CN112360853B - 复合材料平行薄板的连接体系及实施方法 - Google Patents
复合材料平行薄板的连接体系及实施方法Info
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Abstract
本发明公开了复合材料平行薄板的连接体系及实施方法。所述连接体系包括第一复合材料平行薄板；第二复合材料平行薄板，所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板交互搭接；曲面夹板，所述曲面夹板设置在所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板的搭接区域，所述曲面夹板上设有紧固螺栓和螺母，所述紧固螺栓和螺母用于固定所述曲面夹板。本发明使得复合材料平行薄板的连接更加安全、可靠、高效，且操作简单、适用性广、工程实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体而言，本发明涉及复合材料平行薄板的连接体系及实施方法。
背景技术
复合材料轻质高强、耐腐蚀以及疲劳性能优越，使其在建筑、机械和汽车等领域有着普遍的应用，而复合材料是一种各项异性材料，且不能像金属一样通过焊接来实现复合材料的有效连接，复合材料的有效连接技术是复合材料能广泛应用的前提，特别是复合材料受拉构件的连接。现有的复合材料连接技术主要是胶接技术，复合材料胶接技术有接头应力集中小、纤维连续、抗疲劳性能好、连接表面光滑、重量轻等优点。目前工程中常见的几种典型的胶接接头形式分类有：单搭接、双搭接、盖板搭接、对接、阶梯形搭接、楔形搭接等形式。其中胶接单搭连接是最简单、使用最为广泛的一种胶接形式，但单搭接接头边缘存在较大的剥离应力，造成搭接接头承载力较低，不能充分发挥复合材料的高强度优势。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出复合材料平行薄板的连接体系及实施方法。本发明使得复合材料平行薄板的连接更加安全、可靠、高效，且操作简单、适用性广、工程实用性强。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种复合材料平行薄板的连接体系。根据本发明的实施例，该复合材料平行薄板的连接体系包括：
第一复合材料平行薄板；
第二复合材料平行薄板，所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板交互搭接；
曲面夹板，所述曲面夹板设置在所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板的搭接区域，所述曲面夹板上设有紧固螺栓和螺母，所述紧固螺栓和螺母用于固定所述曲面夹板。
根据本发明上述实施例的复合材料平行薄板的连接体系，通过将第一复合材料平行薄板与第二复合材料平行薄板交互搭接，增大了搭接区域处的第一复合材料平行薄板与第二复合材料平行薄板的接触面积，从而增大了它们的摩擦力，充分利用复合材料的强度；曲面夹板可以对搭接区域施加预紧力，降低搭接区域的剥离应力，并通过摩擦力和机械咬合力共同作用，实现两端复合材料平行薄板的有效连接。本发明使得复合材料平行薄板的连接更加安全、可靠、高效，且操作简单、适用性广、工程实用性强。
另外，根据本发明上述实施例的复合材料平行薄板的连接体系还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述曲面夹板包括第一曲面夹板和第二曲面夹板，所述第一曲面夹板和所述第二曲面夹板分别设置在所述搭接区域的上下两个表面，所述第一曲面夹板和所述第二曲面夹板通过所述紧固螺栓和螺母连接。
在本发明的一些实施例中，所述第一复合材料平行薄板和所述第二复合材料平行薄板分别为单层或多层。
在本发明的一些实施例中，所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板的搭接区域浸有粘结胶。由此，粘结交互搭接的第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板，增加了所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板的搭接区域的粘结力。
在本发明的一些实施例中，所述曲面夹板两端靠近所述搭接区域的表面均为平直段，两端平直段之间的表面为波纹曲线。
在本发明的一些实施例中，所述平直段的长度为3cm-5cm。由此，保证两端复合材料平行薄板受力在一条直线上。
