对称的限位台阶(352)完全包埋在所述复合材料接头本体(1)内；所述螺纹孔(4)开设在柱体(34)远离非轴对称的限位台阶(352)的一端，并沿柱体(34)轴向向内延伸。

3.根据权利要求1所述的复合材料接头的连接结构，其特征在于：当所述金属嵌件(3)包括柱体(34)和固定在柱体(34)一端的非轴对称的限位台阶(352)时，所述柱体(34)为圆柱形、圆锥形或多棱柱形。

4.根据权利要求2或3所述的复合材料接头的连接结构，其特征在于：所述螺纹孔(4)的深度不大于所述柱体(34)的高度。

5.根据权利要求1所述的复合材料接头的连接结构，其特征在于：所述金属嵌件(3)在复合材料接头成型过程中预埋入复合材料接头本体(1)中；或在复合材料接头本体(1)成型后，加工安装孔(2)，再安装金属嵌件(3)。

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