在本发明的一些实施例中，所述波纹曲线的外形函数为：其中，L0表示波纹长度，A表示波纹最大高度，f0(x)为波形函数，x表示波形沿长度方向坐标，所述外形函数的前三阶导数在x等于0或者x等于L0时均为零。由此，保证了复材板在波纹段两个端点无弯矩与剪力突变。
在本发明的一些实施例中，所述波纹曲线的曲率半径为100mm-200mm。
在本发明的一些实施例中，所述第一复合材料平行薄板和所述第二复合材料平行薄板的材质均为玻璃纤维、玄武岩纤维或混杂纤维，所述曲面夹板的长度为100-150倍的单层复合材料板厚。
在本发明的一些实施例中，所述第一复合材料平行薄板和所述第二复合材料平行薄板的材质均为碳纤维，所述曲面夹板的长度为150-200倍的单层复合材料板厚。
在本发明的一些实施例中，所述紧固螺栓沿所述复合材料平行薄板长度方向包括两排，分别设置在所述复合材料平行薄板的两侧，每排至少包括两个所述紧固螺栓。
在本发明的一些实施例中，两排所述紧固螺栓的间距不小于所述复合材料平行薄板的宽度，且两者差值小于2mm。由此保证两端复合材料薄板对齐。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种基于上述实施例的复合材料平行薄板的连接体系的实施方法，包括：
(1)根据复合材料平行薄板的材料种类及层数确定搭接区域的长度，根据所述复合材料平行薄板的宽度确定所述搭接区域的宽度；
(2)根据所述搭接区域的长度和宽度制作曲面夹板；
(3)将第一复合材料平行薄板和第二复合材料平行薄板的搭接区域浸胶；
(4)将浸胶后的所述第一复合材料平行薄板和所述第二复合材料平行薄板进行交互搭接；
(5)采用所述曲面夹板、紧固螺栓和螺母将搭接区域夹紧并施加预紧力；
(6)固化。
本发明实施例的所述方法使得复合材料平行薄板的连接更加安全、可靠、高效，且操作简单、适用性广、工程实用性强。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的复合材料平行薄板的连接体系的结构示意图。
图2是根据本发明实施例的复合材料平行薄板的连接体系的正视图。
图3是根据本发明实施例的复合材料平行薄板的连接体系的俯视图。
图4是根据本发明实施例的复合材料平行薄板的连接体系的曲面钢夹板结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个、四个、五个、六个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种复合材料平行薄板的连接体系。参考图1～3，根据本发明的实施例，所述复合材料平行薄板的连接体系包括：第一复合材料平行薄板10、第二复合材料平行薄板20、曲面夹板30、紧固螺栓40和螺母50。
根据本发明的实施例，参考附图1～3，第一复合材料平行薄板10和第二复合材料平行薄板20，所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板交互搭接。通过将第一复合材料平行薄板与第二复合材料平行薄板交互搭接，增大了搭接区域处的第一复合材料平行薄板与第二复合材料平行薄板的接触面积，从而增大了它们的摩擦力，充分利用复合材料的强度。所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板可以为单层，也可以为多层。
在本发明的实施例中，所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板的材质并不受特别限制，本领域人员可以随意选择，作为一种优选的方案，所述第一复合材料平行薄板的材质为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或混杂纤维，所述第二复合材料平行薄板的材质为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或混杂纤维。
根据本发明的一个具体实施例，所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板的搭接区域浸有粘结胶，用于粘结交互搭接的第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板，增加了所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板的搭接区域的粘结力。所述粘结胶的具体类型并不受特别限制，本领域人员可以随意选择，作为一个具体示例，所述粘结胶为常温或中温固化的环氧胶。
根据本发明的再一个具体实施例，同一端的复合材料薄板是平行的，两端是对齐的。
根据本发明的实施例，参考附图1～3，曲面夹板30，所述曲面夹板设置在所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板的搭接区域，所述曲面夹板上设有紧固螺栓40和螺母50，所述紧固螺栓和螺母用于固定所述曲面夹板。所述曲面夹板用于固定所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板的搭接区域，曲面夹板可以对搭接区域施加预紧力，降低搭接区域的剥离应力，并通过摩擦力和机械咬合力共同作用，实现两端复合材料平行薄板的有效连接。
根据本发明的一个具体实施例，参考附图1，所述曲面夹板30包括第一曲面夹板31和第二曲面夹板32，所述第一曲面夹板和所述第二曲面夹板分别设置在所述搭接区域的上下两个表面，所述第一曲面夹板和所述第二曲面夹板通过所述紧固螺栓40和螺母50连接。通过第一曲面夹板31和第二曲面夹板32将搭接区域夹在中间并施加预紧力，从而达到降低搭接区域的剥离应力的目的，并通过摩擦力和机械咬合力共同作用，实现两端复合材料平行薄板的有效连接。
根据本发明的再一个具体实施例，参考附图4，所述曲面夹板两端靠近所述搭接区域的表面均为平直段，保证两端复合材料平行薄板受力在一条直线上。进一步地，所述平直段的长度为3cm-5cm，由此，更好地保证两端复合材料平行薄板受力在一条直线上。
根据本发明的再一个具体实施例，两端平直段之间的表面为波纹曲线，波纹的函数曲线可以取多项式函数与三角函数的四则运算组合。作为一种优选的方案，所述波纹曲线的外形函数为：其中，L0表示波纹长度，A表示波纹最大高度，f0(x)为波形函数，x表示波形沿长度方向坐标，所述外形函数的前三阶导数在x等于0或者x等于L0时均为零，由此保证了复材板在波纹段两个端点无弯矩与剪力突变。
根据本发明的又一个具体实施例，波纹的曲率半径为100mm-200mm，发明人发现，如果曲率半径过小会导致复材板在夹持过程中产生损伤，曲率半径过大会导致复材板夹持后的机械咬合力太小而不能有效连接。施加预紧力后，通过粘结力、摩擦力和机械咬合力共同作用，实现两端复合材料平行薄板的有效连接。
在本发明的实施例中，搭接区域的长度(即曲面夹板的长度)需要根据复合材料薄板的材料种类进行设计，当所述第一复合材料平行薄板和所述第二复合材料平行薄板的材质均为玻璃纤维、玄武岩纤维或者混杂纤维薄板时，搭接长度一般取100-150倍的单层复材板厚；当所述第一复合材料平行薄板和所述第二复合材料平行薄板的材质均为碳纤维薄板时，搭接长度一般取150-200倍的单层碳纤维板厚。
根据本发明的再一个具体实施例，紧固螺栓的数量和间隔根据搭接区域的长度(即曲面夹板的长度)进行设计，沿复合材料平行薄板长度方向为一排，包括两排，分别设置在所述复合材料平行薄板的两侧，每排至少包括两个所述紧固螺栓，每排螺栓与复合材料平行薄板平行，垂直复合材料平行薄板长度方向为一列，每列有两个螺栓，一排螺栓的预紧力大小可以不同，一列螺栓的预紧力相同。由此，保证将曲面夹板30将搭接区域夹在中间并施加预紧力，从而达到降低搭接区域的剥离应力的目的，并通过粘结力、摩擦力和机械咬合力共同作用，实现两端复合材料平行薄板的有效连接。可对螺栓施加预紧力，预紧力的大小可以通过扭力扳手进行调节。
根据本发明的再一个具体实施例，两排所述紧固螺栓的间距不小于所述复合材料平行薄板的宽度，且两者差值小于2mm，由此保证两端复合材料薄板对齐。
根据本发明上述实施例的复合材料平行薄板的连接体系，通过将第一复合材料平行薄板与第二复合材料平行薄板交互搭接，增大了搭接区域处的第一复合材料平行薄板与第二复合材料平行薄板的接触面积，从而增大了它们的摩擦力，充分利用复合材料的强度；曲面夹板可以对搭接区域施加预紧力，降低搭接区域的剥离应力，并通过粘结力、摩擦力和机械咬合力共同作用，实现两端复合材料平行薄板的有效连接。本发明使得复合材料平行薄板的连接更加安全、可靠、高效，且操作简单、适用性广、工程实用性强。
在本发明的第二个方面，本发明提出了一种上述复合材料平行薄板的连接体系的实施方法，具体过程如下：
S1：确定搭接区域的长度和宽度
在该步骤中，根据复合材料平行薄板的材料种类及层数确定搭接区域的长度，根据所述复合材料平行薄板的宽度确定所述搭接区域的宽度。具体来说，对于玻璃纤维、玄武岩纤维和混杂纤维薄板，搭接长度一般取100-150倍的单层复材板厚，对于碳纤维薄板，搭接长度一般取150-200倍的单层碳纤维板厚。
S2：根据所述搭接区域的长度和宽度制作曲面夹板
在该步骤中，根据搭接长度和宽度设计并加工曲面钢夹板，本实施例使用HRB235钢材通过线切割工艺制作，两片钢板整体切割下料并进行打孔，以保证上下板形状一致。
S3：将第一复合材料平行薄板和第二复合材料平行薄板的搭接区域浸胶
在该步骤中，用丙酮试剂对两端复合材料平行薄板表面清洗，去清除试件表面灰尘与线切割加工中使用的润滑油，将复合材料平行薄板的搭接区域浸胶，结构胶黏剂一般为常温或中温固化的环氧胶。
S4：将浸胶后的所述第一复合材料平行薄板和所述第二复合材料平行薄板进行交互搭接
在该步骤中，将左右两端复合材料平行薄板一层一层交互搭接，搭接完成后检查两端复合材料平行薄板是否对齐，防止偏心或偏角安装误差的出现。
S5：采用所述曲面夹板、紧固螺栓和螺母将搭接区域夹紧并施加预紧力
在该步骤中，将钢夹板叠放在碳纤维复材板接头两面，并将紧固螺栓穿入紧固螺栓孔进行定位，以扳手依次逐步旋紧钢夹板上的紧固螺栓，旋紧螺栓位置往复变换，使钢夹板均匀压紧，直至所有螺栓初步拧紧，清除从钢板缝隙中溢出的结构胶黏剂，以扭矩扳手对将所有螺栓拧紧至设计扭矩。
S6：将搭接接头置于适宜条件下进行固化。
本发明实施例的所述方法使得复合材料平行薄板的连接更加安全、可靠、高效，且操作简单、适用性广、工程实用性强。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种复合材料平行薄板的连接体系，其特征在于，包括：
第一复合材料平行薄板；
第二复合材料平行薄板，所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板交互搭接；
曲面夹板，所述曲面夹板设置在所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板的搭接区域，所述曲面夹板上设有紧固螺栓和螺母，所述紧固螺栓和螺母用于固定所述曲面夹板；
所述曲面夹板两端靠近所述搭接区域的表面均为平直段，两端平直段之间的表面为波纹曲线；
所述波纹曲线的外形函数为：其中，L0表示波纹长度，A表示波纹最大高度，f0(x)为波形函数，x表示波形沿长度方向坐标，所述外形函数的前三阶导数在x等于0或者x等于L0时均为零；
所述波纹曲线的曲率半径为100mm-200mm。
2.根据权利要求1所述的复合材料平行薄板的连接体系，其特征在于，所述曲面夹板包括第一曲面夹板和第二曲面夹板，所述第一曲面夹板和所述第二曲面夹板分别设置在所述搭接区域的上下两个表面，所述第一曲面夹板和所述第二曲面夹板通过所述紧固螺栓和螺母连接。
3.根据权利要求1所述的复合材料平行薄板的连接体系，其特征在于，所述第一复合材料平行薄板和所述第二复合材料平行薄板分别为单层或多层。
4.根据权利要求1所述的复合材料平行薄板的连接体系，其特征在于，所述第一复合材料平行薄板与所述第二复合材料平行薄板的搭接区域浸有粘结胶。
5.根据权利要求3所述的复合材料平行薄板的连接体系，其特征在于，所述平直段的长度为3cm-5cm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的复合材料平行薄板的连接体系，其特征在于，所述第一复合材料平行薄板和所述第二复合材料平行薄板的材质均为玻璃纤维、玄武岩纤维或混杂纤维，所述曲面夹板的长度为100-150倍的单层复合材料平行薄板板厚。
7.根据权利要求1-5任一项所述的复合材料平行薄板的连接体系，其特征在于，所述第一复合材料平行薄板和所述第二复合材料平行薄板的材质均为碳纤维，所述曲面夹板的长度为150-200倍的单层复合材料平行薄板板厚。
8.根据权利要求1-5任一项所述的复合材料平行薄板的连接体系，其特征在于，所述紧固螺栓沿所述复合材料平行薄板长度方向包括两排，分别设置在所述复合材料平行薄板的两侧，每排至少包括两个所述紧固螺栓。
9.根据权利要求8所述的复合材料平行薄板的连接体系，其特征在于，两排所述紧固螺栓的间距不小于所述复合材料平行薄板的宽度，且两者差值小于2mm。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述的复合材料平行薄板的连接体系的实施方法，其特征在于，包括：
(1)根据复合材料平行薄板的材料种类及层数确定搭接区域的长度，根据所述复合材料平行薄板的宽度确定所述搭接区域的宽度；
(2)根据所述搭接区域的长度和宽度制作曲面夹板；
(3)将第一复合材料平行薄板和第二复合材料平行薄板的搭接区域浸胶；
(4)将浸胶后的所述第一复合材料平行薄板和所述第二复合材料平行薄板进行交互搭接；
(5)采用所述曲面夹板、紧固螺栓和螺母将搭接区域夹紧并施加预紧力；
(6)固化。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |